陳政清 李壽英 鄧羊晨 王園園 安苗 楊超

摘 要：隨著橋梁跨徑的增大，橋梁索結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)細(xì)比越來越大、頻率越來越低，出現(xiàn)了一些 新的風(fēng)致振動(dòng)問題，如懸索橋吊索風(fēng)致振動(dòng)、斜拉索高階渦激共振、安裝亮化燈具的橋梁索結(jié)構(gòu)馳振等.針對(duì)這些新挑戰(zhàn)，采用現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)、風(fēng)洞試驗(yàn)和理論分析等手段，研究人員進(jìn)行了系統(tǒng)的機(jī)理研究，并提出了一些有效的振動(dòng)控制措施.結(jié)果表明：懸索橋吊索風(fēng)致振動(dòng)的機(jī)理復(fù)雜，在斜拉索上積累的振動(dòng)控制經(jīng)驗(yàn)難以直接應(yīng)用，安裝剛性分隔架是抑制索股相對(duì)振動(dòng)的有效手段;已在多座大跨徑斜拉橋上觀測(cè)到斜拉索高階渦激共振，增加了斜拉索振動(dòng)控制的難度，采用雙阻尼器是可同時(shí)控制斜拉索高階渦激共振和低階風(fēng)雨激振的有效方案;在橋梁索結(jié)構(gòu)上安裝亮化燈具極易引發(fā)馳振，增加阻尼器和優(yōu)化燈具氣動(dòng)外形是避免該類振動(dòng)的有效措施.

關(guān)鍵詞：大跨徑橋梁;斜拉索;吊索;尾流致振;高階渦激共振;馳振;亮化燈具中圖分類號(hào)：TU411.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Recent Challenges and Advances on Study of

Wind-induced Vibrations of Bridge Cables

CHEN Zhengqing1，2，LI Shouying1，2?，DENG Yangchen1，2，WANG Yuanyuan1，2，AN Miao1，2，YANG Chao1，2

（1.College of Civil Engineering，Hunan University，Changsha 410082，China;

2.Key Laboratory for Wind and Bridge Engineering of Hunan Province（Hunan University），Changsha 410082，China）

Abstract：With the increase of bridge main span，the slenderness ratio of the cables is getting larger and the fre-quency is getting lower and lower.Several new types of wind-induced vibrations，including wind-induced vibration of the hangers of suspension bridges，high-order vortex-induced vibration of stay cables，and galloping vibration of bridge cables attached with lighting lamps，were observed on real bridges.Due to these new challenge，the mecha-nisms and the corresponding countermeasures were carefully studied by using field observations，wind tunnel tests and theoretical analyses.The results show that the mechanism of the wind-induced vibration of the hangers of sus-pension bridges is complex and the effective measures on stay cables of cable-stayed bridges are not suitable for miti-gating the wind-induced vibration of the hangers.It seems that rigid spacers are an effective measure to reduce the relative vibration between the cables of the hanger.Large amplitude of vortex-induced vibration of stay cables is ob-served on several long-span cable-stayed bridges，which increase the difficulty of vibration control.It appears thatinstalling two dampers at the end of the cable is an effective way to simultaneously reduce both the high-order vortex-induced vibration and the low-order rain-wind-induced vibration of stay cables.Galloping vibration can be easily evoked by installing lighting lamps on stay cables.This kind of cable vibration can be effectively mitigated by in-creasing structural damping and changing the aerodynamic configuration of the lamps.

Key words：long-span bridges;stay cables;hangers;wake-induced vibration;high-order vortex-induced reso-nance vibration;galloping vibration;lighting lamps

