斜拉索风雨振研究现状和尚待解决的问题

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1、第23卷第2期石家庄铁道大学学报(自然科学版)Vo1．23N。．22010年8月JOURNALOFSHIJ1AZHUANGTIEDA0UNIVERSITY(NATURALSCIENCE)Aug．2010斜拉索风雨振研究现状和尚待解决的问题刘庆宽(石家庄铁道大学大型结构健康诊断与控制研究所，河北石家庄050043)摘要：斜拉索风雨振严重威胁斜拉桥的安全，是研究热点之一。综合叙述了风雨振的危害，介绍了包括现场观测、风洞试验、理论分析、数值流体计算等研究方法，说明了风雨振发生的可能机理，介绍了现有的控制振动的措施，以及尚待解决的问题，为该问题的进一步解决提供参考。关键词：斜拉索；风雨振；研究方

2、法；振动机理；存在问题中图分类号：U448．27；TU311．3文献标识码：A文章编号：2095-0373(2010)02—0053—07随着斜拉桥建造数量的增多和跨径的增大，斜拉索发生风致振动并带来危害的实例越来越多。作为斜拉桥主要构件的斜拉索，由于具有长细比大、柔度大、阻尼低的特点，导致该结构在风的激励下容易发生振动，尤其是风雨共同作用下发生的风雨振，由于振幅大、破坏性大，已经成为近20多年以来大跨度斜拉桥设计中最为关注的问题之一，国内外已有许多这方面的报道，如美国的FredHartman桥口]，日本的寸、／7lJ、’／(Sunbridge)桥、荷兰的Erasmus桥、澳大利亚的Gl

3、ebeIsland桥J、英国的SecondSevern桥，文献[5]中提到的法国的Brotonne桥、德国的Koehlbrant桥、丹麦的Faro桥、日本的明港西(Meiko—nishi)大桥、荒津(Aratsu)大桥、天保山(Tenpohzan)大桥等。国内的杨浦大桥]，南京长江二桥，洞庭湖大桥等也都发生过风雨振现象。斜拉索的振动会引起索端部接头部分产生疲劳破坏，破坏索的防腐系统，严重的还会引起索的失效。同时，索的振动会引起索内部钢丝之间的相对错动和摩擦，损坏钢丝表面的防腐材料，使得腐蚀后的钢丝疲劳强度降低。另外，减振用的阻尼装置也经常被索的大幅振动所破坏，如杨浦大桥的部分拉索锚具破坏

4、]、南京长江二桥的部分油阻尼器损坏，日本的寸、／IJ、y(Sunbridge)桥发生的风雨振造成许多阻尼减振器破坏，其中一根锚固在桥台附近地面的索的振动敲打钢梁的翼缘部分，造成了该部分结构的严重破坏(图1和图2)，这引起了设计人员和研究者的图ISunbridge桥索振造成的钢梁破坏注意。在近20多年中，为了明确风雨振的发生机理，研制抗风雨振的气动措施或其它方法，研究人员分别通过现场观测、风洞试验、理论分析和数值流体计算等方法对该问题进行了研究。1研究方法1．1现场观测1984年位于日本名古屋的名港西大桥上的斜拉索发生了风雨振动，当时的石川岛播磨重工柴株式会收稿日期：2010—05—05作

5、者简介：刘庆宽，男，1971年出生，博士，教授。主要研究方向为桥梁与结构的风荷载、风致振动与控制。发表论文45篇。基金项目：国家自然科学基金项目(50878l35／E0808O2)；河北省自然科学基金项目(E2008000442)；河北省科技支撑计划项目(09215626D)；教育部留学人员项目；河北省留学人员项目。54石家庄铁道大学学报(自然科学版)第23风的因素。发生风雨振时风速一般在6～20m／s。风速在一定范图2风雨振造成的阻尼器的破坏围内，处于桥塔背风侧索的上表面形成一条水线，可能激发索的振动。模拟真实降雨的试验，一类是在圆柱体表面粘贴人工水线的试验(图4)。第一类试验比较复杂

6、，模型两端弹簧支撑，调整降雨量、索的空间位置(图图3京都大学观测索5，水平倾角、竖直倾角)、结构的阻尼(或Scruton数)、频率等振动参数。通过调整这些参数，重现降雨态下拉索发生的大幅振动，研究导致大幅振动发生的条件。粘贴人工水线的试验有测压、测力、测振种。测压试验可以通过测试有人工水线的拉索的表面压力(或同时测试水线上的表面压力)，分析索周l的流场；将测得的压力经过积分，得到拉索随时间变化的气动力；测力试验为通过模型两端安装的测力：平测得整个模型受到的气动力。分析气动力，可以研究卡门涡脱落的情况、通过准定常理论分析驰振j定性等。目前风洞试验方法是研究索的风雨振的主要方法，各国学者通过

7、试验进行了大量的j索，，，。，。圳。驻点图4风洞试验中人工水线的位置定义图5风洞试验中斜拉索的空间位置第2期刘庆宽：斜拉索风雨振研究现状和尚待解决的问题551．3理论分析在理论分析方面，针对粘贴有人工水线的索模型，建立2自由度或3自由度模型，通过求解运动方程，分析相关参数对索振动阻尼的影响，通过准定常理论进行驰阵分析，研究振动机理，如文献[25]一文献[3O]。1．4数值流体计算在数值流体计算方面，随着计算机硬件技术的进步和计算流体