橋梁工程斜拉索風(fēng)雨激振相關(guān)綜述

橋梁工程斜拉索風(fēng)雨激振相關(guān)綜述AA研究背景及意義國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀存在問(wèn)題未來(lái)研究方向研究背景及意義國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀存在問(wèn)題未來(lái)研究方向研究背景及意義

斜拉橋拉索柔度大，阻尼小，質(zhì)量輕，使得結(jié)構(gòu)對(duì)風(fēng)的敏感度很高，極易在風(fēng)和雨的激勵(lì)下發(fā)生大幅的風(fēng)雨激振。20世紀(jì)80年代，Hikami等發(fā)現(xiàn)斜拉索在風(fēng)雨作用下會(huì)發(fā)生大幅振動(dòng)，最大振幅達(dá)到55cm，在國(guó)內(nèi)，1997年，楊浦大橋拉索發(fā)生風(fēng)雨激振，造成部分拉索錨具破壞。此后，多次在大跨橋的斜拉橋上觀測(cè)到類似的現(xiàn)象。斜拉索振動(dòng)嚴(yán)重影響橋梁的安全性能，拉索的振動(dòng)會(huì)引起拉索端部接頭部分出現(xiàn)疲勞現(xiàn)象，在索錨結(jié)合處產(chǎn)生裂紋，破壞拉索的防腐系統(tǒng)，嚴(yán)重的還會(huì)引起拉索的失效?，F(xiàn)在普遍認(rèn)為：近95%的斜拉橋振動(dòng)問(wèn)題是由風(fēng)雨激振引起的。因此有必要對(duì)風(fēng)雨激振現(xiàn)象進(jìn)行深入研究。研究背景及意義國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀存在問(wèn)題未來(lái)研究方向國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀研究手段現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)風(fēng)洞試驗(yàn)人工降雨試驗(yàn)人工水線試驗(yàn)理論分析CFD數(shù)值模擬現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)

目前國(guó)內(nèi)外最為經(jīng)典的兩個(gè)實(shí)例為Hikami等對(duì)日本名港西大橋的實(shí)測(cè)和陳政清等對(duì)洞庭湖大橋的實(shí)測(cè)。1984年，Hikami和Shiraishi在日本的Meiko-Nishi橋上首次觀測(cè)到了風(fēng)雨激振現(xiàn)象，最大振動(dòng)幅值可達(dá)55cm，拉索長(zhǎng)度從65m至200m不等，隨后Hikami對(duì)該橋進(jìn)行了為期5個(gè)月的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，發(fā)現(xiàn)風(fēng)雨激振僅發(fā)生在一定風(fēng)速范圍內(nèi)，拉索表面會(huì)形成水線并沿拉索環(huán)向震蕩，發(fā)生風(fēng)雨激振時(shí)，拉索振型一般為1~4階，頻率集中在1~3Hz。2001年—2004年，陳政清對(duì)岳陽(yáng)洞庭湖大橋進(jìn)行了風(fēng)雨振觀測(cè)研究，發(fā)現(xiàn)拉索的最大位移達(dá)0.7m，最大加速度達(dá)10g，通過(guò)觀測(cè)結(jié)果，分析拉索的振動(dòng)形態(tài)和風(fēng)速、風(fēng)向、雨量等參數(shù)對(duì)風(fēng)雨振的影響規(guī)律，認(rèn)為拉索風(fēng)雨振振動(dòng)形態(tài)有馳振的特征，拉索的穩(wěn)定大幅度振動(dòng)總是由某一階模態(tài)控制，其振動(dòng)頻率在3Hz以下

