39-小议斜拉索风致振动以及减振措施

79 小议斜拉索风致振动以及减振措施 何训华 1 高 飞2 1 西南交大土木设计有限公司广州根公司 广州 510610 2 南昌市公路勘察设计院 南昌 330077 摘 要 本文介绍了斜拉索风致振动的基本原因和类型 部分减振原理和特点 关键词 桥梁工程 风振控制 涡激共振 抖振 参数振动 弛振 尾流弛振 风 雨振 0 前 言 随着现代桥跨结构朝着高大 轻柔 低阻尼趋 势发展 发展超长 大跨径柔性桥梁是国际上的一 种趋势 因此国内外近几年修建的斜拉桥跨度日渐 增大 拉索也日渐长大 密索体系斜拉桥已经成为 倾向 众所周知 拉索是斜拉桥的极其重要组成部 分 桥跨结构的恒载与活载大部分通过拉索传递到 塔柱 但是由于拉索质量小 柔度大 自身阻尼小 在风的激励下会发生多种类型的强烈振动 从而影 响到桥跨结构的安全 因此如何将拉索的风振控制 在安全范围受到桥梁结构工程师们的广泛关注 1 斜拉索振动的基本原因以及类型 由于斜拉索的结构阻尼很小 而结构阻尼对气 动力稳定性至关重要 所以拉索本身就难以稳定 在不同的外因条件下拉索将发生不同频率和振幅的 索振 而且发振频度和振幅随着外因的改变而 变化 虽然引起拉索振动的原因很多 但其主要原 因是风 即索振基本为风激振动 从斜拉索的振动类型来看一般有以下几种 1 1 经典涡激共振 Vortex induced resonance 当稳定的层流风吹过拉索时气流绕过断面分离 而产生周期性交替的漩涡脱落从而形成涡漩尾迹 又称卡门涡街 由于涡脱频率是和风速成正比 当其频率与拉索的自振频率一致时 将发生涡激共 振 涡激共振是斜拉索最为常见的一种低风速下的 风致振动 属于低风速下的强迫振动 对结构来说 一般发生在 Vcr 3m s 10m s 范围内 即 3 5 级 蒲福风力 但是涡激能量输入有限 不会产生大 幅度的拉索振动 Amax 0 5D 值得注意的是 涡 振发振频度很高 易造成拉索的疲劳损伤 1 2 抖振 Buffeting 由于自然风的阵风脉动和紊流引起拉索的强迫 振动 但抖振的振幅一般比较小 值得指出的是抖 振具有多种形式的尾流效应 典型的是并列索的尾 流抖振 由于背风侧索处在迎风侧索的尾流中并且 受到迎风侧索产生的尾流涡旋的激励 而背风侧索 的振动又干扰迎风侧索周围的气流并与背风侧索一 起都发生振动 其特点是随着不同的风速以及不同 的水平偏角 可以产生不同模态组合的拍频振动 这种相互作用随着两根索间距的增大而减小直至消 失 高频的尾流抖振也会影响拉索锚固端的疲劳 1 3 参数振动 Parametric resonance 当桥面和塔受到活载 风荷载而引起振动时会 使得两端与之相连的拉索 以同样的频率随之纵向 振动 当拉索横向自振频率fc正好 等于fb 2或 fr 2时 其中fb为桥面竖向弯曲自振频率而fr为 桥面扭转自振频率 拉索就会产生横向振动 即 共振作用使结构的振动在索中放大 但一般振幅较 小 实际桥梁中发生拉索参数共振的情况较少 1 4 驰振与尾流驰振 Galloping Wake galloping 索的外形也会使索产生大振幅的驰振而最终导 致气动力失稳 当索的截面形状发生圆形异化 如 六边形索 或积雪 时会产生横风向的大幅度自激 振动 当 2 根或多根拉索并列布置时 由于迎风面 索的紊流尾流区内存在一个不稳定驰振区 如果背 风面索正好处在这不稳定区内 就会导致背风面索 发生椭圆形轨迹的振幅不断加大的低频振动既然尾 流驰振 尾流驰振的发振风向大致与桥轴线的水平夹角 为 70 80 即背风侧索正好处在不稳定的驰 振区 尾流驰振的发振风速视索长 索力而定 一般为 Vcr 25fnD 50fnD 对短索而言 迎风侧索 大体上不动 对长索的迎风侧索也会因背风侧索的 尾流驰振提供部分能量而产生小幅振动 且在索平 面内两索振动的相位正好相反 尾流驰振的特点是 既有索平面内又有索平面外的大幅度振动 严重的 还会造成拉索互相碰打 1 5 风 雨振 Rain wind induced 79 vibration 这是近几年研究发现的在风和雨共同作用引起 的一种拉索强烈的振动 特别是由于顺风向向下倾 斜索的尾部产生轴向风时发生在有一定水平偏角 25 40 的风及一定雨量 10 20mm h 的塔 