大跨度斜拉桥中斜拉索的时域减振研究

刘宗仁

（陕西 宝鸡 721000）

0 引言

桥梁工程是现阶段交通产业中施工质量要求最高的工程类型，桥梁建设质量可直接影响到交通经济发展成效，各类型桥梁的良好配合应用，能帮助路桥工程完成较高质量的建设目标，提高产业优势。斜拉桥是拉索桥体系中的一类，按照受力情况建设的斜拉桥结构，通常具备质量轻盈、造型美观等应用优势，可在桥梁建设中有较广泛使用渠道。现阶段我国所使用的大跨度桥梁类型中，斜拉桥应用占比较多，研究其时域减振成效，有较高价值。

1 案例概述

本文选择的案例为典型斜拉桥结构，处于某市城区与村镇交界地带，该斜拉桥右岸紧邻村镇，与上游省道桥梁仅相距1km 左右。该桥梁横跨弯曲河段，河面宽度约为550m，若采用传统桥梁建设形式，则施工工程量被大幅增加，该案例桥梁建设方案选用斜拉结构，可有效针对弯曲河段进行桥梁搭建。该桥其建设轴线的设计角度，经测量与河流走向角度呈锐角，两者方向上的交角在24°左右，桥梁立柱入水深度符合建设需求，最大入深达13m，本次设计中的桥梁可将现有河床条件进行满足。

该斜拉结构桥梁在建设完毕后，不仅能对行车安全提供保障，还可结合铁路线路，完成综合形式下的应用，可促进当地交通经济发展。该斜拉桥主桥长度共计540m，选用单塔型制下的双索面结构，完成预应力混合斜拉构造，保证桥梁总体设计稳定性。主桥主跨达256m，总长（32+57+130+256+64）m，预留出足够河面宽度，以供桥梁下方通航，斜拉桥梁主桥结构使用的独塔混合建设方式，能进一步提高斜拉抗振性能，保证斜拉桥稳定。图1为某斜拉索结构工程施工现场。

图1 斜拉桥建设现场

2 斜拉索振动机制

斜拉索结构可产生涡激共振、尾流驰振及雨振等现象，这是因为斜拉桥在户外承担交通作业，较易遭受雨雪、狂风的侵袭，且桥梁路面和桥塔运行中也会产生振动影响。在各类因素综合作用下，斜拉索会产生不同机制下的振动频率，若振动行为较为严重，则将危害斜拉桥稳定性，不利于交通产业良好运作。

首先涡激共振是由卡门涡流和横向振频达到统一时产生的共振现象，此时风速对共振频率有较大影响，通常设计出的斜拉索结构其涡激振动频率较低，共振对桥梁稳定性影响较小，但当风速较大时，涡激力数值随之增大，为降低该因素对桥梁影响程度，可附加斜拉索阻尼，起良好制振目标。其次尾流驰振是由侧索尾流作用导致振动现象衍生出来的，该振动类型受后排斜拉索结构驰振影响，将在后排产生较大幅度振动现象，由此造成桥梁稳定性危害，在设计中应保持斜拉索间距变化的科学性，良好减振。最后在某类风向驱动下，并伴有降雨情况，雨水能够在斜拉索结构中从上至下流淌，由此斜拉索原有截面形状遭到改变，该形状将呈现三角形，不利于空气流动期间产生的动力稳定，由此在风的作用下产生雨振情况，该类振动也可借由增大结构阻尼方式来进行改变，降低振动危害。

3 斜拉桥应用成效

斜拉索的振动都是由外部激励引起的，而振动的剧烈程度则由激励的强弱、拉索本身的结构特点及力学性能所决定[1]。斜拉桥的拉索减振措施也只能从两个方面入手，即抑制拉索激励的强度或改变拉索本身的结构特点及力学性能。东神户大桥其斜拉索表面呈现齿轮状态，通过改变拉索结构来优化气动外形，起到减振目的；但通过抑制拉索动力输出激励的方案，较难落实，可将减振思路放在对桥梁其余部件的制动上，从而变相起到抑制拉索激励输出的效果。