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對(duì)交通工程的需求日益增長(zhǎng).自20世紀(jì)90年代開始，我國(guó)建造了數(shù)量眾多的大跨徑橋梁，目前正在規(guī)劃或設(shè)計(jì)的懸索橋中，有多座主跨超過2000m，斜拉橋主跨也將超過1100m.超大跨徑橋梁多采用纜索承重方式，充分利用索結(jié)構(gòu)的抗拉性能.橋梁索結(jié)構(gòu)主要包括斜拉橋的拉索、懸索橋的主纜和吊桿，以及中下承式拱橋的吊桿等.這類結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)細(xì)比大、頻率低、阻尼小，極易在風(fēng)或車輛荷載等作用下發(fā)生大幅振動(dòng)，如風(fēng)雨激振[1-4]和渦激共振[5-6]等.對(duì)橋梁索結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)設(shè)計(jì)是大跨 徑纜索承重橋梁設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容之一.近 40年來，風(fēng)雨激振是對(duì)橋梁索結(jié)構(gòu)危害最大的一種振動(dòng)，人們花費(fèi)了大量精力對(duì)其機(jī)理及抑振措施進(jìn)行研究，目前已具備成套的有效減振技術(shù)[7-8].

但是，隨著橋梁跨徑的進(jìn)一步增大，索結(jié)構(gòu)也越 來越長(zhǎng)，最長(zhǎng)的斜拉索和吊桿已分別接近600m和200m，一些新的風(fēng)致振動(dòng)問題相繼在實(shí)際橋梁中出 現(xiàn)，主要表現(xiàn)在3個(gè)方面：1）世界上最大跨徑的幾座 懸索橋的吊索相繼發(fā)生大幅風(fēng)致振動(dòng)，且其振動(dòng)機(jī)理不明確，經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間嘗試才能確定有效減振措施;2）近年來在多座大跨徑斜拉橋的拉索上觀測(cè)到了振 幅明顯的高階渦激共振，在蘇通長(zhǎng)江大橋上還造成了護(hù)筒的破壞，斜拉索高階渦激共振的出現(xiàn)增加了其振動(dòng)控制的難度;3）近期出現(xiàn)了多起在橋梁索結(jié)構(gòu)上安裝亮化燈具引起的大幅馳振，嚴(yán)重威脅橋梁的安全，需從空氣動(dòng)力學(xué)角度提出相關(guān)建議.下面分別介紹上述三類新問題及其研究進(jìn)展.

1懸索橋吊索風(fēng)致振動(dòng)

1.1工程背景

吊索是懸索橋的主要傳力構(gòu)件，具有自重輕、柔度大、阻尼低等特點(diǎn)，極易在風(fēng)荷載作用下發(fā)生大幅度振動(dòng).隨著懸索橋主跨的不斷增大，吊索越來越 長(zhǎng)，其風(fēng)致振動(dòng)問題變得更為突出，國(guó)內(nèi)外已有多座主跨超過1600m的懸索橋吊索出現(xiàn)了大幅振動(dòng)，包括日本的明石海峽大橋（主跨1991m）[9-10]、丹麥的大海帶東橋（主跨1624m）[11]和中國(guó)的西堠門大橋（主跨1650m）[12-14].例如，在10m/s左右的常遇風(fēng)速下，我國(guó)西堠門大橋的吊索多次發(fā)生索股間的相互 碰撞現(xiàn)象[14]，嚴(yán)重威脅吊索甚至全橋安全，給通行人員也造成了不安全的視覺沖擊.