后索 频率小于 3Hz 而双振幅可达 1 5m 对索的 危害极大 武汉长江二桥 铜陵长江大桥等都发生 过较长的尾索在风雨共同作用下拉索大幅振动造成 索与索之间相互碰撞的现象 到目前为止 人们对风雨振认识有以下几点 1 风雨振一般在雨量 10 mm h 20mm h 风速在 7m s 16m s 之间 水平偏角 25 40 左 右较易发生 振动频率一般在在 1Hz 3Hz 常常多 根拉索同时发振 其中又以长索振动可能性最大 2 上水线的形成与圆周运动导致拉索气动力 性能的改变以及 2 次轴向流对旋涡脱落和尾流区流 场干扰导致的压力变化也是引起的风雨振的主要原 因 3 拉索的表面材料性质 如斥水性 粗糙度 等直接影响水线的形成和运动 也是引起拉索风雨 振的原因之一 4 湍流度和雨的强度也对振动有影响 上水 路及其沿圆周向的振荡以及拉索尾流的 2 次轴向流 是拉索雨振的 2 大重要诱因 此外还有紊流度 拉 索表面特征和降雨量的影响等 但是迄今为止 对于这种破坏性强的拉索的风 雨振 其机理目前尚未有非常明确的结论 研究仍 停留在风洞实验阶段 更谈不上合理的分析方法 2 抑振措施的分析 目前 拉索的减振措施主要有两大类 一类是 空气动力学措施 另一类是机械措施 前者主要靠 改变拉索的截面形状 使其空气动力性能得到改善 后者则通过安装各种阻尼减振器或者增加拉索刚度 提高固有频率来抑制振动响应 两类方法各有所长 基于现实条件的限制 后者使用比较广泛 2 1 空气动力学措施 拉索的气动力减振措施是一种特定用于抑制拉 索雨振的 90 年代初提出的新课题 目的是为了限 制 抑或瓦解水路以及破坏气动力的相关性 即将 拉索的 PE 管外表面做成某种断面形状 日本东神 户大桥在拉索 PE 管表面开设了轴向凹槽 法国诺 曼底大桥拉索表面采用了双螺旋线 日本多多罗大 桥的拉索 PE 管表面设置了四周微凸而中间凹陷的 麻麻坑 等 尽管气动力学措施具有维修保养简便 费用较 低等优点 但是各种方案的开发和构造细节都需要 实验验证其减振效果 且要注意不能增加拉索断面 的阻力系数 并且避免其它的不稳定振动 目前还 无法用计算流体力学来分析 因此对气动力减振措 施的作用机理也就无法进行理论分析 2 2 机械措施 2 2 1 二阶索方法 具体方法是用 15mm 30mm 的不锈钢丝将各主要拉索相互连接 以提高拉索体 系的整体刚度 增加拉索的模态质量和阻尼 使拉 索振动时产生各模态间的相互耦合 尽管二阶索的 减振原理十分浅显 实践中也掌握了一些经验 如 间距一般为 50m 位置应设在振型腹点且与之正交 等 然而在实际工程中的应用并不是很普遍 再加 上都是高空作业 其予紧力也难以掌握 因此二阶 索拉断 索夹断裂时有发生 再说二阶索并不能完 全消除并列索与空间索的面外振动 我国的武汉长江二桥就是采用二阶索索夹作为 减振措施 然而在实际工程中的应用并不是很普遍 往往作为临时减振措施采用 而且对于长大斜拉桥 往往需要多道二阶索 而常常被贬之为 蜘蛛网 那样损害了桥梁的景观 所以往往不能被桥梁设计 师所接受 2 2 2 阻尼橡胶减振圈 利用橡胶和拉索之间作用 力传递 使橡胶圈变形产生粘滞阻尼耗能 是中国 斜拉桥应用较广的一种减振措施 由于阻尼橡胶减 振圈 简称减振圈 可以布置在拉索的导筒内 不 为行人所见 因此具有较好的景观效果 橡胶圈结 构简单而且易于安装 但橡胶圈提供的阻尼由于太 接近锚固端而十分有限 只能对短索产生一些减振 效果 但是如果施工过程中拉索较大地偏离导筒中 心时 往往运行不到一年就产生橡胶圈开裂破碎 2 2 3 油压阻尼器 油压阻尼器最早用于汽车减振 上 欧美国家逐渐应用油压阻尼器作为拉索减振措 施 我国的南京长江二桥就是采用同济大学开发的 油压阻尼器 并确取得拉一定的减振效果 但是油 压阻尼器只能提供单向阻尼力 如果用油压阻尼器 同时抑制拉索的面内和面外振动 则每根拉索需要 装上 2 个并成正交布置 而且油压阻尼器安装精度 严 作为阻尼介质的硅油温度效应明显 由于频繁 动作 容易发生漏油和渗油现象 因此维修费用相 对较高 79 同时油压阻尼器油压油压阻尼器对小振幅振动 不敏感 而长拉索由于存在 模态跃迁 其平面内 一阶正对称振动在靠近锚固端处振动幅度将变得很 小 从而使油压阻尼器平面内一阶模态的实际测得 