39-小議斜拉索風(fēng)致振動以及減振措施

1、79小議斜拉索風(fēng)致振動以及減振措施何訓(xùn)華1高飛2（1西南交大土木設(shè)計(jì)有限公司廣州根公司廣州510610）（2南昌市公路勘察設(shè)計(jì)院南昌330077）摘要：本文介紹了斜拉索風(fēng)致振動的基本原因和類型、部分減振原理和特點(diǎn)。關(guān)鍵詞：橋梁工程；風(fēng)振控制；渦激共振；抖振；參數(shù)振動；弛振；尾流弛振；風(fēng)雨振；0前言隨著現(xiàn)代橋跨結(jié)構(gòu)朝著高大、輕柔、低阻尼趨勢發(fā)展，發(fā)展超長、大跨徑柔性橋梁是國際上的一種趨勢，因此國內(nèi)外近幾年修建的斜拉橋跨度日漸增大，拉索也日

2、漸長大，密索體系斜拉橋已經(jīng)成為傾向。眾所周知，拉索是斜拉橋的極其重要組成部分，橋跨結(jié)構(gòu)的恒載與活載大部分通過拉索傳遞到塔柱。但是由于拉索質(zhì)量小、柔度大、自身阻尼小，在風(fēng)的激勵(lì)下會發(fā)生多種類型的強(qiáng)烈振動，從而影響到橋跨結(jié)構(gòu)的安全；因此如何將拉索的風(fēng)振控制在安全范圍受到橋梁結(jié)構(gòu)工程師們的廣泛關(guān)注。1斜拉索振動的基本原因以及類型由于斜拉索的結(jié)構(gòu)阻尼很小，而結(jié)構(gòu)阻尼對氣動力穩(wěn)定性至關(guān)重要，所以拉索本身就難以穩(wěn)定。在不同的外因條件下拉索將發(fā)生不同

3、頻率和振幅的“索振”，而且發(fā)振頻度和振幅隨著外因的改變而變化。雖然引起拉索振動的原因很多，但其主要原因是風(fēng)，即索振基本為風(fēng)激振動。從斜拉索的振動類型來看一般有以下幾種：1.1經(jīng)典渦激共振（Vtexinducedresonance）當(dāng)穩(wěn)定的層流風(fēng)吹過拉索時(shí)氣流繞過斷面分離而產(chǎn)生周期性交替的漩渦脫落從而形成渦漩尾跡（又稱卡門渦街），由于渦脫頻率是和風(fēng)速成正比，當(dāng)其頻率與拉索的自振頻率一致時(shí)，將發(fā)生渦激共振。渦激共振是斜拉索最為常見的一種低風(fēng)

4、速下的風(fēng)致振動；屬于低風(fēng)速下的強(qiáng)迫振動，對結(jié)構(gòu)來說一般發(fā)生在Vcr=3m／s10m／s范圍內(nèi)（即35級蒲福風(fēng)力）。但是渦激能量輸入有限，不會產(chǎn)生大幅度的拉索振動（Amax≤0.5D），值得注意的是:渦振發(fā)振頻度很高，易造成拉索的疲勞損傷。1.2抖振（Buffeting）由于自然風(fēng)的陣風(fēng)脈動和紊流引起拉索的強(qiáng)迫振動。但抖振的振幅一般比較小。值得指出的是抖振具有多種形式的尾流效應(yīng)，典型的是并列索的尾流抖振。由于背風(fēng)側(cè)索處在迎風(fēng)側(cè)索的尾流中并

5、且受到迎風(fēng)側(cè)索產(chǎn)生的尾流渦旋的激勵(lì)，而背風(fēng)側(cè)索的振動又干擾迎風(fēng)側(cè)索周圍的氣流并與背風(fēng)側(cè)索一起都發(fā)生振動，其特點(diǎn)是隨著不同的風(fēng)速以及不同的水平偏角β可以產(chǎn)生不同模態(tài)組合的拍頻振動。這種相互作用隨著兩根索間距的增大而減小直至消失。高頻的尾流抖振也會影響拉索錨固端的疲勞。1.3參數(shù)振動（Parametricresonance）當(dāng)橋面和塔受到活載、風(fēng)荷載而引起振動時(shí)會使得兩端與之相連的拉索，以同樣的頻率隨之縱向振動，當(dāng)拉索橫向自振頻率fc正好等

