陳兵　祝金偉

【摘 要】隨著斜拉橋跨徑的不斷增長，拉索振動(dòng)問題愈發(fā)突出。本文總結(jié)了拉索不同振動(dòng)形式的各自特點(diǎn)，并對工程上常用的拉索抑制措施的應(yīng)用范圍和有效性進(jìn)行了介紹。

【關(guān)鍵詞】斜拉橋；拉索；振動(dòng)；振動(dòng)抑制措施

Cable vibration and Vibration-suppression-measures

CHEN Bing，ZHU Jin-wei

（State Key Laboratory for Disaster Reduction in Civil Engineering， Tongji University， Shanghai 200092，China）

【Abstract】With the increase of the span of cable-stayed bridge， the issue of vibration of cables is becoming further serious. In this paper， the characteristics of different vibration forms of cables are summarized， and the application scope and effectiveness of the cable vibration-suppression-measures are introduced.

【Key words】Cable-stayed Bridge；Cable；Vibration；Vibration-suppression-measures

0 前言

斜拉橋拉索具有質(zhì)量小、柔度大、阻尼低等特點(diǎn)，容易受外荷載激勵(lì)（如風(fēng)荷載、車輛荷載等）發(fā)生振動(dòng)。由于導(dǎo)致拉索發(fā)生振動(dòng)的原因很多，而不同的起振機(jī)理會(huì)導(dǎo)致不同的拉索振動(dòng)形式，因此了解拉索不同振動(dòng)形式各自的特點(diǎn)非常重要。同時(shí)，由于拉索振動(dòng)的危害較大，在工程上常采取各類振動(dòng)抑制措施對其進(jìn)行合理控制。

1 拉索不同振動(dòng)形式的特點(diǎn)

由于影響拉索振動(dòng)的因素眾多，很多學(xué)者都試圖從振動(dòng)機(jī)理和激勵(lì)源出發(fā)對拉索振動(dòng)進(jìn)行分類。吳海勇[1]按照振動(dòng)激勵(lì)源的不同將拉索振動(dòng)分為兩大類：由風(fēng)的作用引起的拉索振動(dòng)、由橋面或橋塔運(yùn)動(dòng)引起的拉索振動(dòng)。徐明驍[2]則認(rèn)為拉索的振動(dòng)主要分為風(fēng)雨激振、風(fēng)致振動(dòng)、索端部激勵(lì)引起的振動(dòng)。本文參考前人的研究，根據(jù)不同的拉索起振機(jī)理，考慮實(shí)際發(fā)生的拉索振動(dòng)現(xiàn)象，對拉索振動(dòng)進(jìn)行了細(xì)致的分類，如圖1所示。

渦振（vortex shedding）是由于風(fēng)的旋渦在拉索表面脫落而引起的拉索振動(dòng)。其在發(fā)展初期表現(xiàn)為強(qiáng)迫振動(dòng)，但隨著振幅的增加，拉索運(yùn)動(dòng)對旋渦脫落和渦激力產(chǎn)生反饋影響，使其具有部分的自激特性。據(jù)相關(guān)研究及現(xiàn)場實(shí)測，拉索渦振一般以高階振動(dòng)模態(tài)出現(xiàn)，發(fā)生的風(fēng)速范圍很廣，振動(dòng)幅值不大，通常情況下不會(huì)對斜拉橋造成大的損害。

馳振（galloping）是一種具有自激特征的單自由度振動(dòng)形式，可以分為尾流馳振和橫流馳振。尾流馳振指拉索受前方結(jié)構(gòu)物波動(dòng)尾流的激發(fā)而引起的振動(dòng)，橫流馳振則是由于升力曲線的負(fù)斜率所引起的發(fā)散性振動(dòng)。馳振具有發(fā)散性，是各類拉索風(fēng)致振動(dòng)中最為危險(xiǎn)的振動(dòng)形式，在工程上有必要對其采取針對性的抑振措施。

抖振（buffeting）是由自然風(fēng)中的紊流成分引起的順風(fēng)向響應(yīng)。拉索的抖振是一種限幅的強(qiáng)迫振動(dòng)，具有發(fā)生風(fēng)速低、頻率大[3]等特征，容易造成拉索連接處的疲勞破壞。

拉索風(fēng)雨激振（wind-rain-induced-vibration）是在風(fēng)和雨的聯(lián)合作用下拉索發(fā)生的大幅振動(dòng)形式。風(fēng)雨激振發(fā)生時(shí)，雨水會(huì)在拉索表面形成穩(wěn)定的水線，沿傾斜的拉索向下流動(dòng)。1986年，日本學(xué)者在Meiko-Nishi[4]大橋上首次觀察到這一發(fā)生在風(fēng)雨天氣的拉索大幅振動(dòng)現(xiàn)象，并將其命名為風(fēng)雨激振，迄今國內(nèi)外多座大跨度斜拉橋的拉索均發(fā)生過這種振動(dòng)形式。

索端位移激勵(lì)振動(dòng)。由于拉索兩端連接著主梁和橋塔，因此主梁和橋塔的自身振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致拉索兩端相對位移的變化，從而激發(fā)拉索振動(dòng)。

2 拉索振動(dòng)抑制措施

為保證橋梁結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性，在工程上需要對拉索采取振動(dòng)抑制措施，以控制拉索發(fā)生振動(dòng)時(shí)的振幅。目前，常用的拉索振動(dòng)抑制措施主要可分為三種[5]：結(jié)構(gòu)控制措施、機(jī)械控制措施和空氣動(dòng)力學(xué)控制措施。

