斜拉索風(fēng)致振動控制研究

畢偉，時金碧，李靜 （河北科技工程職業(yè)技術(shù)大學(xué)，河北 邢臺 054000）

1 概況

隨著斜拉橋跨度的不斷增大，斜拉索長徑比隨之增大，斜拉索的剛度和阻尼也不斷降低，導(dǎo)致斜拉索在風(fēng)和雨的作用下容易發(fā)生大幅振動。斜拉索的大幅振動不僅會導(dǎo)致在索錨結(jié)合處出現(xiàn)裂紋，使拉索發(fā)生疲勞破壞，還會引發(fā)行人和車輛的舒適度問題。研究拉索的振動機理及其振動控制問題，具有十分重要的實際意義。

2 斜拉橋的風(fēng)致振動

橋梁結(jié)構(gòu)的風(fēng)致振動主要有以下幾類，分別是渦激振動、尾流馳振、風(fēng)雨激振、裹冰拉索馳振和抖振等。

2.1 渦激振動

渦激振動是氣流通過拉索后產(chǎn)生旋渦并脫落引起的，產(chǎn)生出對拉索的橫向和順風(fēng)向的周期荷載。渦激振動介于橋梁結(jié)構(gòu)的強迫振動和自激振動之間，當(dāng)漩渦脫落頻率與拉索的某階固有頻率接近時，會導(dǎo)致出現(xiàn)渦激共振現(xiàn)象，斜拉索越長，渦激振動出現(xiàn)的頻率越高。渦激共振是一種限幅振動，不會引起結(jié)構(gòu)的破壞，但是振動較嚴重時，會影響斜拉索的壽命。

2.2 尾流馳振

尾流馳振近距離并列索在大跨度斜拉橋中得到廣泛應(yīng)用。當(dāng)氣流流過近距離并列索時，上游的拉索尾流區(qū)內(nèi)會在氣流的作用下形成一個不穩(wěn)定的馳振區(qū)，而位于下游的拉索在振動過程中受到上流索的尾流干擾出現(xiàn)尾流馳振現(xiàn)象，下游的斜拉索會比上游的斜拉索發(fā)生更大的風(fēng)致振動。尾流馳振是發(fā)散性自激振動現(xiàn)象，單根拉索不存在發(fā)生尾流馳振的可能。當(dāng)斜拉索的間距為2～5或10～20倍的斜拉索直徑時，較易發(fā)生尾流馳振。

2.3 風(fēng)雨激振

風(fēng)雨激振是一定天氣條件下，斜拉索在受到風(fēng)和雨的共同作用下，發(fā)生的大幅度、低頻率的振動現(xiàn)象。1984年日本學(xué)者Hikami在觀察MeikoNishi橋時首次觀測和提出，并在風(fēng)洞中通過人工降雨試驗重現(xiàn)了這一現(xiàn)象。迄今國內(nèi)外學(xué)者在多座斜拉橋上觀測到了斜拉索的風(fēng)雨激振現(xiàn)象。

斜拉索振動中危害最大的就是風(fēng)雨激振，超過九成的橋梁問題振動都是由風(fēng)雨激振引起的，斜拉索風(fēng)雨激振的振幅遠大于其他風(fēng)致振動的振幅。斜拉索風(fēng)雨激振的影響因素有很多，如斜拉索的自身振動特性、質(zhì)量、阻尼、降雨量、風(fēng)速、風(fēng)向和紊流度等。發(fā)生風(fēng)雨激振時的風(fēng)速一般在5m/s～20m/s范圍內(nèi)，風(fēng)向與橋梁軸線的夾角一般在20°～60°范圍內(nèi)。雨水沿拉索表面流下的水線是拉索發(fā)生風(fēng)雨激振的必要條件，水線在風(fēng)的作用下使斜拉索的界面變成了一個氣動不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，控制拉索風(fēng)雨激振的措施主要是破壞拉索表面水線的形成。