?，F(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)1996年，坐落于荷蘭的Erasmus大橋發(fā)生的風(fēng)雨激振現(xiàn)象，事后在橋面板和拉索之間架設(shè)PE繩索消除了這一振動(dòng)。隨后，Persoon對(duì)該橋進(jìn)行了長(zhǎng)期觀測(cè)。1997年，Main和Jones對(duì)美國(guó)德克薩斯州的FredHartman大橋進(jìn)行為期一年多的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，獲得了近5000組記錄數(shù)據(jù)，每一組數(shù)據(jù)都包含斜拉索的位移、加速度、風(fēng)速和風(fēng)向等。Zuo等對(duì)FredHartman大橋的風(fēng)雨激振現(xiàn)象作了進(jìn)一步研究，選取其中一根拉索進(jìn)行長(zhǎng)期觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)斜拉索在2~6節(jié)模態(tài)均發(fā)生了風(fēng)雨激振現(xiàn)象，其中以2~4階模態(tài)的斜拉索振幅最大。現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)根據(jù)眾多觀測(cè)結(jié)果，得到拉索風(fēng)雨激振現(xiàn)象的有如下特點(diǎn)：拉索進(jìn)入大幅度振動(dòng)后，其波形猶如甩鞭狀，表現(xiàn)為低階振型，拉索表面會(huì)形成振蕩的水線；風(fēng)雨激振只有在一定的風(fēng)速范圍內(nèi)才會(huì)發(fā)生，降雨是拉索發(fā)生大幅風(fēng)雨激振的必要條件；風(fēng)雨激振的振幅大小與拉索的表面材料、長(zhǎng)度、風(fēng)偏角和傾斜方向等參數(shù)有關(guān)。

風(fēng)洞試驗(yàn)—人工降雨Hikami在對(duì)MeikoNishi橋進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)后，在風(fēng)洞中通過(guò)人工降雨重現(xiàn)了這一現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)上水線是引起拉索風(fēng)雨激振的主要原因，并提出風(fēng)雨激振的兩種可能機(jī)理，即單自由度馳振和彎扭耦合兩自由度馳振機(jī)理。Matsumoto等在大、小兩座風(fēng)洞進(jìn)行了一系列人工降雨實(shí)驗(yàn)，對(duì)影響拉索風(fēng)雨激振的因素（拉索傾角、風(fēng)偏角、拉索表面材料等）進(jìn)行了研究。Cosentino等設(shè)計(jì)了能夠測(cè)量拉索表面壓力以及水線厚度和位置的人工降雨實(shí)驗(yàn)裝置，研究不同風(fēng)速下水線的幾何形態(tài)、運(yùn)動(dòng)規(guī)律與拉索振動(dòng)之間的關(guān)系。風(fēng)洞試試驗(yàn)—人工降降雨顧明等等在國(guó)國(guó)內(nèi)首首次通通過(guò)人人工降降雨實(shí)實(shí)驗(yàn)裝裝置成成功再再現(xiàn)了了風(fēng)雨雨激振振現(xiàn)象象，研研究了了各種種參數(shù)數(shù)對(duì)拉拉索振振動(dòng)的的影響響并測(cè)測(cè)量了了拉索索風(fēng)雨雨激振振發(fā)生生時(shí)的的氣動(dòng)動(dòng)阻尼尼，此此外還還對(duì)纏纏繞螺螺旋線線的氣氣動(dòng)措措施的的有效效性進(jìn)進(jìn)行研研究。。