6、于fb／2或fr／2時(shí)(其中fb為橋面豎向彎曲自振頻率而fr為橋面扭轉(zhuǎn)自振頻率)，拉索就會產(chǎn)生橫向振動，即共振作用使結(jié)構(gòu)的振動在索中放大，但一般振幅較小。實(shí)際橋梁中發(fā)生拉索參數(shù)共振的情況較少。1.4馳振與尾流馳振（Galloping&Wakegalloping）索的外形也會使索產(chǎn)生大振幅的馳振而最終導(dǎo)致氣動力失穩(wěn)，當(dāng)索的截面形狀發(fā)生圓形異化（如六邊形索，或積雪）時(shí)會產(chǎn)生橫風(fēng)向的大幅度自激振動。當(dāng)2根或多根拉索并列布置時(shí)；由于迎風(fēng)面索的紊

7、流尾流區(qū)內(nèi)存在一個(gè)不穩(wěn)定馳振區(qū)，如果背風(fēng)面索正好處在這不穩(wěn)定區(qū)內(nèi)，就會導(dǎo)致背風(fēng)面索發(fā)生橢圓形軌跡的振幅不斷加大的低頻振動既然尾流馳振。尾流馳振的發(fā)振風(fēng)向大致與橋軸線的水平夾角為7080（即背風(fēng)側(cè)索正好處在不穩(wěn)定的馳振區(qū)）。尾流馳振的發(fā)振風(fēng)速視索長、索力而定，一般為Vcr＝25fnD50fnD。對短索而言，迎風(fēng)側(cè)索大體上不動。對長索的迎風(fēng)側(cè)索也會因背風(fēng)側(cè)索的尾流馳振提供部分能量而產(chǎn)生小幅振動，且在索平面內(nèi)兩索振動的相位正好相反。尾流馳振的

8、特點(diǎn)是既有索平面內(nèi)又有索平面外的大幅度振動，嚴(yán)重的還會造成拉索互相碰打。79嚴(yán)，作為阻尼介質(zhì)的硅油溫度效應(yīng)明顯，由于頻繁動作，容易發(fā)生漏油和滲油現(xiàn)象。因此維修費(fèi)用相對較高。同時(shí)油壓阻尼器油壓油壓阻尼器對小振幅振動不敏感，而長拉索由于存在“模態(tài)躍遷”其平面內(nèi)一階正對稱振動在靠近錨固端處振動幅度將變得很小，從而使油壓阻尼器平面內(nèi)一階模態(tài)的實(shí)際測得的阻尼值比設(shè)計(jì)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）是近幾年出現(xiàn)的一

9、種新型減振裝置，其特點(diǎn)是利用阻尼器中切片的運(yùn)動使粘性體產(chǎn)生剪切變形從而將振動能量傳遞給粘性體再轉(zhuǎn)變成熱能耗散。國內(nèi)應(yīng)用粘性剪切型阻尼器的橋有汕頭石大橋、湖口大橋、白沙洲大橋、軍山大橋、鄂黃長江大橋、荊州長江大橋等?，F(xiàn)將鄂黃長江大橋、荊州長江大橋兩座大橋的粘性剪切型阻尼器的應(yīng)用情況介紹如下：鄂黃長江大橋是北京至廣州106國道跨越長江，連接鄂城、黃岡兩座中等城市的特大橋梁，是湖北省交通重點(diǎn)工程項(xiàng)目。鄂黃大橋全長3245m，其中主橋長1290

10、m，為五跨連續(xù)雙塔雙索面預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋，主塔高172.3m。在主橋的施工過程中拉索長期處于抖振的狀態(tài)下并且時(shí)常伴隨著適當(dāng)?shù)娘L(fēng)雨條件發(fā)生大振幅的風(fēng)雨振。荊州長江公路大橋位于湖北省荊州市，是207國道跨長江的一座特大型橋梁，大橋北岸為荊州市區(qū)，南岸為公安縣埠河鎮(zhèn).全橋共由九個(gè)橋段組成，自北向南依次為北岸引橋、跨荊江大堤橋、北岸灘橋、北汊通航孔橋、三八洲橋、南汊通航孔橋、南岸灘橋、跨荊南干堤橋、南岸引橋，橋梁全長為4177.60m。其中北