1.2 機(jī)理研究

上述幾座懸索橋吊索發(fā)生大幅振動(dòng)之后，研究人員發(fā)現(xiàn)，吊索減振的成功經(jīng)驗(yàn)難以在不同橋梁之 間簡(jiǎn)單復(fù)制，這說明這幾座懸索橋吊索振動(dòng)的機(jī)理不同.Kashima和Yanaka等[10]對(duì)日本明石海峽大橋的吊索振動(dòng)進(jìn)行了長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)該橋吊索的大幅 振動(dòng)為索股間氣動(dòng)干擾引發(fā)的尾流顫振;Laursen和Bitsch等[11]對(duì)丹麥大海帶東橋的吊索振動(dòng)進(jìn)行了現(xiàn) 場(chǎng)觀測(cè)，推測(cè)吊索表面覆冰導(dǎo)致的馳振可能是該橋 吊索大幅 振動(dòng)的原 因，但 沒有進(jìn)行嚴(yán) 格的驗(yàn)證;Zhang和Wu等[15]采用數(shù)值模擬和風(fēng)洞試驗(yàn)相結(jié)合的方法，對(duì)西堠門大橋的全橋振動(dòng)進(jìn)行了時(shí)程響應(yīng)分析，認(rèn)為主纜抖振引起的吊索共振是西堠門大橋 吊索發(fā)生振動(dòng)的主要原因;Chen和Gao等[16]、Chen和Yang等[17]進(jìn)行了一系列的風(fēng)洞試驗(yàn)（見圖1（a））和數(shù)值模擬，對(duì)西堠門大橋吊索風(fēng)致振動(dòng)進(jìn)行了研究，提出橋塔的尾流是導(dǎo)致吊索大振幅振動(dòng)的原因所在.在國(guó)家自然科學(xué)基金的資助下，以西堠門大橋?yàn)楣こ瘫尘?，湖南大學(xué)陳政清課題組對(duì)懸索橋吊索索股間引起的尾流致振進(jìn)行了系統(tǒng)的研究：肖春云和李壽英等[18]、鄧羊晨和李壽英等[19]分別進(jìn)行了平行鋼絲和鋼絞線吊索的尾流索股測(cè)力風(fēng)洞試驗(yàn)，研究了尾流索股平均升力和阻力系數(shù)隨空間位置的變化規(guī)律，以此為基礎(chǔ)，研究了吊索尾流致振的失穩(wěn)區(qū)間[19];采用上述測(cè)力數(shù)據(jù)，Li和Xiao等[20]、Deng和Li等[21]建立準(zhǔn)定常和非定常二維理論模型，從數(shù)值方法的角度重現(xiàn)了吊索的尾流致振現(xiàn)象，Li和Deng等[13]將上述二維理論模型推廣到三維連續(xù)模型;Li和Deng等[22]、Deng和Li等[23]分別采用二維節(jié)段模型和三維連續(xù)氣彈模型（見圖1（b）），重現(xiàn)了懸索橋吊索尾流致振現(xiàn)象，并提出了懸索橋吊索尾流致振的起振機(jī)理：一種由負(fù)剛度驅(qū)動(dòng)的氣動(dòng)失穩(wěn)現(xiàn)象.

1.3 控制措施研究

目前，斜拉橋拉索的振動(dòng)控制措施已較成熟，特別是機(jī)械控制措施（如應(yīng)用阻尼器）和空氣動(dòng)力學(xué)措 施（如螺旋線），在實(shí)際工程中得到了非常廣泛的應(yīng)用，有效地減少了斜拉索振動(dòng)病害.但是，研究人員發(fā)現(xiàn)在斜拉索振動(dòng)控制中積累的經(jīng)驗(yàn)，難以對(duì)懸索橋吊索振動(dòng)控制發(fā)揮作用.在已有的幾座大跨度懸索橋中，吊索風(fēng)致振動(dòng)的有效控制措施各不相同.例 如，日本的明石海峽大橋，吊索發(fā)生大幅振動(dòng)后，在吊索上纏繞螺旋線（如圖2（a）所示），就起到了很好的控制效果[10];丹麥的大海帶東橋吊索發(fā)生大幅振動(dòng)后，從1998年開始，相繼嘗試了多種控制措施，如安裝螺旋線、分隔架、水平輔助索以及調(diào)諧液體阻尼器等，均未能明顯減小吊索振動(dòng)，直至2005年，采用了在吊索端部安裝液壓阻尼器與索股間安裝分隔架相結(jié)合的措施（如圖2（b）所示）[11]，才達(dá)到了滿意的控制效果;我國(guó)的西堠門大橋，在橋梁的設(shè)計(jì)階段就采用了在索股間安裝阻尼器的控制措施，然而橋梁建成運(yùn)營(yíng)后（2009年12月），沒有達(dá)到預(yù)期的控制效果;之后又嘗試在吊索單根索股底部安裝阻尼器，實(shí)測(cè)的阻尼比可達(dá)1.5%[14]，但仍未能有效控制吊索索股振動(dòng);直至2014年7月，在索股間安裝了剛性分隔架（如圖2（c）所示），西堠門大橋的吊索振動(dòng)才得以有效控制[12]，前后共花費(fèi)了5年時(shí)間.