除此之之外，，F(xiàn)lamand，Bosdogianni，李文文勃、、許林林汕等等也通通過(guò)風(fēng)風(fēng)洞試試驗(yàn)系系統(tǒng)研研究各各參數(shù)數(shù)對(duì)拉拉索振振動(dòng)的的影響響，揭揭示風(fēng)風(fēng)雨激激振的的產(chǎn)生生機(jī)理理。風(fēng)洞試試驗(yàn)—人工水水線Yamaguchi在其實(shí)實(shí)驗(yàn)裝裝置中中以圓圓柱體體代替替水線線，建建立八八面形形柱體體節(jié)段段模型型，通通過(guò)測(cè)測(cè)力實(shí)實(shí)驗(yàn)獲獲得拉拉索平平均三三分力力系數(shù)數(shù)隨風(fēng)風(fēng)攻角角的變變化規(guī)規(guī)律，，并最最早提提出彎彎扭耦耦合兩兩自由由度馳馳振模模型。。Matsumoto等通過(guò)過(guò)對(duì)固定水水線拉索模模型的的測(cè)振振和測(cè)測(cè)壓實(shí)實(shí)驗(yàn)，，研究究了上上水線線位置置、風(fēng)風(fēng)速、、風(fēng)攻攻角、、紊流流度等等對(duì)拉拉索氣氣動(dòng)特特性的的影響響，由由此得得出紊紊流度度的增增加對(duì)對(duì)拉索索的風(fēng)風(fēng)雨激激振有有抑制制作用用，水水線所所處位位置對(duì)對(duì)拉索索氣動(dòng)動(dòng)特性性有很很大的的影響響。黃麟通通過(guò)帶帶運(yùn)動(dòng)水水線的節(jié)段段拉索索模型型的測(cè)測(cè)振實(shí)實(shí)驗(yàn)研研究了了水線線與拉拉索之之間的的耦合合運(yùn)動(dòng)動(dòng)規(guī)律律，分分析了了風(fēng)速速、阻阻尼比比等參參數(shù)對(duì)對(duì)拉索索振動(dòng)動(dòng)的影影響，，比較較固定定水線線與運(yùn)運(yùn)動(dòng)水水線對(duì)對(duì)拉索索振動(dòng)動(dòng)的影影響，，試驗(yàn)驗(yàn)結(jié)果果表明明：在在一定定風(fēng)速速范圍圍內(nèi)當(dāng)當(dāng)水線線的平平衡位位置正正好處處于““不平衡衡區(qū)域域”內(nèi)時(shí)時(shí)，斜斜拉索索發(fā)生生大幅幅度振振動(dòng)。。風(fēng)洞試試驗(yàn)—人工水水線杜曉慶慶建立立了可可方便便調(diào)節(jié)拉拉索模模型風(fēng)風(fēng)向角角和水線線位置置的帶帶人人工工雨雨線線的的三維維拉拉索索模模型型，通通過(guò)過(guò)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)試試驗(yàn)驗(yàn)段段轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤(pán)盤(pán)改改變變風(fēng)風(fēng)向向角角，，通通過(guò)過(guò)拉拉索索的的軸軸向向轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)改改變變水水線線位位置置，，為為便便于于觀觀察察而而發(fā)發(fā)大大拉拉索索的的模模型型直直徑徑，，拉拉索索模模型型直直徑徑為為350mm,約為為實(shí)實(shí)際際拉拉索索直直徑徑的的2~3倍。。通通過(guò)過(guò)試驗(yàn)同時(shí)時(shí)測(cè)得得拉拉索索和和人人工工水水線線的的風(fēng)風(fēng)壓壓和和氣氣動(dòng)動(dòng)力力系系數(shù)數(shù)，，并并得得到到其其風(fēng)風(fēng)壓壓分分布布規(guī)規(guī)律律。。