大跨径斜拉桥拉索振动的研究

2018-04-02

福建质量管理 2018年16期

(重庆交通大学重庆 400000)

因拉索具有刚度小阻尼低等缺点造成了拉索在外界因素的干扰下较容易发生振动。况且在现代多数桥梁中多采用长索，增大了拉索发生振动的几率和幅度，今年来的研究表明拉索由紊流和结构等因素造成的拉索振动特征最为明显。自从人们发现这种现象至今的20多年来，专业研究人员不断对雨振现象的原理进行探索，至今形成了三种主要的方法：现场实测、风洞试验及理论分析。

雨振是斜拉索最强烈的振动类型之一，其最大振幅可达2m[1]或5倍索径[2]以上(多数报道为0.6m左右)，容易使相邻索之间发生碰撞，再加上振动的时间较长极易导致斜拉索出现疲劳[3]，使索的保护装置及两端的锚固、防腐装置开裂，大大降低了拉索的使用寿命，同时还容易导致锚头、桥面板等相邻构件开裂破坏[2]。在风雨天气拉索发生大幅度振动的几率高且幅度大，必然会引起桥面的晃动，给交通造成影响，如果一座桥梁经常发生振动必然会大幅度减少其使用寿命并且对桥梁的维修加固造成困难。

一、风雨激振的机理

(一)单自由度驰振理论[4,5]

经过大量拉索振动试验，研究人员得出一个结论：在一定的水线平衡角范围内，拉索在索面的振动幅度大于横向。进一步发现：将现场实测得到的数据与人工试验得到的数据进行比较发现，风雨激振发生时的上水线平衡角恰好与试验室的到的驰振角吻合。这种拉索风雨激振的水线平衡角范围、人工水线拉索振动试验的发生大振幅横向振动的人工水线“平衡角”范围以及人工水线拉索静力三分力试验产生负升力斜率的人工水线“平衡角”范围的一致性，这一点可以说明两者之间存在某种关联。

(二)两自由度藕合理论[6]

在拉索发生风雨激振时发现，拉索表面的水流会沿着所得圆周发生转动，由此猜测水流的这种运动有可能会改变索上荷载的变化，故得出有关风雨激振的结果：在水流沿索下流的过程中使索的外表发生变化，在一定情况下形成驰振断面并使拉索发生单向的振动;在水沿拉索下流的过程中发生圆周运动，改变了作用在拉索上的荷载效应，使其发生横向面内的振动。

(三)轴向流理论[7]

一般情况下风向不可能恰好与索的轴向平行，为方便分析风的影响将其分为沿索的横截面方向和拉索的轴向。虽然轴向风存在，但是轴向风对拉索振动影响较小。经过大量研究表明涡激振动在没有雨的作用下更明显，所以轴向流作用下的振动是涡激振动，但拉索得涡激共振的振幅较小，远小于拉索风雨激振时峰值。相反的是在雨水作用下，会发现在其中一股在沿索下流的过程中，在索任意的间距处发生于水线垂直方向的流动，研究表明这种无规律的运动不会加强索的涡激振动；另一部分则会沿拉索的轴线方向流动。综上可以确定轴向流对拉索的振动影响较小，在一定的条件下可忽略不计。

二、斜拉索的振动控制

(一)拉索的气动控制法[8,9]

拉索的空气动力学控制法具有施工简单、工厂化等特点被广泛应用，多采用的形式是：在索的表面设计凹凸不平的坑槽、在拉索表面缠绕线和采用动力特性有益的横截面。这些措施都是从改变水流下流的路线而达到提高抗振的目的。

空气动力学控制方法的优点是：费用低、不需要维护、施工工艺简单等。但是要充分认识到采用不同措施时对风雨激振的效果，防止产生不利的影响，因此对这方面的知识要求较高。

(二)拉索振动机械控制措施

为提高拉索的阻尼减小振动的幅度，各类形式的阻尼器运用而生，如液压阻尼器、橡胶阻尼器、摩擦阻尼器等。阻尼器在实际工程中的运用也确实表明对提高拉索的阻尼减小拉索振动起了极大作用。阻尼器多安装在拉索的底端位置，有利于更换和维修。但有的也存在较大的问题，如橡胶阻尼器主要是由一种高耗能的材料制成，在拉索发生振动时发生变形吸收能量。

(三)结构控制措施

结构控制措施是以能量的传递为起点的方法，具有代表性的做法就是通过辅助拉索将不同的主索连接，形成一个较密集的体系。在这个体系中由于长索被分成了多段，以约束条件减少自由度长度，进而提高了振动的频率使能量在相互传递的过程中大量消散。辅助索有刚性和柔性之分，经试验表明:柔性辅助索可以更好的提高拉索阻尼，并有一定的能量耗散;而刚性索几乎没有能量耗散。

辅助索最早应用于丹麦的法岛桥，后来法国的诺曼底大桥等桥也相继采用了辅助索。法国大桥辅助索布置形式虽然经验表明辅助索能有效减小拉索的风雨激振的振幅，但研究人员对其机理并未完全掌握，因而尚无完善有效的设计理论[10]。此外，这一方法不能抑制拉索的高阶振动，对于抑制涡激振动效果不明显。因此也有相当多的辅助索破坏的事故发生，美国Texas桥的辅助索在使用一年后就出现了疲劳破[11]。