斜拉桥斜拉索的风致振动形态及减震措施分析

第２６卷第４期　、，０１．２６　Ｎｏ．４　辽宁工程技术大学学报　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｌｉａｏｎｉｎｇ　Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　２００７年８月　Ａｕｇ．　２００７　

文章编号：１００８．０５６２（２００７）０４－０５４７．０３　

独塔斜拉桥施工阶段抖振响应及抑振分析　

黄海新　，一，张哲　，郑江敏　，袁全　

（１．大连理工大学桥梁研究所，辽宁大连１１６０２３：２．河北工业大学土木工程学院，天津３００４０１；３．￣ＳＥｄｌ市市政工程管理处，浙江江山３２４１００）　

摘　要：针对斜拉桥在最大双悬臂阶段的风致振动响应问题，通过考虑气动导纳和气动弹性效应对基于准定常理论的抖振力和自激　

力表达式进行了修正，并用谐波合成法模拟得到了具有空间相关性的脉动风荷载样本，继而对金马大桥在最大双悬臂阶段的抖振响应　

进行了分析，并对风载内力和人体舒适度进行了评价。结果表明，该桥的抖振响应对施工人员影响较小。同时，分析表明增设抗风Ｉ临　

时拉索是一种简单有效的抑振措施。　

关键词：斜拉桥：抖振；时域分析　

中图分类号：ＴＵ　３１１．３　文献标识码：Ａ　

Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｂｕｆｆｅｔｉｎｇ　ｒｅｓｐｏｎｓｅ　ａｎｄ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ—ｒｅｓｔｒａｉｎｉｎｇ　ｆｏｒ　

ｃａｂｌｅ—ｓｔａｙｅｄ　ｂｒｉｄｇｅ　ｗｉｔｈ　ｓｉｎｇｌｅ　ｔｏｗｅｒ　ａｔ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｓｔａｇｅ　

ＨＵＡＮＧ　ＨａｉＩｘｉｎ　，ＺＨＡＮＧ　Ｚｈｅ　，ＺＨＥＮＧ　Ｊｉａｎｇ．ｍｉｎ３，ＹＵＡＮ　Ｑｕａｎ２　

（１．Ｂｒｉｄｇｅ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｄａｌｉａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｄａｌｉａｎ　１１６０２３，Ｃｈｉｎａ；２．Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｃｉｖｉｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，　

Ｈｅｂｅｉ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｔｉａｎｊｉｎ　３００４０１，Ｃｈｉｎａ；３．Ｊｉａｎｇｓｈａｎ　Ｍｕｎｉｃｉｐａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ａｄｍｉｎｉｓｔｒａｔｉｏｎ　

２０１１年第１９期　ＳＣ￣ＮＣＥ＆ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ　ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ　Ｏ建筑与工程０　科技信息　斜拉桥抗风性能分析方法及其对策　田晓霞陈才俊　（郑州市交通规划勘察设计研究院河南　郑州４５００００）　【摘要】斜拉桥是一种对风荷栽作用很敏感的结构，在风的作用Ｔ．￣ｉｔｇ易颤振。本文介绍了斜拉桥的抗风性能分析方法，并提出了一些　改善斜拉桥抗风性能的措施。　【关键词】斜拉桥；抗风　０前言　在我国的桥梁建设中，由于斜拉桥跨越能力大、施工方便、外形美　观，正得到了越来越广泛的应用。同时，斜拉桥也是一种柔性结构，在　荷载作用下呈现比较明显的几何非线性特征．在风力作用下易发生比　较大的变形和振动，现代斜拉桥的日益向轻柔、大跨径方向发展，使桥　梁的抗风问题日益突出，故有必要进行相应的研究。　１　基于性能的抗风设计　基于性能的抗风设计需要业主或使用者制定设计目标。设计者和　研究者将这些目标转换为不同类型的工程指标。此外，设计者还需要　制订性能级别。开展性能评价还需使用到结构规划和细节设计等方面　的信息。如果评价显示较差的性能表现，则设计者必须进行设计改进．　直至性能达到目标要求。最后，性能评价需要向业主和使用者提出对　结构性能的陈述。基于性能的设计流程如图１所示。　

