39-小议斜拉索风致振动以及减振措施

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1、小议斜拉索风致振动以及减振措施何训华1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）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；790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。但是由于

2、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

3、过断面分离而产生周期性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=3m／s-10m／s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（Amax≤0.5D），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

4、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β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（Parametricresonance）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fb／2或fr／2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

5、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

6、的驰振区）。尾流驰振的发振风速视索长、索力而定，一般为Vcr＝25fnD-50fnD。对短索而言，迎风侧索大体上不动。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（Rain－windinducedvibration）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的尾部产生轴向风时发生在有一定水平偏角β(25°-40°)的风及一定雨量(10-20mm/h)的塔后索，频率小于3

7、Hz，而双振幅可达1.5m79，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β(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