11、汊通航孔橋?yàn)椋?00500200（m）PC斜拉橋、南汊通航孔橋：16030097（m）PC斜拉橋，同樣該橋在施工過程中拉索時(shí)常發(fā)生大振幅的風(fēng)雨振以及抖振。根據(jù)有關(guān)專家考察意見，于2002年4月2002年8月在鄂黃長江公路大橋、2002年6月2002年9月在荊州長江公路大橋上安裝粘性剪切型阻尼器作為斜拉索的永久抑振措施。為了確認(rèn)斜拉索粘性剪切型阻尼器的實(shí)際減振效果，在選取對橋控制的有代表性的最不利索后，進(jìn)行了拉索在有HCA減振器和無HCA

12、減振器兩種不同工況下的自然風(fēng)響應(yīng)功率譜和時(shí)程觀測，以及人工激振后的自由衰減觀測，結(jié)果表明：鄂黃長江大橋斜拉索在沒有安裝減振器之前的對數(shù)衰減率在0.0020.006之間，安裝HCA減振器之后除個(gè)別索的對數(shù)衰減率在0.0350.05之間，其余索的對數(shù)衰減率均在0.05以上，即提高了510倍以上；風(fēng)響應(yīng)位移有效值在微風(fēng)環(huán)境下減小1.87.5倍，風(fēng)力較大時(shí)可達(dá)16倍左右，加速度有效值在微風(fēng)環(huán)境下減小4.822倍，風(fēng)力較大時(shí)可達(dá)近120倍。荊州大

13、橋斜拉索沒有安裝減振器之前的對數(shù)衰減率在0.004－0.006之間，裝了HCA阻尼器后其對數(shù)衰減率可達(dá)0.034－0.08，即提高約8－12倍以上；風(fēng)響應(yīng)位移功率譜有效值在微風(fēng)環(huán)境下減小1.3－3.7倍，風(fēng)響應(yīng)速度功率譜有效值在微風(fēng)環(huán)境下減小1.26.6倍；風(fēng)響應(yīng)位移時(shí)程曲線峰－峰值減小1.43.3倍風(fēng)響應(yīng)速度時(shí)程曲線峰－峰值減小1.217.5倍。達(dá)到預(yù)期的減振效果。表1鄂黃長江公路大橋部分拉索減振效果對比風(fēng)響應(yīng)時(shí)程曲線峰—峰值風(fēng)響應(yīng)功

14、率譜有效值位移(mmpp)索號工況加速度(mgrms)位移(mmrms)加速度(mgpp)通頻對數(shù)衰減率有HCA3.4642.60314.641.700.0635A29無HCA359.59575.4177826.880.0028有HCA2.3272.5568.5941.2760.0982A26無HCA14.4185.74787.653.6230.0019有HCA3.1052.93118.171.550.0952A27無HCA57.276

15、13.3703926.240.006表2荊州長江公路大橋部分拉索減振效果對比（32號塔）風(fēng)響應(yīng)時(shí)程曲線峰—峰值風(fēng)響應(yīng)功率譜有效值位移(mmpp)索號工況加速度(mgrms)位移(mmrms)加速度(mgpp)通頻基頻對數(shù)衰減率有HCA5.9401.1689.6191.770.0362S59無HCA21.0604.011168.45.0950.0042有HCA6.3602.79534.0833.0270.0397S57無HCA33.985

16、.342118.477.9600.0046有HCA8.16242.86023.9753.6800.0342S54無HCA27.9555.523172.767.9600.0052粘性剪切型阻尼器有針對油壓阻尼器而言，具有對0.5mm級的微小振動比較敏感，一個(gè)VSD即可抑制拉索的面內(nèi)和面外兩個(gè)方向的振動，無機(jī)械接觸點(diǎn)，安裝維修都比較簡單外形美觀等優(yōu)點(diǎn)。正是由于粘性剪切型阻尼器有以上特點(diǎn)目前已經(jīng)逐漸發(fā)展為國內(nèi)斜拉索減振裝置的主流。2.2.5磁