39-小議斜拉索風(fēng)致振動(dòng)以及減振措施

1、79小議斜拉索風(fēng)致振動(dòng)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(dòng)的基本原因和類(lèi)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(dòng)；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(shì)發(fā)展，發(fā)展超長(zhǎng)、大跨徑柔性橋梁是國(guó)際上的一種趨勢(shì)，因此國(guó)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(zhǎng)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(guò)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(huì)發(fā)生多種類(lèi)型的強(qiáng)烈振動(dòng)，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(dòng)的基本原因以及類(lèi)型由于斜拉索的結(jié)構(gòu)阻尼很小，而結(jié)構(gòu)阻尼對(duì)氣動(dòng)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(dòng)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(dòng)。從斜拉索的振動(dòng)類(lèi)型來(lái)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(guò)拉索時(shí)氣流繞過(guò)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(chēng)卡門(mén)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(jiàn)的一種低風(fēng)

4、速下的風(fēng)致振動(dòng)；屬于低風(fēng)速下的強(qiáng)迫振動(dòng)，對(duì)結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)一般發(fā)生在Vcr=3m／s10m／s范圍內(nèi)（即35級(jí)蒲福風(fēng)力）。但是渦激能量輸入有限，不會(huì)產(chǎn)生大幅度的拉索振動(dòng)（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(dòng)和紊流引起拉索的強(qiáng)迫振動(dòng)。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(dòng)又干擾迎風(fēng)側(cè)索周?chē)臍饬鞑⑴c背風(fēng)側(cè)索一起都發(fā)生振動(dòng)，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(dòng)。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(huì)影響拉索錨固端的疲勞。1.3參數(shù)振動(dòng)（Parametricresonance）當(dāng)橋面和塔受到活載、風(fēng)荷載而引起振動(dòng)時(shí)會(huì)使得兩端與之相連的拉索，以同樣的頻率隨之縱向振動(dòng)，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(huì)產(chǎn)生橫向振動(dòng)，即共振作用使結(jié)構(gòu)的振動(dòng)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(huì)使索產(chǎn)生大振幅的馳振而最終導(dǎo)致氣動(dòng)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(huì)產(chǎn)生橫風(fēng)向的大幅度自激振動(dòng)。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(huì)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(dòng)既然尾流馳振。尾流馳振的發(fā)振風(fēng)向大致與橋軸線(xiàn)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(zhǎng)、索力而定，一般為Vcr＝25fnD50fnD。對(duì)短索而言，迎風(fēng)側(cè)索大體上不動(dòng)。對(duì)長(zhǎng)索的迎風(fēng)側(cè)索也會(huì)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(dòng)，且在索平面內(nèi)兩索振動(dòng)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(dòng)，嚴(yán)重的還會(huì)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(dòng)作，容易發(fā)生漏油和滲油現(xiàn)象。因此維修費(fèi)用相對(duì)較高。同時(shí)油壓阻尼器油壓油壓阻尼器對(duì)小振幅振動(dòng)不敏感，而長(zhǎng)拉索由于存在“模態(tài)躍遷”其平面內(nèi)一階正對(duì)稱(chēng)振動(dòng)在靠近錨固端處振動(dòng)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(cè)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(dòng)使粘性體產(chǎn)生剪切變形從而將振動(dòng)能量傳遞給粘性體再轉(zhuǎn)變成熱能耗散。國(guó)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(zhǎng)江大橋、荊州長(zhǎng)江大橋等?，F(xiàn)將鄂黃長(zhǎng)江大橋、荊州長(zhǎng)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(zhǎng)江大橋是北京至廣州106國(guó)道跨越長(zhǎng)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(zhǎng)3245m，其中主橋長(zhǎng)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(guò)程中拉索長(zhǎng)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(zhǎng)江公路大橋位于湖北省荊州市，是207國(guó)道跨長(zhǎng)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(zhǎng)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(guò)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(zhuān)家考察意見(jiàn)，于2002年4月2002年8月在鄂黃長(zhǎng)江公路大橋、2002年6月2002年9月在荊州長(zhǎng)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(duì)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(wú)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(guān)測(cè)，以及人工激振后的自由衰減觀(guān)測(cè)，結(jié)果表明：鄂黃長(zhǎng)江大橋斜拉索在沒(méi)有安裝減振器之前的對(duì)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(duì)數(shù)衰減率在0.0350.05之間，其余索的對(duì)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(méi)有安裝減振器之前的對(duì)數(shù)衰減率在0.004－0.006之間，裝了HCA阻尼器后其對(duì)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(xiàn)峰－峰值減小1.43.3倍風(fēng)響應(yīng)速度時(shí)程曲線(xiàn)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(zhǎng)江公路大橋部分拉索減振效果對(duì)比風(fēng)響應(yīng)時(shí)程曲線(xiàn)峰—峰值風(fēng)響應(yīng)功

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

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

16、.342118.477.9600.0046有HCA8.16242.86023.9753.6800.0342S54無(wú)HCA27.9555.523172.767.9600.0052粘性剪切型阻尼器有針對(duì)油壓阻尼器而言，具有對(duì)0.5mm級(jí)的微小振動(dòng)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(dòng)，無(wú)機(jī)械接觸點(diǎn)，安裝維修都比較簡(jiǎn)單外形美觀(guān)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(guó)內(nèi)斜拉索減振裝置的主流。2.2.5磁