39小议斜拉索风致振动以及减振措施.docx

1、39小议斜拉索风致振动以及减振措施小议斜拉索风致振动以及减振措施何训华高飞2（1西南交大土木设计有限公司广州根公司广州510610）（2南昌市公路勘察设计院南昌330077）1摘要：本文介绍了斜拉索风致振动的基本原因和类型、部分减振原理和特点。关键词：桥梁工程；风振控制；涡激共振；抖振；参数振动；弛振；尾流弛振；风-雨振；0前言随着现代桥跨结构朝着高大、轻柔、低阻尼趋势发展，发展超长、大跨径柔性桥梁是国际上的一种趋势，因此国内外近几年修建的斜拉桥跨度日渐增大，拉索也日渐长大，密索体系斜拉桥已经成为倾向。众所周知，拉索是斜拉桥的极其重要组成部分，桥跨结构的恒载与活载大部分通过拉索传递到塔柱。但是

2、由于拉索质量小、柔度大、自身阻尼小，在风的激励下会发生多种类型的强烈振动，从而影响到桥跨结构的安全；因此如何将拉索的风振控制在安全范围受到桥梁结构工程师们的广泛关注。1斜拉索振动的基本原因以及类型由于斜拉索的结构阻尼很小，而结构阻尼对气动力稳定性至关重要，所以拉索本身就难以稳定。在不同的外因条件下拉索将发生不同频率和振幅的“索振”，而且发振频度和振幅随着外因的改变而变化。虽然引起拉索振动的原因很多，但其主要原因是风，即索振基本为风激振动。从斜拉索的振动类型来看一般有以下几种：1.1经典涡激共振（Vortex-inducedresonance）当稳定的层流风吹过拉索时气流绕过断面分离而产生周期性

3、交替的漩涡脱落从而形成涡漩尾迹（又称卡门涡街），由于涡脱频率是和风速成正比，当其频率与拉索的自振频率一致时，将发生涡激共振。涡激共振是斜拉索最为常见的一种低风速下的风致振动；属于低风速下的强迫振动，对结构来说一般发生在Vcr=3ms-10ms范围内（即3-5级蒲福风力）。但是涡激能量输入有限，不会产生大幅度的拉索振动（Amax0.5D），值得注意的是:涡振发振频度很高，易造成拉索的疲劳损伤。1.2抖振（Buffeting）由于自然风的阵风脉动和紊流引起拉索的强迫振动。但抖振的振幅一般比较小。值得指出的是抖振具有多种形式的尾流效应，典型的是并列索的尾流抖振。由于背风侧索处在迎风侧索的尾流中并且受

4、到迎风侧索产生的尾流涡旋的激励，而背风侧索的振动又干扰迎风侧索周围的气流并与背风侧索一起都发生振动，其特点是随着不同的风速以及不同的水平偏角可以产生不同模态组合的拍频振动。这种相互作用随着两根索间距的增大而减小直至消失。高频的尾流抖振也会影响拉索锚固端的疲劳。1.3参数振动（Parametric resonance）当桥面和塔受到活载、风荷载而引起振动时会使得两端与之相连的拉索，以同样的频率随之纵向振动，当拉索横向自振频率fc正好等于fb2或fr2时(其中fb为桥面竖向弯曲自振频率而fr为桥面扭转自振频率)，拉索就会产生横向振动，即共振作用使结构的振动在索中放大，但一般振幅较小。实际桥梁中发生

5、拉索参数共振的情况较少。1.4驰振与尾流驰振（Galloping&Wakegalloping）索的外形也会使索产生大振幅的驰振而最终导致气动力失稳，当索的截面形状发生圆形异化（如六边形索，或积雪）时会产生横风向的大幅度自激振动。当2根或多根拉索并列布置时；由于迎风面索的紊流尾流区内存在一个不稳定驰振区，如果背风面索正好处在这不稳定区内，就会导致背风面索发生椭圆形轨迹的振幅不断加大的低频振动既然尾流驰振。尾流驰振的发振风向大致与桥轴线的水平夹角为70-80（即背风侧索正好处在不稳定的驰振区）。尾流驰振的发振风速视索长、索力而定，一般为Vcr25fnD-50fnD。对短索而言，迎风侧索大体上不动。