采用三維連續(xù)氣彈模型風(fēng)洞試驗(yàn)方法，Deng和Li等[23]研究了多種控制措施對(duì)懸索橋吊索尾流致振的減振效果，包括安裝螺旋線、增加阻尼以及安裝剛 性分隔架等，研究結(jié)果表明：螺旋線和增加阻尼對(duì)減小懸索橋吊索尾流致振的效果不好，阻尼比增大到3%以上才能起到一定的減振效果;剛性分隔架可以有效地抑制懸索橋吊索的尾流致振，但其間距需進(jìn)行合理設(shè)計(jì).Hua和Chen等[12]通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)進(jìn)一步 驗(yàn)證了索股間安裝剛性分隔架對(duì)吊索尾流致振的控 制效果.在西堠門大橋減振實(shí)踐的基礎(chǔ)上，安裝剛性分隔架已成為我國(guó)懸索橋吊索減振的主要措施之一.

值得注意的是，剛性分隔架僅對(duì)索股間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)有效，這類振動(dòng)常在低風(fēng)速下發(fā)生（如10m/s 左 右），在風(fēng)速較高的臺(tái)風(fēng)天氣下，安裝剛性分隔架的吊索仍會(huì)發(fā)生大幅整體振動(dòng)，這類振動(dòng)的控制措施 還有待于進(jìn)一步研究.

2? 超長(zhǎng)斜拉索的高階渦激共振

2.1? 工程背景

渦激共振是旋渦脫落頻率與結(jié)構(gòu)頻率相近時(shí)引發(fā)的一種共振，橋梁索結(jié)構(gòu)的基頻低、特征長(zhǎng)度（直徑）小，其低階模態(tài)的渦激共振風(fēng)速很低，振幅也很小[5，24].以一根300m長(zhǎng)的斜拉索為例，基頻和直徑分別約為0.4Hz和0.12m，取 Strouhal數(shù)為0.2，第一階模態(tài)的渦振臨界風(fēng)速僅為0.24 m/s.因此，斜拉索低階模態(tài)的渦激共振不會(huì)導(dǎo)致斜拉索的直接破壞，主要是縮短其疲勞壽命.隨著我國(guó)交通建設(shè)需求日益增長(zhǎng)，交通基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)模不斷擴(kuò)大，促使斜拉橋主 跨朝著1000m及以上發(fā)展，斜拉索的長(zhǎng)度也增大到近600m.斜拉索的長(zhǎng)度增長(zhǎng)，基頻也降低，這將使得常遇風(fēng)速下斜拉索發(fā)生渦激共振的模態(tài)也越來越高.近年來，主跨600m以上的斜拉橋上觀測(cè)到了振 幅明顯的高階渦激共振現(xiàn)象，蘇通長(zhǎng)江大橋的高階渦激共振造成了斜拉索護(hù)筒的破壞.

2.2 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)

劉志文和沈靜思等[25-26]對(duì)蘇通長(zhǎng)江大橋斜拉索的風(fēng)致振動(dòng)進(jìn)行了長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，結(jié)果表明，該橋編號(hào)為NA09U、NA29U、NA30U和NA31U的斜拉索均發(fā)生了高階渦激共振，出現(xiàn)了套筒破壞、阻尼器漏油的現(xiàn) 象.其中，編號(hào)為NA30U的斜拉索長(zhǎng)度493.72m、直徑142mm、基頻0.26Hz，實(shí)測(cè)得到的最高振動(dòng)頻率可達(dá)12.3Hz，為該索第47階模態(tài).Ge和Chen等[27]也在蘇通長(zhǎng)江大橋進(jìn)行過實(shí)測(cè)，所測(cè)的編號(hào)為SJ34D的斜拉索長(zhǎng)度576.77 m、直徑180mm、基頻0.22hz，發(fā)現(xiàn)在4～8 m/s 橋面風(fēng)速時(shí)該索發(fā)生了9.5～10Hz的渦激共振響應(yīng).劉宗杰和祝志文等[28]對(duì)荊岳長(zhǎng)江大橋的斜拉索進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，結(jié)果表明，編號(hào)為JB01的斜拉索的面 內(nèi)加速度為2.5g，其 峰 值頻率包括11.8Hz、12.8Hz和13.8Hz，對(duì)應(yīng)該斜拉索的第12、13和14階模態(tài);編號(hào)為JB02的斜拉索的面內(nèi)與面外振動(dòng)峰值頻率高達(dá)25.4Hz，為該斜拉索的第28階模態(tài).王修勇和陳政清等[29]對(duì)洞庭湖大橋的A12 號(hào)斜拉索（長(zhǎng)121.9m、直徑119mm、基頻1.07Hz）進(jìn)行了風(fēng)致振動(dòng)的監(jiān)測(cè)，結(jié)果表明，該斜拉索也發(fā)生了高階渦激共振.Chen和Gao等[30]對(duì)中國(guó)東部沿海某主跨為620m斜拉橋的拉索進(jìn)行了長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)該橋編 號(hào)為CAC20的斜拉索發(fā)生了高階渦激共振，起振模態(tài)高達(dá)40階.Di和Sun等[31]對(duì)蘇通長(zhǎng)江大橋上安裝了阻尼器的斜拉索（長(zhǎng)度546.9m）進(jìn)行實(shí)測(cè)，發(fā)現(xiàn)該斜拉索也會(huì)出現(xiàn)高階渦激共振，峰值頻率為10.63Hz，模態(tài)高達(dá)44階.