的阻尼值比设计阻尼值低得多 2 2 4 粘性剪切型阻尼器 粘性剪切型阻尼器 VSD 是近几年出现的一种新型减振装置 其特 点是利用阻尼器中切片的运动使粘性体产生剪切变 形从而将振动能量传递给粘性体再转变成热能耗散 国内应用粘性剪切型阻尼器的桥有汕头 石大桥 湖口大桥 白沙洲大桥 军山大桥 鄂黄长江大桥 荆州长江大桥等 现将鄂黄长江大桥 荆州长江大桥两座大桥的 粘性剪切型阻尼器的应用情况介绍如下 鄂黄长江大桥是北京至广州 106 国道跨越长江 连接鄂城 黄冈两座中等城市的特大桥梁 是湖北 省交通重点工程项目 鄂黄大桥全长 3245m 其中 主桥长 1290m 为五跨连续双塔双索面预应力混凝 土斜拉桥 主塔高 172 3m 在主桥的施工过程中拉 索长期处于抖振的状态下 并且时常伴随着适当的 风雨条件发生大振幅的风雨振 荆州长江公路大桥位于湖北省荆州市 是 207 国道跨长江的一座特大型桥梁 大桥北岸为荆州市 区 南岸为公安县埠河镇 全桥共由九个桥段组成 自北向南依次为北岸引桥 跨荆江大堤桥 北岸滩 桥 北汊通航孔桥 三八洲桥 南汊通航孔桥 南 岸滩桥 跨荆南干堤桥 南岸引桥 桥梁全长为 4177 60m 其中北汊通航孔桥为 200 500 200 m PC 斜拉桥 南汊通航孔桥 160 300 97 m PC 斜拉桥 同样该桥在施工过程 中拉索时常发生大振幅的风雨振以及抖振 根据有关专家考察意见 于 2002 年 4 月 2002 年 8 月在鄂黄长江公路大桥 2002 年 6 月 2002 年 9 月在荆州长江公路大桥上安装粘性剪切型阻尼器 作为斜拉索的永久抑振措施 为了确认斜拉索粘性剪切型阻尼器的实际减振 效果 在选取对桥控制的有代表性的最不利索后 进行了拉索在有 HCA 减振器和无 HCA 减振器两种不 同工况下的自然风响应功率谱和时程观测 以及人 工激振后的自由衰减观测 结果表明 鄂黄长江大 桥斜拉索在没有安装减振器之前的对数衰减率在 0 002 0 006 之间 安装 HCA 减振器之后除个别索 的对数衰减率在 0 035 0 05 之间 其余索的对数 衰减率均在 0 05 以上 即提高了 5 10 倍以上 风 响应位移有效值在微风环境下减小 1 8 7 5 倍 风 力较大时可达 16 倍左右 加速度有效值在微风环 境下减小 4 8 22 倍 风力较大时可达近 120 倍 荆州大桥斜拉索没有安装减振器之前的对数衰减率 在 0 004 0 006 之间 装了 HCA 阻尼器后其对数 衰减率可达 0 034 0 08 即提高约 8 12 倍以上 风响应位移功率谱有效值在微风环境下减小 1 3 3 7 倍 风响应速度功率谱有效值在微风环境下减小 1 2 6 6 倍 风响应位移时程曲线峰 峰值减小 1 4 3 3 倍 风响应速度时程曲线峰 峰值减小 1 2 17 5 倍 达到预期的减振效果 表 1 鄂黄长江公路大桥部分拉索减振效果对比 风响应时程曲线峰 峰值风响应功率谱 有效值位移 mmp p 索 号 工况 加速度 mgrms 位移 mmrms 加速度 mgp p 通频 对数衰 减率 有 HCA3 4642 60314 641 700 0635 A29 无 HCA359 59575 4177826 880 0028 有 HCA2 3272 5568 5941 2760 0982 A26 无 HCA14 4185 74787 653 6230 0019 有 HCA3 1052 93118 171 550 0952 A27 无 HCA57 27613 3703926 240 006 表 2 荆州长江公路大桥部分拉索减振效果对比 32 号塔 风响应时程曲线峰 峰值 风响应功率谱有效 值 位移 mmp p 索 号 工 况 加速度 mgrms 位移 mmrms 加速度 mgp p 通频基频 对数衰 减率 有 HCA5 9401 1689 6191 770 0362 S59 无 HCA21 0604 011168 45 0950 0042 有 HCA6 3602 79534 0833 0270 0397 S57 无 HCA33 985 342118 477 9600 0046 有 HCA8 16242 86023 9753 6800 0342 S54