斜拉索覆冰形态试验研究

冯一凡，毛 毳

（天津城建大学 土木工程学院，天津 300384）

低温环境下，斜拉索表面易形成偏心覆冰，使斜拉索由圆形截面变成非圆截面，在风激励作用下产生低频大幅振动，称为斜拉索覆冰驰振[1].斜拉索覆冰驰振会诱发拉索外部PE管开裂进而引发斜拉索与锚固系统的锈蚀破坏[2-3]，威胁桥梁安全.

斜拉索覆冰驰振引申于输电线覆冰驰振，目前所采用的覆冰模型多为新月型、扇型覆冰等[4]，但没有相关试验针对斜拉索覆冰形态进行研究，因此本文研究斜拉索覆冰形态及覆冰规律具有重大意义.

1 斜拉索覆冰的研究现状

斜拉索覆冰属于自然现象，按照气象条件一般将覆冰分为雨凇覆冰、雾凇覆冰和混合凇覆冰[5].雨凇覆冰指空气中的过冷却水滴降落到斜拉索外表面上，并在接触的一瞬间丧失热量凝结成冰；雾凇覆冰是指漂浮在空气中的水蒸气在温度、气压等气象条件下以雪霜的形式凝结在斜拉索表面[6]；混合淞覆冰则是前两种覆冰方式交替进行的一种混合型覆冰.由于冰在拉索上有较强的黏合力，且冰密度大于雪霜密度，所以雨凇覆冰属于危害最大的覆冰.本文对雨凇覆冰进行研究.

国内外针对斜拉索覆冰的研究较少，主要原因是受技术与材料的限制，20世纪斜拉桥跨径不大，斜拉索不容易产生振动.近年来随着斜拉桥跨径的增大，斜拉索覆冰振动逐渐得到各国科学界的重视.欧洲学者C.Demartino等利用冰风洞对斜拉索进行覆冰，分析了覆冰对斜拉索表面气动参数的影响和覆冰拉索的驰振可能性[7].试验中发现斜拉索下表面有冻住的水流，但该试验重点为斜拉索覆冰振动的发生，未记录斜拉索覆冰规律与形态.欧洲科学家Gorski.Piotr[8]采用三维重构技术得到斜拉索覆冰模型，并在冰风洞试验中测量其斯托哈数（St）变化，结果表明斜拉索覆冰形状对St有较大影响.我国学者何宇鸿曾利用简易人工降雨装置进行覆冰研究，并采用数值模拟方法，研究风攻角对模型三分力系数的影响，但其模型未考虑降雨量对覆冰增长规律的影响，试验结果与真正雨凇覆冰仍有较大出入[9].

本文选取2 m长的斜拉索节段模型作为研究对象，将其放置在室外低温环境下进行覆冰试验研究，归纳总结覆冰的规律与形态.

2 试验装置及试验方法

2.1 试验装置

试验装置如图1所示，包括：①降雨装置；②循环水装置；③支架；④水箱；⑤斜拉索节段模型.

图1 试验装置

降雨装置高2 400 mm，呈T型，上部宽2 000 mm，两端各有一个喷头；循环水装置为潜水泵，试验时潜水泵需完全浸在水中.支架呈L型，短边长900 mm，长边长1 558 mm，长短边交汇处焊接一根40 mm长的方形铁管，垂直于长短边所在平面，来保障支架的稳定性，在支架长边上表面有三个凸起使其倾角依次为45，35，30°；水箱为 4 000 × 2 000× 800 mm 的立方体，将斜拉索节段模型搭接在水池两侧使模型倾角为0°；斜拉索节段模型直径分别为110，160，200 mm.其主要性能参数如表1所示.

试验时，将四个支架分为两组，每一组都对称布置在喷头下方，模型倾斜放置在支架上方.通过循环装置将水加压输送到降雨装置，降雨装置两端的喷头形成粒径较小的水滴，水滴沿重力方向降落到模型上并凝结成覆冰.

表1 斜拉索试验模型参数

2.2 试验条件及方法

2.2.1 试验条件

为保证试验数据的准确性和试验结果的可靠性，应保障温度、风速及降雨时间三方面的稳定性.

（1）温度.因雨凇覆冰温度范围为-5～0℃之间[10]，因此本试验通过气象仪监测室外温度，当温度为-5～0℃之间时进行斜拉索覆冰试验.

