斜拉桥拉索风雨激振问题研究

(重庆交通大学 土木工程学院　重庆　400074)

一、引言

因斜拉桥跨越能力大，受力性能良好，在过去几个世纪乃至到如今应用都非常广泛。中国是桥梁大国，在社会主义现代化建设的过程中，建设了很多大型桥梁。其中有些桥更是因为首创第一在国际上享有赞誉，例如作为世界上跨度最大斜拉桥：苏通大桥，主跨1088m，成为了世界桥梁史上的一个奇迹。更让国人值得骄傲的是，世界排名前三的斜拉桥都在中国。可见，我国在斜拉桥方面的建设技术已经相当成熟。斜拉桥中作为主要承重构件的斜拉索起到了关键作用，其柔度较大、阻尼较低，质量又较轻，对风的敏感度极高，尤其是大跨径斜拉桥的拉索构件，极易在风和雨的激励下产生明显的风雨激振现象[1-4]，有些桥梁甚至在风雨激振的作用下发生破坏。风雨激振现象是由Hikami等[5]最先发现的，随着经济的高速发展，世界各地许多大跨径斜拉桥的建设如火如荼，斜拉索在风雨作用下发生这种低频大幅振动[6-8]的可能性更大，对桥梁造成的破坏更大，对人民的生命财产造成了更大的危险。相较于涡激振动、参数共振、内共振和尾流驰振等类型[9]，风雨激振所引发的振幅最大，进而会产生一系列问题：斜拉索应力疲劳损伤、拉锁锚固区加速锈蚀及行人和驾驶者的安全感降低和不舒适感等。然而，斜拉索的振动诱发机理的复杂性使得高精度模型建立的难度大，对各种研究方法的准确性提出了考验，因此，探究斜拉索风雨激振的机理并寻求更优化的研究方式是十分重要的，通过对该现象的模拟并找出有效的减振方法将具有重要的意义。

二、拉索风雨激振研究方法

根据各种致振机理的不断发展，研究方法也不断地多样化，从而可以通过相互比较得到较为精确的解。风雨激振是拉索在风和雨的协同作用下发生的大幅低频振动现象，是一种由拉索、风和雨三者相互进项干扰的三维空间中的结果，并且拉索本身具有材料非线性、几何非线性，接触非线性等特点，使得研究致振机理的进程缓慢。关于致振机理大致有：水线驰振机理、轴向流致振机理、弯扭两自由度耦合致振机理和雷诺数影响致振机理等，为完善致振机理，寻求更为准确的模型，当前主要采用现场观测、风洞试验、数值模拟和理论分析方法进行研究。

(一)数值模拟。数值模拟也叫计算机模拟，顾名思义，就是通过当下流行的计算机，通过结构分析有限元，解决现实生活中难以解决的问题。数值模拟运用于斜拉桥，使得可以对风雨激振进行更准确的求解。特别是继Appleyyard J R和Cheshire I.M发表了嵌套因式分解法，VIP推出并行算法，CFD技术的采用对定量进行属性不确定性分析。这样的研究方式减少了外界对计算结果的影响，可以有效弥补风洞试验的不足，通过Fluent软件进行计算流体力学模拟和大涡模拟等，得到了拉索气动力及斜拉索振动响应。对气动力进行科学分析、对比，将更有利于揭示斜拉索风雨激振的机理。

(二)理论分析。理论分析主要围绕水线的受力和运动分析展开的，它是通过对风雨激振下进行一些近似假设，即认为拉索在风力的作用下沿横风振动；忽略水线形状以及对拉索振动的影响；水线在风力作用下会从拉索上剥落。这种分析技术建立能正确反映拉索风雨激振特征的理论模型将十分关键，当前三维模型试验分析已应用较广，然而没有一种模型能够完全解释这一现象，因此有必要对该方法进行更深一步的探究。

三、拉索风雨激振减振、抑振措施

拉索风雨激振在桥梁设计阶段比较难以考虑，使得很多桥梁在建成之后会出现各种振动现象，因此不得不采取相关措施对其进行减振、抑振控制。目前，控制斜拉索风雨激振的措施主要有三种：气动减振措施、机械阻尼减振措施、结构减振措施。最近，CFRP斜拉索的研究也不断推进，由于其出色的性能，从材料本身出发，对风雨激振控制将是十分有效的。

(一)气动减振措施。气动减振措施主要是改变拉索的形状，设置纵向肋条、凹槽或使用多边形截面等，以增加斜拉索表面的粗糙程度，可以对水线进行干扰并对周围流场进行改善从而使拉索更稳定的措施。该方式通过改变桥梁周围的气流特性从而变相实现对外部荷载的控制，这样实际上减小了桥梁受到的荷载，延长了桥梁缓冲的反应时间，有效避免了反应不及时的情况。气动减振措施主要有在拉索表面缠绕一些环状物，也可人为改变截面大小使其截面形式发生变化。在这样的情况下，当风通过拉索时，由于截面的大小不一样，产生的风力效应不一样，截面大小与阻力大小成正比，从而起到了减振的作用。

(二)机械阻尼减振措施。固体振动时，使固体振动的能量尽可能多地耗散在阻尼层中的方法，称为阻尼减振。机械阻尼减振措施是通过安装机械阻尼器是拉索在激振过程中消耗更多的能量，这样就减小了拉索的振动幅度。该方式在很多斜拉桥上都能见到，主要有被动式控制、主动式控制和半主动控制三类，不同的方式有各自的优点。它们特点不同，有各自的优缺点，作用都是利用阻尼可使沿结构传递的振动能量衰减，还可以减弱共振频率附近的振动的原理。在大跨径桥梁中内置式和外置式阻尼器可以协同作用对减振效果进行优化。

(三)结构减振措施。结构减振措施主要通过在拉索之间设置较细的辅助索[1]，改善索的有效长度，从而增加拉索自身的振动频率，使其整体阻尼提高，以达到减振的目的的措施。该方式效果较其他方式好，能对低频振动进行有效控制，同时可以降某一根索振动发生的概率。然后由于其对桥梁美学的差异性，以及辅助索的缺陷特征，该方式在实际桥梁中使用并不是很多。