斜拉索风致振动控制研究

毕伟，时金碧，李静 （河北科技工程职业技术大学，河北 邢台 054000）

1 概况

随着斜拉桥跨度的不断增大，斜拉索长径比随之增大，斜拉索的刚度和阻尼也不断降低，导致斜拉索在风和雨的作用下容易发生大幅振动。斜拉索的大幅振动不仅会导致在索锚结合处出现裂纹，使拉索发生疲劳破坏，还会引发行人和车辆的舒适度问题。研究拉索的振动机理及其振动控制问题，具有十分重要的实际意义。

2 斜拉桥的风致振动

桥梁结构的风致振动主要有以下几类，分别是涡激振动、尾流驰振、风雨激振、裹冰拉索驰振和抖振等。

2.1 涡激振动

涡激振动是气流通过拉索后产生旋涡并脱落引起的，产生出对拉索的横向和顺风向的周期荷载。涡激振动介于桥梁结构的强迫振动和自激振动之间，当漩涡脱落频率与拉索的某阶固有频率接近时，会导致出现涡激共振现象，斜拉索越长，涡激振动出现的频率越高。涡激共振是一种限幅振动，不会引起结构的破坏，但是振动较严重时，会影响斜拉索的寿命。

2.2 尾流驰振

尾流驰振近距离并列索在大跨度斜拉桥中得到广泛应用。当气流流过近距离并列索时，上游的拉索尾流区内会在气流的作用下形成一个不稳定的驰振区，而位于下游的拉索在振动过程中受到上流索的尾流干扰出现尾流驰振现象，下游的斜拉索会比上游的斜拉索发生更大的风致振动。尾流驰振是发散性自激振动现象，单根拉索不存在发生尾流驰振的可能。当斜拉索的间距为2～5或10～20倍的斜拉索直径时，较易发生尾流驰振。

2.3 风雨激振

风雨激振是一定天气条件下，斜拉索在受到风和雨的共同作用下，发生的大幅度、低频率的振动现象。1984年日本学者Hikami在观察MeikoNishi桥时首次观测和提出，并在风洞中通过人工降雨试验重现了这一现象。迄今国内外学者在多座斜拉桥上观测到了斜拉索的风雨激振现象。

斜拉索振动中危害最大的就是风雨激振，超过九成的桥梁问题振动都是由风雨激振引起的，斜拉索风雨激振的振幅远大于其他风致振动的振幅。斜拉索风雨激振的影响因素有很多，如斜拉索的自身振动特性、质量、阻尼、降雨量、风速、风向和紊流度等。发生风雨激振时的风速一般在5m/s～20m/s范围内，风向与桥梁轴线的夹角一般在20°～60°范围内。雨水沿拉索表面流下的水线是拉索发生风雨激振的必要条件，水线在风的作用下使斜拉索的界面变成了一个气动不稳定结构，控制拉索风雨激振的措施主要是破坏拉索表面水线的形成。

2.4 裹冰拉索驰振

拉索表面结冰时，裹覆在拉索表面的冰会改变原有的拉索对称截面形状，这种非对称截面形状的拉索在风的作用下会引起不稳定的气动力，从而导致斜拉索出现发散型的拉索驰振。斜拉索的裹冰拉索驰振频振幅大，造成的危害比较严重。

2.5 抖振

斜拉桥是柔性结构，极易在阵风和湍流的作用下，发生振动现象。振幅视风速而定，一般风速越高，抖振现象也越明显，但其振幅有限。桥梁的过大抖振不仅会引发行人的舒适度问题，还会造成高速行车的安全性问题。在工程设计时，往往通过相应增大刚度和机械阻尼来减小抖振。

3 斜拉桥的风振控制

斜拉索振动控制措施可分为三种：空气动力学措施、辅助索方法和机械阻尼减振措施。

3.1 空气动力学减振措施

桥梁的风振响应主要取决于风与桥梁结构的相互作用，在风雨振动中，雨流起着重要作用，抑制雨流的产生将会对斜拉索的振动产生重要影响。拉索的空气动力学减振措施是通过改变斜拉索的截面形状，破坏斜拉索上水线的形成，以避免产生不稳定振动，从而起到减振作用。气动减振措施主要有以下几种形式。

①在斜拉索PE管表面沿轴向设置凹槽或平行凸起肋条。日本神户桥采取表面带凸出的斜拉索控制雨水沿斜拉索表面的周向振荡，防止拉索因雨水积聚改变外形。在设计时，要尽量使斜拉索美观，同时要防止在凸出（或凹槽处）出现可能的应力集中问题，也要防止出现其他气流不稳定的情况发生。