2.3 控制措施研究

超長(zhǎng)斜拉索的高階渦激共振，給斜拉索的振動(dòng)控制帶來了新的挑戰(zhàn).首先，增大了阻尼器參數(shù)的設(shè)計(jì)難度.以往安裝阻尼器的主要目的是抑制風(fēng)雨激 振，其最優(yōu)參數(shù)選?。òò惭b位置及阻尼系數(shù)）針對(duì)低階模態(tài)（如第3～5階），但該最優(yōu)參數(shù)下斜拉索高階模態(tài)的阻尼比會(huì)很低，對(duì)高階渦激共振的控制效果不佳.反之，若阻尼器最優(yōu)參數(shù)以高階模態(tài)選 取，則斜拉索低階模態(tài)的阻尼比也會(huì)很低，對(duì)低階風(fēng) 雨激振的控制效果也不佳.為解決這一難題，研究人員已經(jīng)進(jìn)行了一系列的工作.Yang和Chen等[32]得到了單黏滯阻尼器對(duì)斜拉索低階和高階模態(tài)阻尼比貢 獻(xiàn)的解析表達(dá)式，系統(tǒng)地研究了模態(tài)阻尼比在各參數(shù)影響下的取值規(guī)律，確定了各參數(shù)的最優(yōu)值.Yang和Chen等[33]介紹了一種可以同時(shí)控制拉索前幾階和高階模態(tài)振動(dòng)的雙阻尼器方案，并給出了拉索-雙阻尼器系統(tǒng)模態(tài)阻尼比的簡(jiǎn)化估算公式.Chen和Di等[34]在蘇通長(zhǎng)江大橋上進(jìn)行了實(shí)測(cè)，研究了黏滯-剪切型阻尼器對(duì)斜拉索的多模態(tài)阻尼比，最高模態(tài)可達(dá)20階.Chen和Sun等[35]在蘇通長(zhǎng)江大橋斜拉索上分別安裝黏滯阻尼器和黏彈性阻尼器，在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)了這兩種阻尼器對(duì)斜拉索多模態(tài)振動(dòng)的控制效果.

孫利民和狄方殿等[36]建立了斜拉索-雙阻尼器系統(tǒng)的精細(xì)化理論模型，包括黏彈性阻尼器和高阻尼橡膠阻尼器，并且通過實(shí)橋監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)證明了雙阻尼器對(duì)前10階模態(tài)同時(shí)減振的效果.Di和Sun等[31]在斜拉索已安裝一個(gè)黏滯阻尼器的情況下，采用另 外一個(gè)阻尼器（黏滯阻尼器、高阻尼橡膠阻尼器或調(diào)諧質(zhì)量阻尼器）對(duì)失效模態(tài)的阻尼比進(jìn)行補(bǔ)償.Wang和Li等[37]采用有限差分方法，對(duì)雙阻尼器對(duì)斜拉索多模態(tài)振動(dòng)控制效果進(jìn)行了數(shù)值研究，其中雙阻尼器包括黏滯阻尼器和慣性阻尼器.以上的研究結(jié)果表明：在近錨固端安裝兩個(gè)黏滯阻尼器是有效控制斜拉索高階渦激共振和低階風(fēng)雨激振的可行方案;質(zhì)量阻尼器可顯著提高最優(yōu)單模態(tài)阻尼比，但會(huì)明顯降低部分模態(tài)的阻尼比.