顧明明、、劉劉慈慈軍軍、、彭彭天天波波、、呂呂強(qiáng)強(qiáng)、、孫文文峰峰等也通過(guò)過(guò)一一系系列列固固定定和和運(yùn)運(yùn)動(dòng)動(dòng)人人工工水水線線風(fēng)風(fēng)洞洞試試驗(yàn)驗(yàn)，，研研究究了了水水線線與與拉拉索索間間的的耦耦合合關(guān)關(guān)系系，，認(rèn)認(rèn)為為拉拉索索的的大大幅幅振振動(dòng)動(dòng)與與水水線線在在斜斜拉拉索索表表面面振振蕩蕩有有密密切切聯(lián)聯(lián)系系。。理論論分分析析應(yīng)用用運(yùn)動(dòng)動(dòng)質(zhì)質(zhì)點(diǎn)點(diǎn)模擬擬水水線線的的運(yùn)運(yùn)動(dòng)動(dòng)，，通通過(guò)過(guò)風(fēng)風(fēng)洞洞試試驗(yàn)驗(yàn)測(cè)測(cè)得得水水線線及及斜斜拉拉索索氣氣動(dòng)動(dòng)力力系系數(shù)數(shù)，，代代入入水水線線和和斜斜拉拉索索的的運(yùn)運(yùn)動(dòng)動(dòng)方方程程；；假設(shè)設(shè)水水線線的的運(yùn)運(yùn)動(dòng)動(dòng)規(guī)規(guī)律律，，建建立立斜斜拉拉索索的的運(yùn)運(yùn)動(dòng)動(dòng)方方程程；；忽略略水水線線運(yùn)運(yùn)動(dòng)動(dòng)對(duì)對(duì)拉拉索索的的作作用用，，建建立立馳馳振振模模型型研研究究拉拉索索的的運(yùn)運(yùn)動(dòng)動(dòng)規(guī)規(guī)律律；；假設(shè)設(shè)斜斜拉拉索索表表面面分分布布一一層層連續(xù)續(xù)水水膜膜，采采用用滑滑移移理理論論研研究究水水膜膜的的形形態(tài)態(tài)變變化化。。理論論分分析析方方法法是是對(duì)對(duì)拉拉索索風(fēng)風(fēng)雨雨激激振振模模型型進(jìn)進(jìn)行行抽抽象象簡(jiǎn)簡(jiǎn)化化，，建建立立力力學(xué)學(xué)模模型型，，推推導(dǎo)導(dǎo)并求求解解拉拉索索及及水水線線的的運(yùn)運(yùn)動(dòng)動(dòng)微微分分方方程程，，得得到到拉拉索索的的振振動(dòng)動(dòng)規(guī)規(guī)律律。。理理論論分分析析經(jīng)經(jīng)歷歷了了四個(gè)個(gè)主主要要發(fā)發(fā)展展階階段段：：拉索風(fēng)雨激振理論模型節(jié)段拉索理論模型準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)水線拉索理論模型運(yùn)動(dòng)水線拉索理論模型線性阻尼力、彈性回復(fù)力、庫(kù)倫阻尼力連續(xù)彈性拉索理論模型運(yùn)動(dòng)水線拉索理論模型準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)水線拉索理論模型理論論分分析析—運(yùn)動(dòng)動(dòng)質(zhì)質(zhì)點(diǎn)點(diǎn)假假設(shè)設(shè)1990年Yamaguchi建立立了彎扭扭耦耦合合兩自自由由度度馳馳振振模模型型，他他將將拉拉索索簡(jiǎn)簡(jiǎn)化化成成單單自自由由度度上上下下振振動(dòng)動(dòng)的的圓圓形形截截面面，，水水線線簡(jiǎn)簡(jiǎn)化化成成小小圓圓柱柱，，采采用用準(zhǔn)準(zhǔn)定定常常假假設(shè)設(shè)建建立立運(yùn)運(yùn)動(dòng)動(dòng)微微分分方方程程，，得到到了了拉拉索索的的模模態(tài)態(tài)阻阻尼尼。。當(dāng)當(dāng)水水線線振振動(dòng)動(dòng)頻頻率率與與拉拉索索平平動(dòng)動(dòng)頻頻率率相相等等時(shí)時(shí)，，模模態(tài)態(tài)阻阻尼尼為為負(fù)負(fù)，，此此時(shí)時(shí)既既能能發(fā)發(fā)生生風(fēng)風(fēng)雨雨激激振振。。