（2）风速.为了保证斜拉索覆冰的均匀性，试验选取无风天气（风速＜0.2 m/s）进行覆冰.

（3）降雨时间.由于白天阳光的照射作用，温度、湿度等变化较大，而夜间温度偏低、温差小[11]，符合试验条件，因此本试验降雨时间选取凌晨3：00～7：00（共4 h）.

2.2.2 试验方法

通过以往研究资料[12-13]发现覆冰厚度是影响斜拉索驰振的一项重要因素，因此对覆冰厚度进行测量具有重大意义.通过游标卡尺测量试验区域内斜拉索上表面的覆冰厚度，选取覆冰厚度最大值[14]来表征该区域的覆冰厚度，主要研究以下三方面对覆冰厚度的影响.

（1）将M-1、M-2、M-3三种不同直径的PE管与分别水平面呈0，30，45°倾斜放置于支架上进行覆冰试验，研究不同倾角下斜拉索直径变化对覆冰厚度的影响.

（2）分别改变模型 M-1、M-2、M-3与水平面的倾斜角度，测量每种模型在同一环境下，倾角为0，30，45°时的覆冰厚度，研究斜拉索倾角对覆冰厚度的影响.

（3）由于试验温度选取在-5～0℃之间，温度上的变化会引起覆冰厚度的变化，研究5种平均温度对斜拉索覆冰厚度的影响.

3 降雨均匀性研究

3.1 雨量测量

降雨的均匀性是保证同次试验不同斜拉索模型具有可对比性的前提，在试验前应先对降雨均匀性进行测量，选取降雨均匀处作为试验区域.将4组量筒A、B、C、D按图2方式两两对称布置在喷头下方，每组位置都与支架位置重合，每组12个量筒编号分别为1～12.试验共进行五次，每次试验时间为4 h，取平均值作为试验数据，对比每组试验4 h降雨量判断喷洒面积是否均匀.

图2 雨量测量模型

3.2 降雨均匀区域的选取

用量筒收集整个试验过程中A、B、C、D四组各测点的雨量，以量筒最终读数代表该点的降雨量，试验结果如图3所示.

图3 雨量测量

从图3中可以看出在6、7测点的降雨量明显大于其它测点，而 1、2、3与 10、11、12测点降雨都比较均匀，主要原因是喷头喷洒出的水呈锥形分布，所以距离喷头越近的测点降雨量越大.依据其降雨量的分布差异，将覆冰厚度的测量区域划分为如图4所示的①、②、③，每个区域长200 mm，其中①、③区域各包含三个测点，②区域包含两个测点.

图4 试验区域

4 试验结果及分析

4.1 斜拉索覆冰现象

在无风天气下将M-1、M-2、M-3置于同一环境下进行覆冰试验，取温度平均值T来表示试验温度.试验表明：三种直径的斜拉索在其上表面形成图5所示新月型覆冰，下表面形成图6所示肋冰，且与Demartino冰风洞试验结果保持一致[7].

图5 M-1上表面覆冰

图6 M-1、M-2、M-3 侧面覆冰

由于雨凇覆冰过程中降落在斜拉索表面的雨滴并未全部凝结，未凝结的雨滴在斜拉索表面形成一层水膜，当未凝结水滴达到一定体积后，水膜自身的重力破坏了大于水膜表面的张力，导致水膜分裂成一个个滚动雨滴，在重力作用下沿斜拉索表面向下滚动，造成斜拉索覆冰厚度减小.滚动雨滴在重力作用下沿着斜拉索表面向下滚动形成水线，而水线会与低温的斜拉索表面进行热交换凝结成冰线，随后雨滴的剩余部分会在斜拉索底部汇聚，并在重力作用下分离成上下两部分，上部分留在斜拉索底部在低温下凝结成冰，下部分会坠落到地面，整个过程不断循环，冰线不断叠加最终形成图6-7所示肋冰.其中覆冰厚度与滚动雨滴的形成有关，单位时间内形成滚动雨滴的数目越少，斜拉索覆冰厚度越大.

图7 M-4覆冰模型

从图7中可以发现，肋冰之间存在间距，相邻肋冰会与斜拉索表面形成凹槽，风流经斜拉索下表面时，气流会被凹槽汇聚在一起，导致斜拉索下方出现紊流，进而影响斜拉索的气动参数.图6-7显示斜拉索覆冰属于四周覆冰，这种覆冰模型的偏心距小于单侧覆冰，斜拉索稳定性较好.