空氣動(dòng)力學(xué)措施也在斜拉索振動(dòng)控制中廣泛應(yīng)用，包括安裝螺旋線、設(shè)置凹坑等，這些措施對(duì)風(fēng)雨 激振有效，一般來講對(duì)渦激共振也會(huì)起到較好的效果.但是，Liu和Shen等[26]通過節(jié)段模型測(cè)振風(fēng)洞試 驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，對(duì)高階渦激共振起到較好控制效果的螺旋 線直徑，比現(xiàn)有的常用尺寸要大.

3 橋梁索結(jié)構(gòu)安裝夜景亮化燈具引起的馳振

馳振是非對(duì)稱截面的細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)發(fā)生的一種橫風(fēng)向振動(dòng)，最早出現(xiàn)在裹冰輸電線上[38-39]，它是一種大幅、低頻的發(fā)散性振動(dòng)，一旦發(fā)生，會(huì)嚴(yán)重威脅結(jié)構(gòu)安全，在結(jié)構(gòu)的服役期內(nèi)應(yīng)避免其發(fā)生.馳振是由氣動(dòng)負(fù)阻尼所引起的[38]，平均升力系數(shù)的突降是其必 要條件.一般來說，橋梁索結(jié)構(gòu)橫截面為軸對(duì)稱圓 形，平均升力系數(shù)等于零，具有良好的馳振穩(wěn)定性，不會(huì)發(fā)生馳振.但斜拉索為斜向布置，在水平來流的作用下，斜拉索軸向與來流方向不垂直，可能會(huì)引發(fā)干索馳振[40-41]，目前的機(jī)理解釋包括軸向流、臨界雷 諾數(shù)等.目前，斜拉索的干索馳振還缺乏測(cè)試數(shù)據(jù)，也未發(fā)現(xiàn)實(shí)際橋梁上的破壞實(shí)例，僅停留在理論和試驗(yàn)研究階段.斜拉索表面結(jié)冰也可能會(huì)引發(fā)馳 振[42-43]，但與干索馳振一樣，裹冰斜拉索的馳振也未在實(shí)際橋梁上發(fā)現(xiàn)破壞實(shí)例.

3.1? 工程背景

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人們精神需求的提高，各地紛紛啟動(dòng)了城市亮化工程，大跨徑纜索承重橋梁作為城市的地標(biāo)建筑，已成為亮化工程的主要對(duì)象之一.其中，對(duì)于纜索承重橋而言，通常會(huì)在索結(jié)構(gòu)的表面安裝亮化燈具.然而，若燈具外形和尺寸設(shè)計(jì)不當(dāng)，會(huì)使得斜拉索或吊索發(fā)生嚴(yán)重的馳振，近幾年已出現(xiàn)了幾次類似事故.2019年5月，重慶夔門大橋斜拉索上安裝夜景亮化燈具后，在較低的風(fēng)速下（6 m/s），斜拉索發(fā)生了大幅度馳振，峰-峰振幅超過了1.0m（見圖3）;2020年8月，福州鼓山大橋吊索上 也安裝了夜景亮化燈具，施工過程中就在常遇風(fēng)速下（約5m/s）發(fā)生了大幅馳振振動(dòng)，后經(jīng)系統(tǒng)的試驗(yàn) 評(píng)估，放棄了在該橋吊索上安裝燈具的計(jì)劃;2021年7月，在長(zhǎng)沙三汊磯大橋上啟動(dòng)了夜景亮化工程，其中吊索上安裝了矩形燈具（見圖4），在施工過程中即發(fā)生大幅馳振振動(dòng)，全橋的振感也很強(qiáng)烈，不得不對(duì)橋梁進(jìn)行封閉并拆除了已安裝的燈具.該橋發(fā)生馳振時(shí)的風(fēng)速也很低，僅為5～7m/s.當(dāng)然，也有部分橋梁上安裝了亮化燈具，至今未發(fā)現(xiàn)有明顯的振動(dòng)，如武漢長(zhǎng)江二橋、福州魁蒲大橋和長(zhǎng)沙銀盆嶺大橋等，這可能是因?yàn)檫@幾座橋梁上都安裝了阻尼器，使得馳振臨界風(fēng)速高于常遇風(fēng)速，或是橋址處的風(fēng)向不滿足馳振攻角的要求.表1統(tǒng)計(jì)了幾座橋梁索結(jié)構(gòu)安裝燈具的外形，可以看出，常用的燈具外形為矩形.

