大跨度缆索承重桥并列索尾流激振研究

杜晓庆　蒋本建　代钦　王国砚　孙雅慧

摘要：近距离并列索（并列吊索和并列斜拉索）在大跨度缆索承重桥中应用广泛，下游索常会发生尾流致涡激共振、尾流驰振和尾流颤振等尾流激振。以间距为4D（D为圆柱直径）的串列和错列双圆柱的尾流致涡激共振和尾流驰振为研究对象，在风攻角为0°～20°的条件下，主要通过风洞试验研究了下游圆柱发生尾流激振的起振条件、振动幅度和运动轨迹，研究了提高结构阻尼比的减振效果，讨论了尾流驰振的雷诺数效应，结合静止双圆柱绕流场的大涡模拟结果对尾流干扰机理进行了探讨。研究表明：在某些风攻角下，下游圆柱的尾流致涡激共振振幅远大于单圆柱涡激共振振幅；在0°以外的其他风攻角下，下游圆柱均发生大幅尾流驰振，但小攻角（5°和10°）与大攻角（20°）下的尾流驰振现象有明显差别，很可能存在不同的流场激励机理；风攻角为15°时，下游圆柱的尾流驰振有明显的雷诺数效应，其动力响应特性与经典驰振不同，下游圆柱起振后的振幅和运动轨迹随雷诺数（风速）的增大呈现复杂的变化形态；提高结构阻尼比可有效抑制下游圆柱的尾流致涡激共振，但对尾流驰振的减振效果不佳。

关键词：并列索；尾流激振；风洞试验；雷诺数效应；振动控制

引言

近距离并列索在大跨度缆索承重桥中应用广泛。大跨度悬索桥的吊杆常采用一个吊点并列两根或多根吊索的并列索形式，近距離并列双斜拉索的结构形式在单索面斜拉桥中也较为常见。当多根索相邻布置时，下游索受到上游索的尾流干扰常会发生尾流激振现象。

并列索的尾流激振存在多种不同的机理机制，Fujino和Siringoringo总结了以往的研究成果，把并列索的尾流激振分为尾流致涡激振动（wake-in-duced vortex vibration）、尾流驰振（wake galloping）和尾流致颤振（wake-induced flutter）等振动类型。其中，尾流致涡激振动是一种限幅限速振动，而尾流驰振和尾流颤振则是发散性自激振动现象。随着桥梁跨径的大幅增大，长度长、刚度小、阻尼低的并列索发生尾流激振的可能性也大大提高。

研究者主要通过风洞试验研究并列圆柱的尾流激振现象，刚性节段模型和气弹模型是两种常用的风洞试验模型。Fujino等采用足尺节段模型研究了2根和3根并列拉索模型的尾流驰振发生条件和振动控制措施。Kim等研究了两根并行和不平行的圆柱模型的尾流驰振现象。Tokoro等。基于足尺气弹模型试验讨论了折减风速和雷诺数对尾流驰振的影响。李永乐等通过缩尺气弹模型研究了并列斜拉索模型尾流驰振的起振条件和振动控制措施。陈政清等则研究了悬索桥串列主缆气弹模型的气动干扰。

单圆柱的气动性能和绕流场特性有强烈的雷诺数效应，同样固定静止的双圆柱也有显著的雷诺数效应。Tokoro也曾指出并列索的振动特性会受到雷诺数的影响，但目前研究尾流激振雷诺数效应的成果非常少。

本文以串列、错列双圆柱的尾流致涡激振动和尾流驰振为研究对象，通过风洞试验，在圆柱中心间距为4D，风攻角为0°，5°，10°，15°和20°，雷诺数为18000～168800等条件下，首先研究两自由度下游圆柱的起振条件、振动幅度、振动轨迹及其随折减风速、雷诺数的变化规律；然后研究了提高结构阻尼比对尾流激振的减振效果，并讨论了尾流驰振的雷诺数效应；最后结合静止双圆柱绕流场的大涡模拟结果对尾流干扰机理进行了探讨。