图１　基于性能的设计方法流程　２斜拉桥的风振　斜拉桥的风振问题不仅限于梁体的振动，同时还有桥塔和斜拉索　的振动。除此之外，当两桥并列或两斜拉索并列布置时，由于上流侧梁　体或斜拉索的阻风作用产生的乱流会引起下流侧梁体或斜拉索发生　不规则的振动。另外，斜拉桥的风振问题不仅要考虑成桥后的情况，同　时还要考虑架设时的情况。　２．１梁体的风振　梁体采用扁平截面时不易产生挠睦发散振动．从抗风性能的观点　来看，梁体的宽高比值宜尽量大一些．作成比较扁平的形状。箱形截面　的梁体由于其抗扭刚度较大，扭振频率较高．故产生扭曲发散振动所　需的风速也较高；开口截面的抗扭刚度虽然较小，但只要配以斜索面　和Ａ形或倒Ｙ形桥塔．就能在成桥以后或悬臂施工阶段获得很好的　抗扭性能和足够大的抗风稳定性。涡振能在比较低的风速下发生，其　发生概率较高。因此，它会使结构物产生疲劳、行车障碍及诱发过桥者　的不安感。仅依靠增大结构刚度来防止发生涡振常常是较困难的。因　此首先要选择良好的粱体截面，然后再通过风洞试验来选用各种整流　装置，如流线型风咀（ｆａｉｒ２ｉｎｇ）、整流翼板（ｆｌａｐ）等或在梁体内安装ＴＭＤ　等。　２－２桥塔的风振　斜拉桥桥塔的塔柱常采用矩形截面（实体的或空心的），要考虑涡　振与挠曲驰振的问题。斜拉桥在架设过程中，由于一般风速不会太大，　故桥塔的风振以涡振为主。斜拉桥在成桥后，特别是独柱式桥塔，由于　斜拉索的补强效果较弱，在桥梁的横向常会发生显著的风振问题。大　跨径斜拉桥由于跨径较大，相对来说，塔的刚度和阻尼较小，因此，可　安装滑移块（ｓｌｉｄｉｎｇ　ｂｌｏｃｋ）或调质减振器来增加塔柱的阻尼，用以减　缓风振。　由于混凝土斜拉桥主梁的宽高比与钢斜拉桥的大致相同或更大．　其梁重或固有振动频率也较钢斜拉桥大，且混凝土结构的阻尼亦明显　大于钢结构，因此，混凝土斜拉桥的梁与塔的抗风振性能要优于钢斜　拉桥。　２．３斜拉索的风振　斜拉索的风致振动大致分为涡振、尾流驰振及雨振３类，其中雨　振已成为上世纪９Ｏ年代的研究热点。最近的研究结果表明，直径在　８０～２００ｍｍ的光滑索表面，当斜拉索阻尼低于８＝０．Ｏ１时，则会发生斜　拉索风雨振动，而平行钢丝索的直径正落在这一范围。解决的办法是：　（１）采用非光滑、非圆形的索表面；（２）在索端使用有效的阻尼装置：　（３）采用抗风索干扰斜拉索的振动。研制一种可安装在钢套筒中的高　效的斜拉索阻尼装置应当是首选的解决斜拉索振动的措施．因为表面　非光滑处理可能会带来积灰、外观效果不好的负面作用。　３斜拉桥的抗风研究　桥梁抗风研究在以下几方面仍然存在薄弱点．需要进一步的研究　和创新。　３．１风振机理研究　从技术层面上看，桥梁的颤振稳定性问题和长拉索风雨激振问题　可以通过有效的结构和气动措施加以解决。但是由于对机理研究的滞　后，至今仍然没有充分弄清颤振发散的微观机制，拉索风雨激振的机　制以及能有效抑制风致振动的一些气动措施的空气动力学机制　斟　此，对风振机理的研究是一个需要长期努力的课题。只有弄清了各类　风振的致振和抑制机理，才能实现从技术层面向科学层面的飞跃。　３．２风振理论的精细化　对于非危险性的限幅风致振动，如抖振和涡振，应该说虽然已经　建立起一套可用于解决工程抗风设计的近似方法．但对于风特性参数　的合理取值．气动参数、特别是气动导纳函数的识别以及通过节段模　型识别参数时的雷诺数效应等都存在着一些不确定性和难度，致使分　析结果与现场实测数据还不能取得一致．需要通过典型工程的案例研　究加以对比和验证，对现行的抖振和涡振分析理论进行精细化的改　进，甚至建立新的分析理论和方法。可以说，要更好地解决桥梁抖振和　涡振的分析和控制问题，还有许多工作要做。　３３桥梁等效风荷载　风荷载是大跨度桥梁设计中的控制荷载，尤其是在施工悬臂拼装　阶段，风荷载更是关系到施工安全的重要因素。然而，目前规范中规定　的风荷载计算方法仍是近似的。除了平均风引起的静风荷载外，脉动　风的作用则分解成用阵风系数考虑的静力作用以及抖振响应所引起　的惯性荷载作用。实际上两部分作用是不可分割的，存在相互作用的　机制，即随时间变化的脉动风对振动着的桥梁结构的总作用。应当通　过对实桥或全桥模型试验的应力测试来了解这一规律，或者通过数　值模拟方法直接从风压分布获得风荷载．并通过比较和检验推进桥梁　等效风荷载的研究，提高风荷载的精度和可靠性。　３．４　ＣＦＤ技术和数值风洞　用计算流体动力学对桥梁抗风工程问题进行三维空气压力分布　和动态变化的细观分析来认识各类风致振动的发生机制，已被日益证　明是一种十分有效和有巨大前景的数值模拟手段。运用这种方法可以　同时考察结构各部分不同风致振动的相互作用以及获得各种有效减　振措施的空气动力学解释。目前，对于气动弹性分析的数值模拟技术，　在二维模型和均匀来流条件下的计算已比较成熟，正在向三维模型、