2.1 結(jié)構(gòu)控制措施

最常用的結(jié)構(gòu)控制措施是采用輔助索。通過將獨(dú)立的拉索聯(lián)結(jié)、組成拉索網(wǎng)體系，可以使拉索之間產(chǎn)生耦合作用，形成相互干擾；同時(shí)輔助索減少了單根拉索的自由長度，從而提高了拉索的固有頻率；另外輔助索可以使能量在不同拉索之間傳遞，從而達(dá)到抑制拉索振動(dòng)的目的。

工程經(jīng)驗(yàn)表明，輔助索能有效減少拉索風(fēng)雨激振的振幅，但其難以抑制拉索的高階振動(dòng)，對于抑制渦激振動(dòng)的效果也不是很明顯。同時(shí)，輔助索的疲勞問題比較突出，例如美國Texas橋的輔助索[6]在使用一年之后就出現(xiàn)了嚴(yán)重的疲勞破壞。

2.2 機(jī)械控制措施

機(jī)械控制措施指在拉索外部增加阻尼器來提高結(jié)構(gòu)阻尼。阻尼器按照工作方式分為有被動(dòng)式、半主動(dòng)式和主動(dòng)式三種。被動(dòng)式是最常規(guī)和傳統(tǒng)的形式，即簡單的在拉索的適當(dāng)部位安裝固定工作參數(shù)的阻尼器；主動(dòng)、半主動(dòng)式是指阻尼器的工作參數(shù)并不固定，能隨振動(dòng)形式的不同而變化。被動(dòng)式阻尼器對拉索的小幅高頻振動(dòng)有良好的抑制作用，包括拉索的渦振、抖振、參數(shù)振動(dòng)。但其對于拉索風(fēng)雨激振、馳振等大幅低頻振動(dòng)作用不大，并且隨著拉索長度的增加，被動(dòng)式阻尼器的相對效率也隨之下降。

目前關(guān)于阻尼器的研究主要集中在主動(dòng)、半主動(dòng)式阻尼器對拉索風(fēng)雨激振、馳振的抑制效果方面。陳政清[7]在岳陽洞庭湖大橋上進(jìn)行了磁流變阻尼器試驗(yàn)，經(jīng)過三年的使用，證明它能可靠有效地抑制拉索的風(fēng)雨振動(dòng)。

2.3 空氣動(dòng)力學(xué)控制措施

空氣動(dòng)力學(xué)措施指對拉索表面進(jìn)行處理（粗糙度改變、截面外形改變），從而改善拉索的風(fēng)振性能，其主要原理是通過改變拉索周圍流場特性或破壞斜拉索表面水線的形成來達(dá)到對拉索風(fēng)雨激振及風(fēng)振的抑振作用。

多年的工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)表明，空氣動(dòng)力學(xué)控制措施對拉索風(fēng)振、風(fēng)雨激振的抑制效果非常好，且其具有費(fèi)用低、幾乎不需維護(hù)的優(yōu)點(diǎn)。目前主要的運(yùn)用形式有在拉索表面設(shè)置縱向肋條（或開凹槽）、在拉索表面壓制凹坑、表面設(shè)置橢圓環(huán)、在拉索表面安裝鰭、在拉索表面纏繞螺旋線或間隔纏繞帶狀物等。

目前，學(xué)者們對空氣動(dòng)力學(xué)控制措施的研究主要集中在對抑振機(jī)理的探究以及新的氣動(dòng)外形的嘗試。李文勃、林志興[8]認(rèn)為在拉索表明增加了氣動(dòng)措施，其作用類似于安裝阻尼器來增加拉索的機(jī)械阻尼比。Matsumoto[9]研究了表面帶凸出的拉索，認(rèn)為這種（下轉(zhuǎn)第145頁）（上接第140頁）拉索能控制雨水沿拉索表面的振蕩。

2.4 抑振措施的合理選用

應(yīng)該知道，以上三種不同的抑振措施都有其各自的特點(diǎn)及適用范圍，在具體應(yīng)用的過程中應(yīng)該進(jìn)行綜合考慮比選。比如采用某些氣動(dòng)外形能有效抑制拉索風(fēng)雨激振，但其可能會(huì)形成馳振不穩(wěn)定斷面；輔助索措施在抑制拉索低頻、高幅值振動(dòng)的同時(shí)，也有加劇尾流渦振的可能性；阻尼器形式的選擇更是應(yīng)該具有針對性，需要結(jié)合拉索發(fā)生各類振動(dòng)的可能性進(jìn)行設(shè)計(jì)。

總而言之，拉索抑制措施的采用必須同時(shí)兼顧拉索的各種振動(dòng)形式，只有能同時(shí)將各種振動(dòng)降低到最小或者消除的振動(dòng)控制措施才是最優(yōu)的減振措施。因此尋求最優(yōu)的拉索減振措施是風(fēng)工程研究者和橋梁工作者的共同難題，也是大跨斜拉橋發(fā)展必須解決的問題。

3 結(jié)束語

總之，拉索振動(dòng)具有形式多樣、影響因素眾多、破壞性強(qiáng)等特征，在振動(dòng)機(jī)理上的研究需要進(jìn)一步的深入。另外，由于拉索振動(dòng)無法避免，在工程實(shí)踐中更多的關(guān)心其振動(dòng)抑制問題，對不同抑制措施的有效性進(jìn)行深入探討也非常重要。

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[責(zé)任編輯：朱麗娜]