6、对长索的迎风侧索也会因背风侧索的尾流驰振提供部分能量而产生小幅振动，且在索平面内两索振动的相位正好相反。尾流驰振的特点是既有索平面内又有索平面外的大幅度振动，严重的还会造成拉索互相碰打。1.5风雨振（Rainwindinducedvibration）这是近几年研究发现的在风和雨共同作用引起的一种拉索强烈的振动。特别是由于顺风向向下倾斜索79的尾部产生轴向风时发生在有一定水平偏角(25-40)的风及一定雨量(10-20mm/h)的塔后索，频率小于3Hz，而双振幅可达1.5m，对索的危害极大。武汉长江二桥、铜陵长江大桥等都发生过较长的尾索在风雨共同作用下拉索大幅振动造成索与索之间相互碰撞的现象。到

7、目前为止，人们对风雨振认识有以下几点（1）风雨振一般在雨量(10mm/h-20mm/h)，风速在7m/s-16m/s之间，水平偏角(25-40),左右较易发生；振动频率一般在在1Hz -3Hz。常常多根拉索同时发振，其中又以长索振动可能性最大。（2）上水线的形成与圆周运动导致拉索气动力性能的改变以及2次轴向流对旋涡脱落和尾流区流场干扰导致的压力变化也是引起的风雨振的主要原因。（3）拉索的表面材料性质；如斥水性，粗糙度等直接影响水线的形成和运动，也是引起拉索风雨振的原因之一。（4）湍流度和雨的强度也对振动有影响。上水路及其沿圆周向的振荡以及拉索尾流的2次轴向流是拉索雨振的2大重要诱因；此外还有紊

8、流度，拉索表面特征和降雨量的影响等。但是迄今为止，对于这种破坏性强的拉索的风雨振，其机理目前尚未有非常明确的结论，研究仍停留在风洞实验阶段，更谈不上合理的分析方法。2抑振措施的分析目前，拉索的减振措施主要有两大类，一类是空气动力学措施，另一类是机械措施。前者主要靠改变拉索的截面形状，使其空气动力性能得到改善。后者则通过安装各种阻尼减振器或者增加拉索刚度，提高固有频率来抑制振动响应。两类方法各有所长，基于现实条件的限制，后者使用比较广泛。2.1空气动力学措施拉索的气动力减振措施是一种特定用于抑制拉索雨振的90年代初提出的新课题，目的是为了限制、抑或瓦解水路以及破坏气动力的相关性。即将拉索的PE管

9、外表面做成某种断面形状：日本东神户大桥在拉索PE管表面开设了轴向凹槽；法国诺曼底大桥拉索表面采用了双螺旋线；日本多多罗大桥的拉索PE管表面设置了四周微凸而中间凹陷的“麻麻坑”等。尽管气动力学措施具有维修保养简便、费用较低等优点，但是各种方案的开发和构造细节都需要实验验证其减振效果，且要注意不能增加拉索断面的阻力系数，并且避免其它的不稳定振动，目前还无法用计算流体力学来分析。因此对气动力减振措施的作用机理也就无法进行理论分析。2.2机械措施2.2.1二阶索方法具体方法是用15mm-30mm的不锈钢丝将各主要拉索相互连接，以提高拉索体系的整体刚度，增加拉索的模态质量和阻尼，使拉索振动时产生各模态间

