覆冰斜拉索尾流驰振研究现状与不足

(武汉理工大学土木工程与建筑学院 湖北 武汉 430070)

风经过位于上游的圆柱后，在一定范围内，其尾流会激发位于下游的圆柱，导致下游圆柱的振动振幅不断加大至在某一幅值下稳定振动，即尾流驰振。在湿冷环境下，斜拉索表面有冰附着后，更容易发生驰振。

一、覆冰机理

在寒冷的天气中，冷空气与暖空气发生碰撞，暖湿空气中的水分会变成固态冰晶或液态的过冷却水滴。小型过冷却水滴在下落过程中不易与尘埃等结合，故当掉落在较低温度结构物表面时，迅速地从中吸收能量，改变了水滴不稳定的状态，凝结成冰附着于结构物表面。经观测发现，覆冰现象常出现在输电导线上，也会出现在桥梁拉索上[1]。现行拉索的覆冰类型多借鉴输电导线，包括：新月形、D形、扇形等。

二、驰振机理

结构发生驰振失稳的理论主要有三种，即横风向驰振理论、扭转驰振理论和惯性耦合失稳理论。现行研究中多用横风向驰振理论，根据Den Hartog理论[2]，当结构形成气动负阻尼时，从外界吸收能量，振动幅度不断增大后达到稳定。

三、研究方法

对于桥梁的抗风研究，主要的方法有：现场实测、风洞试验、数值模拟。

现场实测是最直接、最准确的方法，但需要耗费大量人力、财力，不具良好经济性；风洞试验较接近实际，效率高、成本低，但也存在一定局限性；数值模拟因其不需要实体模型，节省人力物力，如今计算机技术的成熟使其能够模拟很多复杂的流体问题，是较好的选择。

四、研究现状

斜拉索是斜拉桥的最主要的受力构件之一，随着发展变得越来越长，其安全问题受到重视，国内外学者开始研究斜拉索的气动力特性。

(一)关于光滑斜拉单索驰振现象的研究

温晓光[3]用数值模拟方法对三维斜拉索干索进行绕流模拟，得到其气动力特性并进行驰振分析。

(二)关于覆冰斜拉单索驰振现象的研究

国内外学者用风洞试验及数值模拟方法对不同情况下的覆冰斜拉单索的驰振特性进行研究。Demartino[4]使用风洞试验对覆冰拉索进行气动力特性研究。黄贻凤等[5]用数值模拟方法分析了覆冰类型及覆冰尺寸对拉索驰振特性的影响。李寿英等[6,7]运用风洞试验及数值模拟方法，分析不同类型覆冰斜拉索的气动力系数及驰振特性，证明其可能发生驰振，还研究了覆冰物的长度对引起拉索驰振的临界风速的影响。谭冬梅等[8-10]对覆冰斜拉索进行三维数值模拟，分析覆冰类型、风攻角、风速等因素对覆冰斜拉索驰振的影响。

(三)关于斜拉索尾流驰振现象的研究

近些年来，不少学者对并列拉索的尾流驰振现象开展了研究。Tanaka[11]对不同间距的并列拉索进行尾流驰振研究，指出尾流驰振在近距区域和远距区域内均有可能发生。陈志华等[12]对认为斜拉桥的拉索间距为1.5D～6D时较易发生尾流驰振。李永乐[13]对斜拉桥远距失稳区并列双索进行风洞试验，研究了拉索间距、风攻角等对拉索的影响。马如进等[14]采用数值风洞，模拟风荷载作用于中间索面斜拉桥中两索面上并列的两根斜拉索，并研究了尾流驰振的特点，分析了不同风攻角下的气动力特性。谭冬梅等[15]研究了拉索间距对双索尾流驰振的影响。

总的来说，针对覆冰斜拉索尾流驰振的研究还比较少，现有的研究多集中于研究覆冰形状、风速、风攻角、拉索间距等因素对尾流驰振的影响。

五、现有研究的不足

(一)覆冰类型的选择

现有研究中拉索的覆冰类型多是借鉴输电导线，但拉索与输电导线存在较大差异，应进一步研究拉索的覆冰类型，使其更符合实际情况。

(二)数值模拟方法

现有研究中多选用二维数值模拟，斜拉索的绕流具有三维性，三维数值模拟计算单元数量多，耗费时间，需对数值模拟方法进一步优化，选择具有效率和精准的数值模拟方法。

(三)研究对象的选择

现有研究多选择并列的平行双索进行尾流驰振分析，可考虑同一索面上不平行的双索以及群索的尾流驰振现象研究。