3.2 機(jī)理研究

目前，專門針對(duì)橋梁索結(jié)構(gòu)安裝亮化燈具的風(fēng) 致穩(wěn)定性研究相對(duì)較少.早在2007年，廣州鶴洞大橋啟動(dòng)夜景亮化工程，在其斜拉索上設(shè)計(jì)了“圓形抱 箍”燈具（如圖5所示），單個(gè)燈具外徑 262mm、高度170mm，為保證燈具不轉(zhuǎn)動(dòng)并便于安裝，設(shè)置了兩根平行于斜拉索的鋼絲，直徑10mm.Li和Chen等[45]采用風(fēng)洞試驗(yàn)和CFD數(shù)值模擬方法，研究了對(duì)上述 燈具安裝方案的風(fēng)致穩(wěn)定性，結(jié)果表明該方案下斜拉索的馳振臨界風(fēng)速僅為18 m/s，遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)風(fēng)速，兩根直徑10mm的鋼絲是起振原因.Li和Chen等[45]對(duì)該方案進(jìn)行了改進(jìn)并在實(shí)橋上實(shí)施，從2008年安裝后已經(jīng)歷了10多年的強(qiáng)/臺(tái)風(fēng)考驗(yàn).2021年，An和Li等[44]開展了節(jié)段模型測(cè)力與測(cè)振風(fēng)洞試驗(yàn)，在試驗(yàn)室中重現(xiàn)了重慶夔門大橋斜拉索安裝亮化燈具的馳振振動(dòng)，并對(duì)燈具形狀進(jìn)行了優(yōu)化;周傲秋和余 海燕等[46]通過風(fēng)洞測(cè)力試驗(yàn)，研究了安裝矩形燈具斜拉索的三維氣動(dòng)力特性;Deng和Tang等[47]采用CFD數(shù)值模擬方法，研究了安裝二維矩形燈具的斜拉索的三分力系數(shù)，對(duì)發(fā)生馳振的風(fēng)攻角范圍進(jìn)行了預(yù)測(cè).

3.3 控制措施研究

從機(jī)理上來說，安裝的亮化燈具改變了橋梁索結(jié)構(gòu)氣動(dòng)穩(wěn)定的圓截面外形，從而引發(fā)馳振.馳振是 由氣動(dòng)負(fù)阻尼引起的大幅振動(dòng)，危害較大，實(shí)際工程中應(yīng)避免發(fā)生.一般情況下，亮化燈具設(shè)計(jì)人員缺乏氣動(dòng)外形優(yōu)劣、結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制的概念，難以對(duì)安裝亮化燈具斜拉索的馳振不穩(wěn)定性做出準(zhǔn)確判斷，結(jié)構(gòu)風(fēng)工程研究人員應(yīng)提供有效建議.