2.4 裹冰拉索馳振

拉索表面結(jié)冰時，裹覆在拉索表面的冰會改變原有的拉索對稱截面形狀，這種非對稱截面形狀的拉索在風(fēng)的作用下會引起不穩(wěn)定的氣動力，從而導(dǎo)致斜拉索出現(xiàn)發(fā)散型的拉索馳振。斜拉索的裹冰拉索馳振頻振幅大，造成的危害比較嚴重。

2.5 抖振

斜拉橋是柔性結(jié)構(gòu)，極易在陣風(fēng)和湍流的作用下，發(fā)生振動現(xiàn)象。振幅視風(fēng)速而定，一般風(fēng)速越高，抖振現(xiàn)象也越明顯，但其振幅有限。橋梁的過大抖振不僅會引發(fā)行人的舒適度問題，還會造成高速行車的安全性問題。在工程設(shè)計時，往往通過相應(yīng)增大剛度和機械阻尼來減小抖振。

3 斜拉橋的風(fēng)振控制

斜拉索振動控制措施可分為三種：空氣動力學(xué)措施、輔助索方法和機械阻尼減振措施。

3.1 空氣動力學(xué)減振措施

橋梁的風(fēng)振響應(yīng)主要取決于風(fēng)與橋梁結(jié)構(gòu)的相互作用，在風(fēng)雨振動中，雨流起著重要作用，抑制雨流的產(chǎn)生將會對斜拉索的振動產(chǎn)生重要影響。拉索的空氣動力學(xué)減振措施是通過改變斜拉索的截面形狀，破壞斜拉索上水線的形成，以避免產(chǎn)生不穩(wěn)定振動，從而起到減振作用。氣動減振措施主要有以下幾種形式。

①在斜拉索PE管表面沿軸向設(shè)置凹槽或平行凸起肋條。日本神戶橋采取表面帶凸出的斜拉索控制雨水沿斜拉索表面的周向振蕩，防止拉索因雨水積聚改變外形。在設(shè)計時，要盡量使斜拉索美觀，同時要防止在凸出（或凹槽處）出現(xiàn)可能的應(yīng)力集中問題，也要防止出現(xiàn)其他氣流不穩(wěn)定的情況發(fā)生。

②在索表面壓制不規(guī)則的凹孔。斜拉索表面的凹孔可以破壞水線和軸向流的形成，抑制拉索振動。日本的多多羅橋就采取這種表面有凹坑的斜拉索取得了良好的減振效果。

③在斜拉索表面沿軸向螺旋狀加設(shè)帶狀結(jié)構(gòu)或纏繞帶狀物。這種措施可以干擾或截斷軸向水線的形成，減弱斜拉索風(fēng)雨激振和軸向流激振。這是一種傳統(tǒng)的減振措施，已經(jīng)應(yīng)用在中國南京長江二橋。

④圓形斜拉索設(shè)置為多邊形截面的斜拉索。多邊形的截面形狀可以改變水線在拉索表面的位置，使水流分別沿著多邊形的各個邊角流動，防止水線出現(xiàn)在引起斜拉索不穩(wěn)定振動的位置。多邊形截面的斜拉索減振方案仍在研究當(dāng)中。

空氣動力學(xué)減振措施安裝簡單、安裝過程中不需要附加其他設(shè)備，減振效果明顯、費用較低、維修保養(yǎng)便宜。此方法已經(jīng)在實際工程中得到廣泛應(yīng)用。

圖1 表面纏繞帶狀物的拉索

圖2 表面凹孔的拉索

3.2 輔助索減振措施

實際工程中常在斜拉索之間添加輔助索，輔助索采用高強度鋼絲繩或鋼絲索連接形成索網(wǎng)，將各主要拉索相互連接起來。一方面輔助索可為斜拉索提供中間支撐，提高了拉索體系的整體剛度，使索之間的運動受到制約而達到一定的減振效果。同時，輔助索的存在減小斜拉索的有效長度，增大了豎向振動模態(tài)的固有頻率，進而降低了斜拉索發(fā)生內(nèi)部共振的可能性。另一方面安裝輔助索可以增加拉索的機械阻尼和氣動阻尼。因此，輔助索減振措施已經(jīng)成為大跨度斜拉橋超長拉索減振措施的重要選擇。