例如通过在桥塔和主梁上安装TMD（调谐质量阻尼器）来抑制桥塔和主梁的振动，帮助桥塔和主梁的振动行为成为斜拉索的一种激励，减振措施的作用绝大部分是改变拉索本身特性。现阶段路桥工程建设中，通过改善拉索动力性能来实现减振操作的方案较多，比如将斜拉索气动外形进行设计优化、改善斜拉索结构特征等，另外还有将斜拉索模态阻尼数值增大的方案，使拉索结构与阻尼器互连，完成较高减振目标。

4 动力分析

本文案例所构建的斜拉桥，其设计构造相对复杂，因此探究其振动机制及斜拉索时域减振效率，应借助专业软件来建模处理，着重分析振动行为的动力构成，从而支持减振方案能以科学性目标提出，落实制振成效。选择有限元软件对该斜拉桥动力建模，桥梁的主塔、边墩、辅墩等部件借用空间梁单元软件做以模拟，由此得到该桥梁节点数量共计为1926 个，其中空间梁模块共1924 个、杆单元模块共64 个、桥面模块单元为840 个[2]。在将动力分析对象建模处理后，可将该桥梁各节点下的斜拉索动力指标加以确定，由此更便于完成减振效果的评测过程。

5 CFD 分析

对案例斜拉桥梁进行CFD 分析处理，首先要把斜拉索断面做以简化模拟，可针对各斜拉索断面做以单独变量讨论。在去掉沿桥轴向间隔布置的栏杆及立柱后，保留铺装层厚度及挡砟墙。其次，由于混凝土梁和钢箱梁在断面中间位置的高度不同，气流流过时流场形态不同，可能导致三分力系数不同[3]。由此，本文需分别对钢箱梁和混凝土梁进行建模、网格划分及计算分析。

CFD 分析中所需要使用到的计算域边界情况见图2，将断面高度化作单位数值D，此时设计中所强调的5%阻塞率经分析，可达到斜拉索规范建设需求。在分析阶段，需要将结构目标进行四边形网格的差异化处理，由此可在较高运作质量下，提升分析的科学性，保证计算质量。网格应在尾流和靠近梁壁的地方加密处理，便于探索该类区域下的流动趋势，捕捉瞬时数值，该阶段网格密度可设置1mm 作为最小单位，保证靠近梁壁处的首层探索分析结果更具精准度。

静力不同系数下的分力数值，可在结构断面的CFD 分析中起到良好参数支持，通过分析不同结构断面下的风力作用影响，可展示出无量纲参数，较好反映出斜拉桥在不同风场强度下的准定常气动数值，由此便可为减振性能提供理论数据，提升测试精准性。结合CFD 分析模拟数值，可将斜拉索设计完毕后投入运行时的主梁静力做以系数上的探究，可发现不同风力能对斜拉索产生的动力振动影响不同，斜拉索其整体减振性能优异。

图2 CFD 分析计算域边界条件

6 斜拉索减振效率

本文案例所进行的减振方案是利用阻尼器来改变斜拉索阻尼情况，由此完成时域减振操作，提升斜拉桥运行中的安全性。斜拉索其响应变化有着较低敏锐度，在将阻尼器设备进行加设后，可加快斜拉索结构的响应效率，由此完成对减振结构的初步建设。阻尼器加装完毕后，其作用机理并不是较为明显的，但可有效改善长度较长的斜拉索在面对强风时的敏锐程度，比如当外界风速较大时，安装了阻尼器的长斜拉索可比未安装的拉索响应更快、减振幅度更高。

但阻尼器在风速偏小情况下，其作用效果一般，能够起到的减振成效相对偏低，且耗能依旧。因此对阻尼器减振方案应辩证看待，结合现有斜拉桥梁建设情况，选择适宜的减振方案，将斜拉桥梁设计更具科学性，增强路桥工程的安全程度。

7 结论

综上所述，对斜拉索桥梁结构进行振动机制分析得到一定减振思路，结合动力分析、CFD 分析的模型建立，能对斜拉索结构进行充分的振动数值计算，由此提出的斜拉索减振措施，能在阻尼数值调控下，分别针对不同设计风速，调节振动机制，提高斜拉桥稳定性。经测试所得到的振动数值，在斜拉索结构索设计的承受范围内，因此斜拉索可为减振性能提供较为有效的支持，便于路桥工程取得更佳减振成效。