橋梁索結(jié)構(gòu)風(fēng)致振動(dòng)控制的方法主要可分為三種：機(jī)械措施、結(jié)構(gòu)措施和空氣動(dòng)力學(xué)措施.馳振是 由氣動(dòng)負(fù)阻尼驅(qū)動(dòng)的，增加結(jié)構(gòu)阻尼的機(jī)械措施應(yīng)該可以有效減小其響應(yīng)，這可從武漢長(zhǎng)江二橋等斜拉索安裝了阻尼器和燈具未發(fā)生馳振的實(shí)例中得到印證.但是，對(duì)于不同類型的橋梁索結(jié)構(gòu)風(fēng)致振動(dòng)，最低的有效阻尼比會(huì)不同.例如 Liu和Shen等[26]通 過風(fēng)洞試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)阻尼比增大到0.48%時(shí)，斜拉索的高階渦振可被有效抑制;Li和Wu等[8]通過理論分析發(fā)現(xiàn)阻尼比增大到0.5%時(shí)可有效抑制斜拉索風(fēng)雨 激振;Li和An等[49]通過節(jié)段模型測(cè)振風(fēng)洞試驗(yàn)研究了阻尼比對(duì)福建魁蒲大橋斜拉索安裝亮化燈具引起的馳振的控制效果，結(jié)果表明1.0%的阻尼比可對(duì)該橋斜拉索馳振起到有效控制作用;而 Hua和Wang等[50]也采用節(jié)段模型測(cè)振風(fēng)洞試驗(yàn)方法，研究了阻尼比對(duì)施工過程中主纜馳振的控制效果，發(fā)現(xiàn)即使阻尼比增大到3.2%，抑振效果也不佳.

另外，燈具氣動(dòng)外形的優(yōu)化也是提高安裝亮化燈具索結(jié)構(gòu)馳振臨界風(fēng)速的有效手段.為方便加工與安裝，矩形是常用形式（見表1），但從幾座橋梁上的實(shí)際效果來看，其氣動(dòng)性能不佳[44].武漢長(zhǎng)江二橋采用的是橢圓形燈具，從節(jié)段模型測(cè)力風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果來看，其氣動(dòng)性能優(yōu)于矩形[48].廣東鶴洞大橋中的“圓形抱箍”燈具方案中，燈具外徑達(dá)到了262mm，是斜拉索直徑的2倍多，但試驗(yàn)結(jié)果表明燈具外徑增加不是該方案氣動(dòng)不穩(wěn)定的關(guān)鍵因素，并在實(shí)橋 上經(jīng)歷了10多年的考驗(yàn)，這說明一定程度上增大斜拉索的圓截面外徑不會(huì)引起明顯的氣動(dòng)不穩(wěn)定現(xiàn)象[45].

綜上所述，機(jī)械和空氣動(dòng)力學(xué)控制措施對(duì)安裝 亮化燈具斜拉索的馳振可起到有效控制作用，但需 進(jìn)行進(jìn)一步的系統(tǒng)參數(shù)研究，以為亮化燈具設(shè)計(jì)人員提供直接、準(zhǔn)確的參考.

4? 結(jié)論與展望

橋梁索結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度的增加，導(dǎo)致出現(xiàn)一些新的風(fēng) 致振動(dòng)問題，如懸索橋吊索風(fēng)致振動(dòng)、斜拉索高階渦 激共振以及安裝亮化燈具的橋梁索結(jié)構(gòu)馳振等.針對(duì)這些新挑戰(zhàn)，研究人員進(jìn)行了系統(tǒng)的機(jī)理研究，并已提出了一些有效的振動(dòng)控制措施，主要結(jié)論包括：

1）懸索橋吊索的起振機(jī)理復(fù)雜，在斜拉索上積 累的振動(dòng)控制經(jīng)驗(yàn)，難以直接應(yīng)用在吊索振動(dòng)控制中，從目前在實(shí)際橋梁上的減振實(shí)踐來看，安裝剛性分隔架是抑制索股相對(duì)振動(dòng)的有效手段.

2）已在多座大跨徑斜拉橋上觀測(cè)到振幅明顯的斜拉索高階渦激共振現(xiàn)象，嚴(yán)重威脅斜拉索及其附 屬設(shè)施的安全.斜拉索高階渦激共振增加了其振動(dòng)控制的難度，設(shè)置雙黏滯阻尼器是有效控制斜拉索高階渦激共振和低階風(fēng)雨激振的可行方案.

3）在橋梁索結(jié)構(gòu)上安裝亮化燈具極易引發(fā)馳 振，增加阻尼器和優(yōu)化燈具氣動(dòng)外形是避免該類振動(dòng)的有效措施，但最低有效阻尼比、氣動(dòng)外形等參數(shù)還需進(jìn)一步優(yōu)化.

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