大跨斜拉桥拉索的几(雨)激振和抑制方法.pdfVIP

面向2l世纪的中国振动工程研究 北京：航空工业出版社1999． 59．65 U44即7 u4牛；，‘ 大跨斜拉桥拉索的风(雨)激振及抑制方法+ 顾 明 (同济大学土术工程防灾国家重点实验室、桥梁工程系上海，2000蛇) 摘要散十年来，国内外建造了大量的斜拉桥。随着跨度的增大，斜拉桥拉索的风致振动及风 雨澈振问题越来越突出。本文总结了国际上的有关研究．特别是拉索风雨激振及控制研究的成 果，指出了这一领域中有重要意义的研究方向。 关t词：斜拉桥；拉索；风致振动；风雨激振；控制 引 言 新技术、新材料的应用，使得作为20世纪桥梁工程的主要标志的大跨度斜拉桥得到了 很大发展，最大跨度已达856米。下一世纪在全球范围内将大量建造跨海工程。这一趋势 必然对大跨桥梁的建设提出更高的要求。 风致振动是大跨桥梁设计中最主要的问题。自1940年美国Taeozna峡谷大桥风毁以 后，众多的研究人员对大跨桥梁的风振性能进行了数十年的研究。取得了一系列的成果，其 中以R．H．Scanlan和A．G．Davenport的成果最具代表性【loJ。这些成果对本世纪太跨桥梁 的建设起到了巨大的推动作用。 斜拉桥跨度的增大使得拉索的风致振动，特别是风雨激振成为严重问题。日本Hikami 国的布鲁东桥、泰国的llamaⅨ桥、日本的名港西大桥报道的拉索振幅甚至大到相邻拉索发 生碰撞的程度【6J。国内杨浦大桥尾索在风雨共同作用下也曾发生强烈振动，其最大振幅峰 值超过2m。世界上对斜拉桥拉索风振的危害还有许多报道【7J。 斜拉桥振动引起索的疲劳，在索锚接合处产生疲劳裂纹，破坏索的防腐蚀系统。严重的 还会造成索失效。索的振动还会引起行人的不舒适和对桥的安全性产生怀疑。据文献报 道【gJ，德国已有多座斜拉桥因为拉索振动引起部分钢丝疲劳损坏，不得不更换拉索。如 现有500根以上的钢丝损坏，1979年发现有3根索完全损坏。上述两座桥都已更换了全部 拉索。 由于拉索风振，尤其是风雨激振的复杂性，虽然也做了很多研究工作，但尚不深入，许多 *国家自然科学基金重大项目和国家杰出青年科学基金项目联合资助 一59— 机理还不清楚，因而还不能给出有效的分析方法。本文试图将目前国外的研究成果作一归 纳、总结，在此基础上讨论进一步的研究方向，推动国内的有关研究。 1拉索的风致振动 斜拉桥拉索的风致振动现象早巳被观察到【…。经过多年研究，目前其机理已基本清楚 并据此提出了相应的分析方法。 1．1 Kannan涡激共振 拉索横断面一般为圆形。当风流经索时，在其横断面尾流中将出现交替脱落的旋涡，此 即著名的Karman涡街。当旋转脱落的频率和拉索的固有频率相等时，拉索便发生横风向共 振，这就是Karman涡激振动。 大幅振动应以基频或低频出现，而根据对实际拉索频率和斯特罗哈数的分析，拉索的低频涡 激振动的临界风速一般仅为0．5～2m／s。如此低的风速所产生的涡激力将难以提供激起拉 索的低频大振幅振动的能量。斜拉桥拉索的涡激振动一般均以高阶振型出现，振幅较小。 1．2参数共振 斜拉桥拉索的上下端分别与桥塔及桥面相连。当桥梁在风的作用下以频率五发生抖 振时，索的张力亦以^的频率周期变化。这一变化的张力将会引发拉索以正=fb／2的频率 横向振动。此即拉索的参数共振。K0vms于1982年首次用参数共振来说明了拉索的风振 机理…。 描述拉索参数共振的等效负阻尼(对数衰减率)由下式给出_ll_ 。互f丝＼ o 2—2＼snJ 式中，△s一为索力增量的峰值；So为拉索初张力。当上式给出的负阻尼足以克服拉索的初 始阻尼，且^=骐时，拉索将发生不稳定振动。然而，由于△s一相对so很小，频率匹配的 约束以及拉索的阻尼，实际桥梁中的拉索发生参数共振的情况较少。 1．3尾流驰振 当两索沿风向斜列时，来流方向的下游拉索发生比上游拉索更强烈的一种风致振动。 上游拉索的尾流区中存在一个不稳定驰振区。如果下游拉索正好位于这一不稳定区中，且 在一定的风速条件下，其振幅就会不断加大，直至达到一个稳态大振幅的极限环。 尾流驰振分