施工期间斜拉索临时减振措施效果测试　

李　亮　

（广东省公路勘察规划设计院股份有限公司，广东广州　５１０５０７）　

摘要：斜拉桥在施工过程中，容易出现斜拉索的风致振动问题，不但影响施工期结构安全，同时也影响施工舒适性和测量。因　

此，在斜拉桥施工过程中通常采用临时的减振措施，以有效的抑制施工期斜拉索的振动。以某大跨度斜拉桥为工程背景，对采用　

钢丝绳辅助索以及木垫块等不同的减振措施对斜拉索模态阻尼的影响进行了试验研究，得到的一些结论可以为施工期选用斜拉　

索Ｉ临时减振措施提供参考。　关键词：斜拉索；风振；减振；模态阻尼；辅助索　

中图分类号：Ｕ４４８．２７；Ｕ４４１．３　文献标识码：Ａ　文章编号：１６７３—５７８１（２０１１）０４—０４９５—０３　

斜拉索是斜拉桥的主要承重构件之一，由于斜拉　

索质量小、柔度大、内阻尼低等原因极易在外界环境　

激励下发生振动。持续的拉索振动会造成拉索的疲　

劳和防护层的破坏，也会使人对斜拉桥的安全性产生　

怀疑。因此，斜拉索的振动控制问题是大跨度斜拉桥　

设计中必须考虑的问题之一＿１］。在施工阶段，由于缺　

少阻尼装置，斜拉索在外界激励作用下很容易发生振　

动，为了保证施工期间，斜拉索阻尼器未安装之前斜　

拉索的安全，有必要对斜拉索的振动进行有效的　

控制　。　

在实际工程中，在斜拉索索梁结合部采用辅助　

索是常用的控制斜拉索振动的措施，如图１、图２所　

示。临时减振措施目的是在施工阶段保证斜拉索　

的振幅不超过安全范围，因此要求临时措施能增加　

斜拉索的阻尼［３　］，实际工程应用发现索端辅助索　

有一定的制振效果，但这种临时措施的实际效果却　

缺少试验的验证。针对某大跨度斜拉桥在施工期　

进行试验研究，以分析不同的索端临时制振措施对　

斜拉索振动的控制效果。　

１试验方案　

对大桥施工期间桥上安装不同的索端临时制振　

装置进行试验，选择不同的临时制振装置进行对比。　

工况１：采用临时索端辅助索进行制振（图１）；工况　

２：采用在护管口安装木垫块的方法制振（图２）。通　

张蓉等：斜拉桥拉索的振动控制　

斜拉桥拉索的振动控制　

张蓉’，万连立　

（１．哈尔滨工业大学建筑设计研究院，哈尔滨１５００９０；２．长春工业大学。长春１３００１２）　

【摘要】基于对拉索风致振动机理的认识，提出了一系列相应的振动控制方法，主要分为空气动力学措施　

和机械措施。前者主要通过改变拉索的断面形状，使其空气动力学性能得到改善；后者通过在拉索上附加阻尼器　

或辅助索等机械（结构）装置，增加拉索的阻尼或形成有干扰效应的索组，达到减小振动的目的。　【关键词】拉索；振动控制；减振　【中图分类号】ＴＵ３５１　【文献标识码】Ｂ　【文章编号】１００１—６８６４（２００８）晒一００７９—０２　

１　空气动力学措施　

Ｋｏｂａｙｍｈｉ等学者研究表明，将圆形的拉索断面改为多边　

形断面可以改变拉索的气动性能，风洞试验表明，六边形索　

是不稳定的，但是八边形索具有很好的稳定性；Ｙａｍａｄａ，Ｓａｉｔ　等指出在拉索ＰＥ套管上开槽及增加Ｕ形套的方法对控制　

风雨振非常有效，并分别在Ｈｉｇａｓｈｉ—Ｋｏｂｅ桥和Ｙｕｇｅ桥应用；　

Ｍｉｙａｔａ等则提出了增加拉索表面的粗糙度，在拉索表面制造　凹痕能防止水线的形成，控制风雨振的方法。风洞试验表　

明，该措施对抑制风雨振具有较好的效果，并且由于雷诺数　的增大减小了拉索的阻力，这对于大跨度斜拉桥来说是非常　有利的，因为在大跨度斜拉桥中拉索的阻力已和主梁的阻力　

一样大。此方法己在Ｔａｔａｒａ大桥应用。Ｍａｌ￣ｕｍｏｔｏ等提出在　

索表面沿轴向加螺旋带的方法，干扰或截断水线的形成，起　

到减振作用。该方法在Ｎｏｔａｒｙ桥和我国南京长江二桥等　工程中作为辅助减振措施。　

２机械减振措施　

由于拉索振动主要是拉索具有非常低的固有结构阻尼，　因此增加拉索阻尼是控制拉索振动特别是风雨振控制最直　

接和最有效的方法。Ｙａｍａｇｕｃｈｉ等指出因为拉索的横向振动　只引起很低的应变，采用某些高阻尼材料增加拉索结构阻尼　的方法是非常困难的，因此在拉索和桥面之问安装阻尼器成