但是，設(shè)置輔助索這一結(jié)構(gòu)控制措施會破壞了原有斜拉索系統(tǒng)獨有的美觀效果，安裝費用相對較高。同時，設(shè)計不當(dāng)?shù)妮o助索會導(dǎo)致主索和輔助索之間的連接扣受力較大，容易產(chǎn)生疲勞破壞，影響橋梁的結(jié)構(gòu)安全。目前國內(nèi)外已有很多斜拉橋采用輔助索減振措施，例如法國的諾曼底橋、丹麥的法島橋、日本的明港西大橋和巖黑島橋等。

圖3 法國諾曼底大橋輔助索減振措施

3.3 機械阻尼減振措施

機械阻尼器是一種附加拉索阻尼器來提高拉索阻尼、降低振幅方法，具有經(jīng)濟、簡單和有效等優(yōu)點，在實際的工程中得到了廣泛應(yīng)用。根據(jù)阻尼器材質(zhì)的不同，比較常見的有高阻尼橡膠阻尼器、油阻尼器、粘滯剪切阻尼器、磁流變阻尼器和摩擦阻尼器等。

①橡膠阻尼器的原理是附加在斜拉索上的阻尼器在振動過程中，加在中間的高阻橡膠層受剪產(chǎn)生變形，并在不斷的往復(fù)運動中消耗能量，具有較好的美觀效果。橡膠阻尼器能夠提供的模態(tài)阻尼不大，只能起到有限的減振作用。對于振幅較大的拉索振動，橡膠阻尼器的結(jié)構(gòu)阻尼最大比較其他阻尼器要小得多。

②粘滯阻尼器利用粘滯材料的剪切變形來控制斜拉索的振動，可以限制兩個方向的振動，通過調(diào)整粘滯阻尼系數(shù)，控制各頻率的阻尼率。粘滯阻尼器的構(gòu)造簡單，安裝調(diào)節(jié)比較容易。其減振效果不僅與粘性材料有關(guān)，還嚴重依賴于外界環(huán)境和振動頻率。

③油阻尼器一般安裝在索的根部和橋面之間，通過在小孔加油產(chǎn)生，阻尼系數(shù)不受溫度干擾，具有良好的減振效果。但是油阻尼器的介質(zhì)為液體，容易出現(xiàn)滲油和漏油的現(xiàn)象，調(diào)節(jié)安裝比較麻煩，維修費用比較昂貴，推廣起來比較困難。

圖4 橋梁的粘滯阻尼器

④磁流變阻尼器通過調(diào)整阻尼器上的電壓來改變其內(nèi)置磁場強度，進而改變阻尼器的阻尼特性，具有體積小、反應(yīng)快等優(yōu)點。磁流變阻尼器被認為是最有前途的新型阻尼器，已經(jīng)應(yīng)用在岳陽洞庭湖大橋。

主動控制方法及半主動控制法主要是用模態(tài)控制法控制拉索的剛度來實現(xiàn)減振效果。通常在索端加裝激振器，通過改變索的張緊程度、控制索張力，從而改變拉索的固有頻率和陣型等，以期達到良好的減振效果。但是該方法存在設(shè)備昂貴、技術(shù)復(fù)雜和可靠性不高等問題。

4 結(jié)論

隨著斜拉橋跨度的不斷增大，斜拉索在風(fēng)雨荷載的激勵下容易發(fā)生各種振動。本文闡述了斜拉索的風(fēng)致振動及振動的特點、機理和發(fā)生條件，還介紹了風(fēng)振控制措施及其各自具有的優(yōu)缺點和使用范圍。綜合考慮，附加阻尼器具有經(jīng)濟、簡單等優(yōu)點，得到了廣泛的應(yīng)用。在今后的工程研究中，抑制斜拉索過大的橫向振動仍是設(shè)計和施工亟待解決的難題。