Peil和Nahrath建立立了了二二維維二二質(zhì)質(zhì)量量系系統(tǒng)統(tǒng)三自自由由度度模模型型，考考慮慮拉拉索索在在索索平平面面內(nèi)內(nèi)和和索索平平面面外外兩兩個(gè)個(gè)方方向向的的振振動(dòng)動(dòng)以以及及上上水水線線的的振振蕩蕩，，驗(yàn)驗(yàn)證證了了上上水水線線在在斜斜拉拉索索表表面面的的振振蕩蕩是是引引發(fā)發(fā)風(fēng)風(fēng)雨雨激激振振現(xiàn)現(xiàn)象象的的主主要要原原因因。。劉習(xí)習(xí)軍軍考考慮慮了了索索的的垂垂度度、、大大位位移移引引起起的的幾何何非非線線性性及風(fēng)風(fēng)雨雨和和拉拉索索的的相相互互作作用用等等因因素素，，建建立立了了拉拉索索的的非非線線性性動(dòng)動(dòng)力力學(xué)學(xué)方方程程組組，，進(jìn)進(jìn)行行數(shù)數(shù)值值計(jì)計(jì)算算分分析析，，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)拉拉索索振振幅幅受受密度度比比影響響很很大大，，而而索索的的幾幾何何非非線線性性的的影影響響基基本本可可以以忽忽略略。。理論論分分析析—水線線規(guī)規(guī)律律假假設(shè)設(shè)Xu和Wang假設(shè)設(shè)水水線線作作正正弦弦運(yùn)運(yùn)動(dòng)動(dòng)，，水水線線振振幅幅采采用用實(shí)實(shí)測(cè)測(cè)數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)，，將將拉拉索索的的風(fēng)風(fēng)雨雨激激振振簡(jiǎn)簡(jiǎn)化化為為受受水水線線運(yùn)運(yùn)動(dòng)動(dòng)荷荷載載作作用用的的強(qiáng)強(qiáng)迫迫振振動(dòng)動(dòng)，，建建立立了了單單自自由由度度拉拉索索風(fēng)風(fēng)雨雨激激振振模模型型。。畢老老師師等等將將風(fēng)風(fēng)雨雨對(duì)對(duì)拉拉索索的的作作用用簡(jiǎn)簡(jiǎn)化化為為上上水水線線繞繞拉拉索索周周向向運(yùn)運(yùn)動(dòng)動(dòng)，，把把上上水水線線對(duì)對(duì)拉拉索索的的作作用用力力考考慮慮為為正正弦弦形形式式的的離心心力力，得得到到拉拉索索在在面面內(nèi)內(nèi)受受到到的的激激勵(lì)勵(lì)力力的的豎豎向向分分量量表表達(dá)達(dá)式式：：，，運(yùn)運(yùn)用用共共振振理理論論來(lái)來(lái)解解釋釋拉拉索索的的振振動(dòng)動(dòng)機(jī)機(jī)理理。。顧明明等等基基于于帶帶人人工工水水線線三維維拉拉索索模模型型試試驗(yàn)驗(yàn)得到到的的氣氣動(dòng)動(dòng)力力分分布布，，假假設(shè)設(shè)水水線線的的運(yùn)運(yùn)動(dòng)動(dòng)規(guī)規(guī)律律為為正正弦弦曲曲線線，，建建立立準(zhǔn)準(zhǔn)二二自自由由度度運(yùn)運(yùn)動(dòng)動(dòng)微微分分方方程程，，計(jì)計(jì)算算結(jié)結(jié)果果與與試試驗(yàn)驗(yàn)結(jié)結(jié)果果基基本本一一致致。。Cao等假假定定水線線運(yùn)運(yùn)動(dòng)動(dòng)是是隨隨機(jī)機(jī)的的，建建立立了了拉拉索索風(fēng)風(fēng)雨雨激激振振隨隨機(jī)機(jī)分分析析模模型型，，采采用用高高斯斯隨隨機(jī)機(jī)過(guò)過(guò)程程的的窄窄帶帶濾濾波波方方程程來(lái)來(lái)描描述述水水線線的的運(yùn)運(yùn)動(dòng)動(dòng)。。