②在索表面压制不规则的凹孔。斜拉索表面的凹孔可以破坏水线和轴向流的形成，抑制拉索振动。日本的多多罗桥就采取这种表面有凹坑的斜拉索取得了良好的减振效果。

③在斜拉索表面沿轴向螺旋状加设带状结构或缠绕带状物。这种措施可以干扰或截断轴向水线的形成，减弱斜拉索风雨激振和轴向流激振。这是一种传统的减振措施，已经应用在中国南京长江二桥。

④圆形斜拉索设置为多边形截面的斜拉索。多边形的截面形状可以改变水线在拉索表面的位置，使水流分别沿着多边形的各个边角流动，防止水线出现在引起斜拉索不稳定振动的位置。多边形截面的斜拉索减振方案仍在研究当中。

空气动力学减振措施安装简单、安装过程中不需要附加其他设备，减振效果明显、费用较低、维修保养便宜。此方法已经在实际工程中得到广泛应用。

图1 表面缠绕带状物的拉索

图2 表面凹孔的拉索

3.2 辅助索减振措施

实际工程中常在斜拉索之间添加辅助索，辅助索采用高强度钢丝绳或钢丝索连接形成索网，将各主要拉索相互连接起来。一方面辅助索可为斜拉索提供中间支撑，提高了拉索体系的整体刚度，使索之间的运动受到制约而达到一定的减振效果。同时，辅助索的存在减小斜拉索的有效长度，增大了竖向振动模态的固有频率，进而降低了斜拉索发生内部共振的可能性。另一方面安装辅助索可以增加拉索的机械阻尼和气动阻尼。因此，辅助索减振措施已经成为大跨度斜拉桥超长拉索减振措施的重要选择。

但是，设置辅助索这一结构控制措施会破坏了原有斜拉索系统独有的美观效果，安装费用相对较高。同时，设计不当的辅助索会导致主索和辅助索之间的连接扣受力较大，容易产生疲劳破坏，影响桥梁的结构安全。目前国内外已有很多斜拉桥采用辅助索减振措施，例如法国的诺曼底桥、丹麦的法岛桥、日本的明港西大桥和岩黑岛桥等。

图3 法国诺曼底大桥辅助索减振措施

3.3 机械阻尼减振措施

机械阻尼器是一种附加拉索阻尼器来提高拉索阻尼、降低振幅方法，具有经济、简单和有效等优点，在实际的工程中得到了广泛应用。根据阻尼器材质的不同，比较常见的有高阻尼橡胶阻尼器、油阻尼器、粘滞剪切阻尼器、磁流变阻尼器和摩擦阻尼器等。

①橡胶阻尼器的原理是附加在斜拉索上的阻尼器在振动过程中，加在中间的高阻橡胶层受剪产生变形，并在不断的往复运动中消耗能量，具有较好的美观效果。橡胶阻尼器能够提供的模态阻尼不大，只能起到有限的减振作用。对于振幅较大的拉索振动，橡胶阻尼器的结构阻尼最大比较其他阻尼器要小得多。

②粘滞阻尼器利用粘滞材料的剪切变形来控制斜拉索的振动，可以限制两个方向的振动，通过调整粘滞阻尼系数，控制各频率的阻尼率。粘滞阻尼器的构造简单，安装调节比较容易。其减振效果不仅与粘性材料有关，还严重依赖于外界环境和振动频率。

③油阻尼器一般安装在索的根部和桥面之间，通过在小孔加油产生，阻尼系数不受温度干扰，具有良好的减振效果。但是油阻尼器的介质为液体，容易出现渗油和漏油的现象，调节安装比较麻烦，维修费用比较昂贵，推广起来比较困难。

图4 桥梁的粘滞阻尼器

④磁流变阻尼器通过调整阻尼器上的电压来改变其内置磁场强度，进而改变阻尼器的阻尼特性，具有体积小、反应快等优点。磁流变阻尼器被认为是最有前途的新型阻尼器，已经应用在岳阳洞庭湖大桥。

主动控制方法及半主动控制法主要是用模态控制法控制拉索的刚度来实现减振效果。通常在索端加装激振器，通过改变索的张紧程度、控制索张力，从而改变拉索的固有频率和阵型等，以期达到良好的减振效果。但是该方法存在设备昂贵、技术复杂和可靠性不高等问题。

4 结论

随着斜拉桥跨度的不断增大，斜拉索在风雨荷载的激励下容易发生各种振动。本文阐述了斜拉索的风致振动及振动的特点、机理和发生条件，还介绍了风振控制措施及其各自具有的优缺点和使用范围。综合考虑，附加阻尼器具有经济、简单等优点，得到了广泛的应用。在今后的工程研究中，抑制斜拉索过大的横向振动仍是设计和施工亟待解决的难题。