张喜娥 钟振宇
1 拉索风雨激振研究概述
拉索是斜拉桥的关键构件,考虑到拉索的柔性、相对较小的质量及较低的阻尼,在风雨作用下发生的所谓拉索风雨激振现象,往往引起拉索的大幅度振动,严重影响桥梁的安全运营和拉索的使用寿命,它是目前已知的拉索振动形式中最强烈的一种,因此,风雨激振的机理与减振措施研究已经成为大跨度斜拉桥需要解决的关键问题之一。
20世纪80年代日本名港西大桥施工过程中出现了风雨激振并开始引起研究人员的注意。因此为了研究风雨激振机理,各国学者对其进行了大量的研究,但风雨激振是一种固、液、气三态耦合的复杂现象,其形成机理仍没有定论。风雨激振的研究手段主要有现场观测、风洞试验和理论分析[1]。
现场观测是最早用于研究风雨激振的手段。它可获得拉索风雨激振最准确的特征,可为验证风洞试验和理论分析研究结果的真实性、可靠性提供宝贵的资料。目前国内外最为经典的两个实例为Hikami等对日本名港西大桥的实测和陈政清等对洞庭湖大桥的实测。
拉索风雨激振现象机理非常复杂,受各种因素影响,例如:拉索倾角、来流风速、来流方向、来流紊流度、拉索振动频率等。现场实测虽然能获得拉索风雨激振最真实的特征,但无法对各种影响因素进行参数分析[1]。为系统研究风雨激振的机理,仍需要进行风洞试验。风洞试验可以重现风雨激振的一些基本特征,还可以研究振动控制措施的有效性。目前,研究风雨激振的风洞试验一般为两种类型:人工降雨试验和人工水线试验[3]。
与现场实测和风洞试验相比,理论分析的研究开展较晚。这是因为拉索风雨激振现象是一个固、液、气三相耦合系统,建立其运动微分方程非常困难。最早的理论分析文献为1990年Yamaguchi建立的弯扭耦合量自由度驰振模型,之后在20世纪90年代基本无进展。进入21世纪以来,理论分析逐渐成为拉索风雨激振问题的重要手段之一。
至今为止,拉索风雨激振的机理虽然尚未完全澄清,但研究者对斜拉索风雨激振现象的条件和振动得到一些基本共识:
1)风雨激振发生时的风速一般为6 m/s～8 m/s,更大或更小的风速都不易引起激振,振动多发生在紊流度小的风环境下。
2)雨是拉索发生风雨激振的必要条件,一般发生在雨量为小到中雨的天气。
3)沿风向向下倾斜的拉索更易发生风雨激振。
4)振动多发生在聚乙烯(PE)包裹的光滑表面拉索上,拉索直径一般为120mm～200mm,拉索表面材料性质,灰尘等对振动有重要的影响。
5)振动主要发生在拉索平面内,但也存在一个面外振动的分量,最大振幅可达100cm。
6)振动频率主要发生在0.6Hz～3Hz,进入或退出风雨激振状态时常有振型转换现象。
7)当风雨激振发生时,拉索的上下表面各有一条雨水形成的水线,沿倾斜的拉索向下流动。水线随着拉索的振动的拉索表面振荡,下水线对拉索风雨激振的影响不大[1]。
2 拉索风雨激振的控制
桥梁结构对风的反应非常复杂,除了由于风的作用和桥梁结构动态特性本身的复杂性外,还由于风和结构物的相互干涉作用。近年来,由于桥梁结构的日益长大、轻柔、低阻尼化,长大桥梁以及某些跨度虽不甚大的桥梁结构或其构件由风引起的振动必须被认真考虑的情况愈来愈多[7]。在设计阶段,就应研究由风引起振动的可能性,并有必要通过事前研究确定各种相应对策。但是使抗风设计完全渗透于结构设计之中是很困难的,因此,在结构施工和建成之后会产生不少风致振动问题,处理这些问题就不得不在受到种种条件制约的情况下进行。
控制拉索风雨激振目前有三种措施:空气动力学措施,结构措施与机械阻尼措施。
