橋梁工程斜拉橋拉素風(fēng)雨激振綜述[業(yè)界研究]

1、斜拉索風(fēng)雨激振相關(guān)綜述,AA,1,業(yè)界薈萃,2,業(yè)界薈萃,3,業(yè)界薈萃,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(lèi)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。

2、因此有必要對(duì)風(fēng)雨激振現(xiàn)象進(jìn)行深入研究。,4,業(yè)界薈萃,5,業(yè)界薈萃,國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀,6,業(yè)界薈萃,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14階，頻率集中在13Hz。 2001年2004年，陳政清對(duì)岳陽(yáng)洞庭湖大橋進(jìn)行了

3、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 。,7,業(yè)界薈萃,現(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Fred Hartman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)

4、速和風(fēng)向等。 Zuo等對(duì)Fred Hartman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26節(jié)模態(tài)均發(fā)生了風(fēng)雨激振現(xiàn)象，其中以24階模態(tài)的斜拉索振幅最大。,8,業(yè)界薈萃,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)。,9,業(yè)界薈萃,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

5、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。,10,業(yè)界薈萃,風(fēng)洞試驗(yàn)人工降雨,顧明等在國(guó)內(nèi)首次通過(guò)人工降雨實(shí)驗(yàn)裝置成功再現(xiàn)了風(fēng)雨激振現(xiàn)象，研究了各種參數(shù)對(duì)拉索振動(dòng)的影響并測(cè)量了拉索風(fēng)雨激振發(fā)生時(shí)的氣動(dòng)阻尼，此外還對(duì)纏繞螺

6、旋線的氣動(dòng)措施的有效性進(jìn)行研究。 除此之外，F(xiàn)lamand，Bosdogianni，李文勃、許林汕等也通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)系統(tǒng)研究各參數(shù)對(duì)拉索振動(dòng)的影響，揭示風(fēng)雨激振的產(chǎn)生機(jī)理。,11,業(yè)界薈萃,風(fēng)洞試驗(yàn)人工水線,Yamaguchi在其實(shí)驗(yàn)裝置中以圓柱體代替水線，建立八面形柱體節(jié)段模型，通過(guò)測(cè)力實(shí)驗(yàn)獲得拉索平均三分力系數(shù)隨風(fēng)攻角的變化規(guī)律，并最早提出彎扭耦合兩自由度馳振模型。 Matsumoto等通過(guò)對(duì)固定水線拉索模型的測(cè)振和測(cè)壓實(shí)驗(yàn)，研究了上水線位置、風(fēng)速、風(fēng)攻角、紊流度等對(duì)拉索氣動(dòng)特性的影響，由此得出紊流度的增加對(duì)拉索的風(fēng)雨激振有抑制作用，水線所處位置對(duì)拉索氣動(dòng)特性有很大的影響。 黃麟通過(guò)帶運(yùn)動(dòng)水

7、線的節(jié)段拉索模型的測(cè)振實(shí)驗(yàn)研究了水線與拉索之間的耦合運(yùn)動(dòng)規(guī)律，分析了風(fēng)速、阻尼比等參數(shù)對(duì)拉索振動(dòng)的影響，比較固定水線與運(yùn)動(dòng)水線對(duì)拉索振動(dòng)的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明：在一定風(fēng)速范圍內(nèi)當(dāng)水線的平衡位置正好處于“不平衡區(qū)域”內(nèi)時(shí)，斜拉索發(fā)生大幅度振動(dòng)。,12,業(yè)界薈萃,風(fēng)洞試驗(yàn)人工水線,杜曉慶建立了可方便調(diào)節(jié)拉索模型風(fēng)向角和水線位置的帶人工雨線的三維拉索模型，通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)試驗(yàn)段轉(zhuǎn)盤(pán)改變風(fēng)向角，通過(guò)拉索的軸向轉(zhuǎn)動(dòng)改變水線位置，為便于觀察而發(fā)大拉索的模型直徑，拉索模型直徑為350mm,約為實(shí)際拉索直徑的23倍。通過(guò)試驗(yàn)同時(shí)測(cè)得拉索和人工水線的風(fēng)壓和氣動(dòng)力系數(shù)，并得到其風(fēng)壓分布規(guī)律。 顧明、劉慈軍、彭天波、呂強(qiáng)、孫

