浅谈涡激共振及控制

蔡素梅　孙小惠

摘 要：当漩涡脱落频率与结构自振频率接近时会发生结构涡激共振，这是结构风致振动中最常见的一种现象。高宽比很大的超高层建筑、烟囱、桥梁等结构都有可能发生整体结构的涡振，也普遍发生于长细比大的构件如拉索、吊杆、拱桥立柱、格构式结构中。当涡激振动的振幅超过规定限制，必须采取相应的措施解决。涡激共振现象的主要研究手段是弹性悬挂节段模型风洞实验，而且模型比例应该尽可能大，这是因为涡激振动对结构外形极为敏感，且可能存在显著的雷诺数效应。但是对涡振的研究仍然属于灰色系统。在实际工程中，控制结构涡激共振的措施主要有结构措施、气动措施及机械措施等。

关键词：涡激振动；控制措施

1 引言

1940年美国中跨为853米Tacoma吊桥在八级大风中发生大幅扭转振动，70分钟后中跨加劲梁全部落入海中，这一事故给桥梁工程界造成巨大冲击的同时，也促进了桥梁风工程的发展与进步。经过半个多世纪的努力，桥梁对风反应虽尚有不明之处，但已基本明确如下

若结构非完全刚性，或具有弹性支撑，在空气动力的作用下，它将会产生振动。但只要振动位移响应充分小，它就不会影响结构的漩涡脱落。随风速的增加，结构漩涡脱落频率线性增加。当结构的漩涡脱落频率与结构的某阶自振频率接近时，结构会发生明显的涡激共振现象。结构涡激共振现象具有明显的气动弹性效应。由于涡激共振是在低风速时发生，不可能将发振风速提高到设计风速之上，只能采取措施不使其发生或将其振幅限制在规定范围内。在桥梁工程中，涡激振动虽不会直接带来桥梁的毁坏，但会带来桥梁功能障碍，人的不适感，构件的疲劳损伤，甚至可能诱发其他类型致命的动态不稳定现象。所以，必须重视涡激共振的控制。丹麦Great Belt East悬索桥和巴西Rio-Niteroi大桥等连续梁和连续刚构桥都发生了振幅较大的竖弯涡振。拱肋的小幅涡振有时会激发吊杆的大幅振动，其振幅可达1m以上，这对桥梁的安全构成新的威胁。因此，研究涡激共振的机理，寻求抑制涡激共振的措施和方法，是结构抗风研究中重要的课题。

2 涡激振动的特点

涡激振动同时具有强迫振动和自激振动的性质，它具有以下特点：

1）是一种发生在较低风速区的有限振幅振动。

2）只在某一风速区发生

3）最大振幅对阻尼有很大依赖性

4）响应对断面形状的微小变化很敏感

5）涡激振动可以引起弯曲振动，也可以激起扭转振动

6）涡激振动增加了脉动力在桥梁跨长方向的相关性

7）涡激振动响应存在比较明显的滞后现象

3 涡激共振抗风设计应注意的问题

1）涡激气动力对振幅的依赖关系

2）气流紊乱对振幅的影响 从不同断面的风洞实验可知，一般情况，紊流会减小振幅，但也存在使振幅增加的情况。

3）结构的形状及位置对风反应的空间影响

4 结构涡激共振控制措施

4.1 结构措施

结构措施有增加结构刚度和增加结构质量或增加阻尼两大类。增加结构的总体刚度可提高结构的自振频率，从而提高结构的涡激共振起振风速，避免结构在常风速下发生涡激共振现象增加结构的质量或阻尼，都可以减小涡激振动的振幅。在实际工程中，如在拱桥的吊杆、斜拉桥的拉索采用钢丝绳相连，在拱桥立柱中填砂均在增加质量的同时也增加了阻尼。瑞典的一座主跨为278米的拱桥钢立柱在风速20m/s时发生了涡激共振现象，振幅达30mm.为抑制立柱的涡激共振现象，该桥采取了立柱填砂的方法。

4.2 机械措施

机械措施是通过在结构中安装阻尼器或TMD等器件来降低结构的涡激共振响应的一种措施。阻尼器一端与振动的结构或构件相连，另一端必须置于有足够刚度且本身振动可以忽略的地方。这限制了它的应用范围，目前最常见的是应用于斜拉索的振动控制。TMD包括振动质量块、弹簧和阻尼器三大工作部件。它基于惯性原理工作，直接放置在振动物体上而不需要外部支撑，因而在凌空架设的桥梁、高耸入云的建筑中都得到广泛的应用。著名的台北101高楼就安装了单摆式TMD。英国Kessock桥在发生振幅为110mm的竖向涡激共振后，采用了安装TMD来控制涡激共振。但在大跨度桥梁上应用TMD要注意以下问题：

1）竖向低频TMD的弹簧静伸长很大。静伸长L00.25/（f*f），而大跨度桥梁竖向涡激共振频率往往在0.2～0.6Hz，因此竖向TMD静伸长很大。

2）与建筑用TMD相比，桥梁用TMD要求疲劳寿命更长。桥梁涡激共振一般发生在10m/s的常见风速下，而与它同频率和Strouhal的超高层建筑，由于迎风面宽度是桥梁宽度的3倍以上，所以只会在30m/s的高风速下发生涡激共振，因此桥梁用TMD的疲劳寿命要求远远高于建筑用TMD。

3）桥梁环境下维护困难，要求TMD工作可靠，尽量免维护。

4.3 气动措施

气动措施通过选择气动外形良好的断面形式或采用附加气动，装置以改善结构的气流特性，从而减小激振外力的输入，达到消除或抑制结构涡激共振的结果。目前，桥梁主梁结构涡激共振气动控制措施主要有设置导流板、抑流板、风嘴等。气动控制措施相比机械措施更具实施可行性和运营可靠性，但也存在更多的不确定因素，因为其对结构外形的改变既可能对抑制风振有利，也可能不利，需通过风洞试验加以验证。英国第二赛文桥在通车后的第一个冬天就发生了竖向涡激共振。采用在主梁下安装扰流板的措施后涡振基本消除。

5 涡振研究存在的不足和问题

有关涡振的研究，虽然取得了一些重要成果，但由于涡振影响因素繁多，仍未彻底揭示其机理。涡振理论模型要么过于简单，只能用于有限的场合，要么太过复杂，含有很多必须通过风洞试验才能确定的参数，可操作性差。理论计算结果或试验结果与工程实际之间存在明显的差别。

6 结语

本文主要介绍了涡激共振及其控制方法，指出了涡振研究方面的不足，希望能对风工程工作人员提供帮助。

参考文献

[1]陈政清.工程结构的风致振动、稳定及控制.科学出版社2013

[2]葛耀君.大跨度拱式桥抗风.人民交通出版社2014

[3]刘健新.桥梁对风反应中的涡激振动及制振.中国公路学报1995

[4]许福友等.大跨度桥梁涡激振动研究进展与展望.振动与冲击2010