1)结构措施,是通过增加结构的总刚度,改变结构动力特性,提高桥梁静、动力稳定性的措施。目前已证明有效的结构措施主要是辅助索方法。即通过各拉索之间用一根或多根辅助索连接起来,形成一个索网。但是这种方法的缺点是:破坏了原有索面的景观;辅助索设计复杂;安装困难。2)空气动力学措施,以改善桥梁结构的气流特性从而减小激振外力的输入为目的。气动措施是通过选择空气动力稳定性好的断面或在桥梁的梁、塔等结构元素的断面形状由于种种要求将非常复杂;往往不能充分满足抗风要求时,附加某些装置以减小气动力,从而减小桥梁结构风致振动反应的措施。将PE护套外表面制成纵向肋条,缠绕螺旋线或压制一些凹坑,能起到抑制风雨激振的作用。3)机械阻尼措施,以减小桥梁结构整体或部分构件的振动输出为目的。以上两种措施不能截然分开,尤其是在振动反应输出反馈影响到空气力输入的,具有强烈自激特性的结构中,这两种措施的相互影响更加密切。由于种种条件的制约,在实际应用中,不可能仅仅通过气动措施解决风致振动问题,时常需要采用机械措施。拉索易于振动的主要原因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风雨激振最直接、有效的方法。但是研究表明,拉索的横向振动只引起很低的应变,而采用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间安装阻尼器是目前机械措施中采用最为广泛的一种方法[3]。
3 结语
目前,国际上主要采用现场实测、风洞试验和理论分析等方法对这一问题进行了研究。现场实测可获得最准确的特征,为进一步研究提供基础,但这一方法涉及的人为之外因素多,实现比较困难,且不能分离各因素的作用,不适于研究机理;风洞试验易于实现,特别是可采用多种试验手段,还可较方便的分别研究各因素的作用,非常适合机理研究,是目前应用最多的方法。但是,因为风洞试验和实际桥梁的情况也不一样,数值理论模拟分析它可以比较准确地模拟大气边界中风流动情况,不像风洞实验那样由于实验模型缩尺带来相似准则的问题,如大雷诺数流动。数值模拟可以模拟各种风速和地貌情况下,风对结构表面产生的压力场和结构周围流场等情况。因此,从发展趋势来看,今后理论分析应该成为风雨激振研究的重要手段之一,但目前对于理论分析存在很多问题,有很多方面还有待加强。
1)目前风雨激振理论分析都是基于二维模型基础上。但是,应该说风雨激振完全是一个三维问题,因此,应该考虑拉索三维效应的影响,建立合适的三维模型。
2)数值计算方法局限,目前数值计算方法都是以Navier-Stokes方程为基础,方程过于复杂,是非线性微分方程组。一般而言,所有的数理方程反映了系统各种参量之间一种复杂的逻辑关系,这种关系可以为我们解决其中的一些问题提供很大的帮助,有一部分可以直接得到解析解。但绝大多数不但没有解析解,而且数值解的理论发展的也不完善,一个特定的微分方程就需要建立一整套数学理论。这对于气、液、固三相耦合的处理比较困难,因此,对于数值计算方法的改进也是有待提高的一个问题。
[1] 曹 宏.磁流变阻尼器在拉索减振中的应用研究[D].长沙:湖南大学硕士论文,2006:4.
[2] 顾 明,吕 强.斜拉桥拉索风雨激振理论分析的一个新方法[J].土木工程学报,2002,36(6):47-52.
[3] 陈政清.桥梁风工程[M].北京:人民交通出版社,2005.
[4] MATSUMOTO M,SHIRATO H,YAGI T,et al.Field Observation of the Full-Scale Wind-Induced Cable Vibration[J].Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics,2003,91(1):13-26.
[5] 顾 明,刘慈军,林志新,等.斜拉桥拉索的风(雨)振动及控制[J].上海力学,1998,19(4):281-287.
[6] Hikami Y,Shiraishi N.Rain-wind induced vibrations of cables in cable stayed bridges[J].J of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics,1988(29):409-418.
[7] 王修勇,陈政清,倪一清,等.斜拉桥拉索磁流变阻尼器减振技术研究[J].中国公路学报,2003,16(2):52-56.