理論論分分析析—忽略略水水線線運(yùn)運(yùn)動(dòng)動(dòng)假假設(shè)設(shè)李永永樂(lè)樂(lè)等等利利用用三三維維繞繞流流空空間間模模型型測(cè)測(cè)試試的的氣氣動(dòng)動(dòng)力力系系數(shù)數(shù)，考考慮慮拉拉索索的的空空間間姿姿態(tài)態(tài)，提提出出了了拉拉索索振振動(dòng)動(dòng)的的修修正正馳馳振振模模型型，，并并從從能能量量的的角角度度對(duì)對(duì)拉拉索索風(fēng)風(fēng)雨雨激激振振的的特特性性進(jìn)進(jìn)行行了了探探討討．．研研究究表表明明斜斜拉拉索索具具有有自自激激和和限限幅幅振振動(dòng)動(dòng)雙雙重重特特性性。王凌凌云云等等考考慮慮原型型斜斜拉拉索索模模型型，通通過(guò)過(guò)引引入入氣氣動(dòng)動(dòng)力力停停滯滯點(diǎn)點(diǎn)影影響響因因數(shù)數(shù)ε、水水線線的的阻阻尼尼因因數(shù)數(shù)r、水線的阻尼尼指數(shù)a來(lái)考慮水線運(yùn)運(yùn)動(dòng)對(duì)拉索的的影響，研究究了在不同風(fēng)風(fēng)速下，系統(tǒng)統(tǒng)的氣動(dòng)阻尼尼系數(shù)及水線線引起的氣動(dòng)動(dòng)力的時(shí)程曲曲線，建立拉拉索的運(yùn)動(dòng)微微分方程，得得到各參數(shù)對(duì)對(duì)拉索振動(dòng)的的影響作用。。理論分析—水膜假設(shè)1992年Reisfeld等推導(dǎo)出基于于滑移理論模模型,用于計(jì)算拉索索表面水膜在在重力和表面面張力作用下下形態(tài)的變化化,Lemaitre在該模型的基基礎(chǔ)上,將風(fēng)作為外部部荷載,研究水膜形態(tài)態(tài)的變化。許林汕等在Lemaitre的基礎(chǔ)上對(duì)拉拉索運(yùn)動(dòng)方程程進(jìn)行了修正正，使其能夠夠考慮拉索振動(dòng)對(duì)水膜形態(tài)的的影響，根據(jù)據(jù)已有研究成成果假設(shè)拉索的運(yùn)運(yùn)動(dòng)規(guī)律，將其作為已已知條件代入入水膜運(yùn)動(dòng)方方程，通過(guò)數(shù)數(shù)值求解研究究了拉索表面面水膜在重力力、表面風(fēng)壓壓、表面摩擦擦力等作用下下的形態(tài)變化化,得到水膜的變變化規(guī)律。CFD數(shù)值模擬流體的數(shù)值計(jì)計(jì)算方法有紊紊流完全數(shù)值值分析法(FTS)、紊流的直接接數(shù)值分析法法(DNS)、雷諾平均數(shù)數(shù)值分析法(RANS)和大渦數(shù)值分分析法(LES)等。任洪鵬師兄基基于歐拉-拉格朗日顆粒粒流法和歐拉拉-歐拉兩相流法法，利用CFX模擬研究風(fēng)、、雨及拉索之之間的相互作作用，如不同同風(fēng)雨條件下下斜拉索的氣氣動(dòng)力系數(shù)變變化情況、拉拉索振動(dòng)對(duì)雨雨滴運(yùn)動(dòng)軌跡跡的影響等，，并且基于VOF法研究了各因因素對(duì)水線的的形成過(guò)程和和位置的影響響。王劍師兄利用用CFX數(shù)值模擬，研研究了不同風(fēng)風(fēng)速下水膜形形態(tài)變化及拉拉索氣動(dòng)力的的變化規(guī)律，，分析發(fā)現(xiàn)斜斜拉索表面水水膜形態(tài)的變變化會(huì)引起斜斜拉索氣動(dòng)力力的改變，并并研究了在重重力和氣流的的共同作用下下對(duì)上、下水水線形成的影影響以及不同同風(fēng)速下水線線的初始形成成時(shí)間、位置置及形態(tài)等。。CFD數(shù)值模擬劉慶寬等以水水線對(duì)索周?chē)鷩鲌?chǎng)的影響響為中心，利利用數(shù)值流體體分析方法(CFD)中的大渦數(shù)值值分析法(LES)，針對(duì)不同的的水線位置，，對(duì)索周?chē)牡牧鲌?chǎng)變化及及索的氣動(dòng)力力進(jìn)行了分析析，提出水線線后側(cè)