10、的相互耦合。尽管二阶索的减振原理十分浅显，实践中也掌握了一些经验，如间距一般为50m，位置应设在振型腹点且与之正交等。然而在实际工程中的应用并不是很普遍。再加上都是高空作业，其予紧力也难以掌握。因此二阶索拉断、索夹断裂时有发生。再说二阶索并不能完全消除并列索与空间索的面外振动。我国的武汉长江二桥就是采用二阶索索夹作为减振措施，然而在实际工程中的应用并不是很普遍，往往作为临时减振措施采用，而且对于长大斜拉桥往往需要多道二阶索，而常常被贬之为“蜘蛛网”，那样损害了桥梁的景观，所以往往不能被桥梁设计师所接受。2.2.2阻尼橡胶减振圈利用橡胶和拉索之间作用力传递，使橡胶圈变形产生粘滞阻尼耗能，是中国斜

11、拉桥应用较广的一种减振措施。由于阻尼橡胶减振圈（简称减振圈）可以布置在拉索的导筒内，不为行人所见，因此具有较好的景观效果。橡胶圈结构简单而且易于安装。但橡胶圈提供的阻尼由于太接近锚固端而十分有限，只能对短索产生一些减振效果，但是如果施工过程中拉索较大地偏离导筒中心时，往往运行不到一年就产生橡胶圈开裂破碎。2.2.3油压阻尼器油压阻尼器最早用于汽车减振上，欧美国家逐渐应用油压阻尼器作为拉索减振措施。我国的南京长江二桥就是采用同济大学开发的油压阻尼器，并确取得拉一定的减振效果。但是油压阻尼器只能提供单向阻尼力，如果用油压阻尼器同时抑制拉索的面内和面外振动，则每根拉索需要装上2个并成正交布置。而且油

12、压阻尼器安装精度严，作为阻尼介质的硅油温度效应明显，由于频繁动作，容易发生漏油和渗油现象。因此维修费用相对较高。同时油压阻尼器油压油压阻尼器对小振幅振动不敏感，而长拉索由于存在“模态跃迁”其平面内一阶正对称振动在靠近锚固端处振动幅度将变得很小，从而使油压阻尼器平面内一阶模态的实际测得的阻尼值比设计阻尼值低得多。2.2.4粘性剪切型阻尼器粘性剪切型阻尼器（VSD）是近几年出现的一种新型减振装置，其特点是利用阻79尼器中切片的运动使粘性体产生剪切变形从而将振动能量传递给粘性体再转变成热能耗散。国内应用粘性剪切型阻尼器的桥有汕头石大桥、湖口大桥、白沙洲大桥、军山大桥、鄂黄长江大桥、荆州长江大桥等。现

13、将鄂黄长江大桥、荆州长江大桥两座大桥的粘性剪切型阻尼器的应用情况介绍如下：鄂黄长江大桥是北京至广州106国道跨越长江，连接鄂城、黄冈两座中等城市的特大桥梁，是湖北省交通重点工程项目。鄂黄大桥全长3245m，其中主桥长1290m，为五跨连续双塔双索面预应力混凝土斜拉桥，主塔高172.3m。在主桥的施工过程中拉索长期处于抖振的状态下,并且时常伴随着适当的风雨条件发生大振幅的风雨振。荆州长江公路大桥位于湖北省荆州市，是207国道跨长江的一座特大型桥梁，大桥北岸为荆州市区，南岸为公安县埠河镇.全桥共由九个桥段组成，自北向南依次为北岸引桥、跨荆江大堤桥、北岸滩桥、北汊通航孔桥、三八洲桥、南汊通航孔桥、南

14、岸滩桥、跨荆南干堤桥、南岸引桥，桥梁全长为4177.60m。其中北汊通航孔桥为：200+500+200（m）PC斜拉桥、南汊通航孔桥：160+300+97（m）PC斜拉桥，同样该桥在施工过程中拉索时常发生大振幅的风雨振以及抖振。根据有关专家考察意见，于2002年4月-2002年8月在鄂黄长江公路大桥、2002年6月-2002年9月在荆州长江公路大桥上安装粘性剪切型阻尼器作为斜拉索的永久抑振措施。为了确认斜拉索粘性剪切型阻尼器的实际减振效果，在选取对桥控制的有代表性的最不利索后，进行了拉索在有HCA减振器和无HCA减振器两种不同工况下的自然风响应功率谱和时程观测，以及人工激振后的自由衰减观测，结