4.2 覆冰规律分析

试验探究模型直径、倾角对覆冰厚度的影响，对比分析②区域中覆冰厚度与模型直径、倾角的变化关系，其中图8为三种倾角下，不同直径的斜拉索覆冰厚度随温度变化情况；图9为三种直径下，不同倾角的斜拉索覆冰厚度随温度变化曲线.

综合对比图8-9可以发现，覆冰厚度随试验温度的增大而减小，这种现象主要与覆冰过程有关，已知斜拉索覆冰包含两类：一是水滴直接凝结；另一种是水膜与斜拉索表面进行热交换并凝结.由覆冰现象可知：本试验中第二种所占比例较大，温度越低热交换的速率越快，水膜凝结越快；水膜中的水越不容易达到打破自身张力的规模，延长了滚动雨滴的形成时间，进而延长热交换的时间.所以温度越低，斜拉索覆冰厚度越大.

图8中a、b、c 表示模型倾角分别为 0°、30°、45°时，不同斜拉索直径对覆冰厚度的影响.从图中可得出斜拉索覆冰厚度随模型直径的增大而减小.主要原因是模型表面风速随其直径的增大而减少，当流体速度加快时，模型与流体接触界面上的压力会减小并在模型表面形成压力差，进而导致粒径小的水滴会偏离模型降落到地面.斜拉索直径越大，气流的流速越快，气流的黏滞力会携带更多的水滴绕流远离模型，导致水滴对斜拉索的碰撞率降低，最终导致覆冰厚度减小.

图8 不同直径下斜拉索覆冰厚度随温度变化曲线

从图8中可以发现M-3覆冰厚度随温度变化较小，主要原因是M-3直径较大，其表面收集的雨滴较少，水膜形成时间较长，滚动雨滴数目较少，因此斜拉索直径越大，温度对其覆冰厚度影响越小.

图9中a、b、c分别为不同直径斜拉索模型在0，30，45°倾角下覆冰厚度随温度的变化趋势.从图中可以明显看出斜拉索覆冰厚度随倾角的增大而减小.这是由于模型直径相同的情况下，拉索倾角越大，其水膜的势能越大，越容易形成滚动雨滴，增大了单位时间内的滚动雨滴的数目，最终导致覆冰厚度减小.

图9 不同倾角下斜拉索覆冰厚度随温度变化曲线

图9还可以发现随着温度降低，不同倾角下的覆冰厚度差距逐渐变小.以图9b为例，温度T=-0.92℃时，M-2倾角0°覆冰厚度与倾角45°的差距为3.26 mm，当T=-2.37℃差距减小为1.6 mm，大约减小了50%.主要原因是：前文提到模型倾斜后会增大水膜的重力势能，其温度越低，水膜表面张力越大，水膜凝结速度越快，延长了滚动雨滴的形成，进而导致覆冰厚度差距减小.

斜拉索覆冰后会增加拉索质量，进而减小斜拉索自振频率，极易引发斜拉索的共振效应.已知斜拉索直径越大，覆冰厚度越小，所以直径较大的斜拉索覆冰后自振频率变化较少.由于斜拉索整体直径偏大，覆冰厚度相对较小，斜拉索自振频率随覆冰厚度变化较小.

5 结论

（1）通过试验研究发现，斜拉索发生雨凇覆冰时，其上表面会形成新月型覆冰，同时在下表面形成肋冰.这种肋冰会在斜拉索表面形成凹槽，进而影响其流动特性.

（2）斜拉索覆冰厚度随温度的降低而增大.其中直径最大的M-3模型的覆冰厚度随温度变化率较小；温度越低不同倾角斜拉索覆冰厚度越接近.

（3）斜拉索覆冰厚度随斜拉索直径的增大而减小，斜拉索直径D=200 mm时，覆冰厚度较小，增大斜拉索直径可有效减小覆冰厚度.

（4）斜拉索覆冰厚度随斜拉索倾角的增大而减小；同一斜拉桥上不同拉索的倾角往往不同，导致其覆冰厚度不同，在对斜拉索覆冰驰振研究中必须考虑倾角导致的覆冰厚度不同.