15、果表明：鄂黄长江大桥斜拉索在没有安装减振器之前的对数衰减率在0.002-0.006之间，安装HCA减振器之后除个别索的对数衰减率在0.035-0.05之间，其余索的对数衰减率均在0.05以上，即提高了5-10倍以上；风响应位移有效值在微风环境下减小1.8-7.5倍，风力较大时可达16倍左右，加速度有效值在微风环境下减小4.8-22倍，风力较大时可达近120倍。荆州大桥斜拉索没有安装减振器之前的对数衰减率在0.0040.006之间，装了HCA阻尼器后其对数衰减率可达0.0340.08，即提高约812倍以上；风响应位移功率谱有效值在微风环境下减小1.33.7倍，风响应速度功率谱有效值在微风环境下减

16、小1.2-6.6倍；风响应位移时程曲线峰峰值减小1.4-3.3倍,风响应速度时程曲线峰峰值减小1.2-17.5倍。达到预期的减振效果。表1鄂黄长江公路大桥部分拉索减振效果对比风响应时程曲线峰风响应功率谱有峰值索号工况效值位移对数衰加速度(mmp-p)减率加速度位移(mgp-p)(mgrms)(mmrms)通频A29有HCA3.4642.60314.641.700.0635无HCA359.59575.4177826.880.0028A26有HCA2.3272.5568.5941.2760.0982无HCA14.4185.74787.653.6230.0019A27有HCA3.1052.93118

17、.171.550.0952无HCA57.27613.3703926.240.006表2荆州长江公路大桥部分拉索减振效果对比（32号塔）风响应时程曲线峰索工风响应功率谱有效值峰值号况位移(mmp-p)对数衰减率加速度位移加速度(mgrms)(mmrms)(mgp-p)通频基频S59有HCA5.9401.1689.6191.770.0362无HCA21.0604.011168.45.0950.0042S57有HCA6.3602.79534.0833.0270.0397无HCA33.985.342118.477.9600.0046S54有HCA8.16242.86023.9753.6800.0342

18、无HCA27.9555.523172.767.9600.0052粘性剪切型阻尼器有针对油压阻尼器而言，具有对0.5mm级的微小振动比较敏感，一个VSD即可抑制拉索的面内和面外两个方向的振动，无机械接触点，安装维修都比较简单外形美观等优点。正是由于粘性剪切型阻尼器有以上特点目前已经逐渐发展为国内斜拉索减振装置的主流。2.2.5磁流变阻尼器其基本原理为利用外加电流控制外加磁场使磁流变液的物态性能可在液固之间转换使其粘度度发生很大的变化，具有很大的抗剪切力，易于控制并且连续可控；拉索磁流变式减振系统首先在洞庭湖大桥上的现场试验和实桥安装，两年来的实践证明，该系统成功实现了对斜拉桥拉索减振的最优控制与智能控制，这在国际上尚属首次。拉索磁流变式减振系统实际上也是粘性剪切阻尼器的一种，其主要特点为解决了传统的粘性被动阻尼器不能随振动大小调节阻尼力和受环境条件影响大的缺点，但是其安装比较复杂同是造价偏高。3结语斜拉索的致风振动问题之所以频频出现,除了拉索的长大化之外，关键所在是拉索自身的阻尼很小；而结构阻尼增加后振幅即减小，如果附加有对数衰减率为0.02-0.03的结构阻尼后即可抑振；目前的拉索减振装置都是以此为原理开发研究出来的。了解拉索振动产生的原因的基本的减振原理，更好的去研究和应用新型拉索减振装置；为中国的路桥事业做出一力。7979