8、文峰等也通過(guò)一系列固定和運(yùn)動(dòng)人工水線風(fēng)洞試驗(yàn)，研究了水線與拉索間的耦合關(guān)系，認(rèn)為拉索的大幅振動(dòng)與水線在斜拉索表面振蕩有密切聯(lián)系。,13,業(yè)界薈萃,理論分析,應(yīng)用運(yùn)動(dòng)質(zhì)點(diǎn)模擬水線的運(yùn)動(dòng)，通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)測(cè)得水線及斜拉索氣動(dòng)力系數(shù)，代入水線和斜拉索的運(yùn)動(dòng)方程； 假設(shè)水線的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，建立斜拉索的運(yùn)動(dòng)方程； 忽略水線運(yùn)動(dòng)對(duì)拉索的作用，建立馳振模型研究拉索的運(yùn)動(dòng)規(guī)律； 假設(shè)斜拉索表面分布一層連續(xù)水膜，采用滑移理論研究水膜的形態(tài)變化。,理論分析方法是對(duì)拉索風(fēng)雨激振模型進(jìn)行抽象簡(jiǎn)化，建立力學(xué)模型，推導(dǎo) 并求解拉索及水線的運(yùn)動(dòng)微分方程，得到拉索的振動(dòng)規(guī)律。理論分析經(jīng)歷了 四個(gè)主要發(fā)展階段：,14,業(yè)界薈萃,15,

9、業(yè)界薈萃,理論分析運(yùn)動(dòng)質(zhì)點(diǎn)假設(shè),1990年Yamaguchi建立了彎扭耦合兩自由度馳振模型，他將拉索簡(jiǎn)化成單自由度上下振動(dòng)的圓形截面，水線簡(jiǎn)化成小圓柱，采用準(zhǔn)定常假設(shè)建立運(yùn)動(dòng)微分方程，得到了拉索的模態(tài)阻尼。當(dāng)水線振動(dòng)頻率與拉索平動(dòng)頻率相等時(shí)，模態(tài)阻尼為負(fù)，此時(shí)既能發(fā)生風(fēng)雨激振。 Peil和Nahrath建立了二維二質(zhì)量系統(tǒng)三自由度模型，考慮拉索在索平面內(nèi)和索平面外兩個(gè)方向的振動(dòng)以及上水線的振蕩，驗(yàn)證了上水線在斜拉索表面的振蕩是引發(fā)風(fēng)雨激振現(xiàn)象的主要原因。 劉習(xí)軍考慮了索的垂度、大位移引起的幾何非線性及風(fēng)雨和拉索的相互作用等因素，建立了拉索的非線性動(dòng)力學(xué)方程組，進(jìn)行數(shù)值計(jì)算分析，發(fā)現(xiàn)拉索振幅受密

10、度比影響很大，而索的幾何非線性的影響基本可以忽略。,16,業(yè)界薈萃,理論分析水線規(guī)律假設(shè),Xu和Wang假設(shè)水線作正弦運(yùn)動(dòng)，水線振幅采用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，將拉索的風(fēng)雨激振簡(jiǎn)化為受水線運(yùn)動(dòng)荷載作用的強(qiáng)迫振動(dòng)，建立了單自由度拉索風(fēng)雨激振模型。 畢老師等將風(fēng)雨對(duì)拉索的作用簡(jiǎn)化為上水線繞拉索周向運(yùn)動(dòng)，把上水線對(duì)拉索的作用力考慮為正弦形式的離心力，得到拉索在面內(nèi)受到的激勵(lì)力的豎向分量表達(dá)式： ，運(yùn)用共振理論來(lái)解釋拉索的振動(dòng)機(jī)理。 顧明等基于帶人工水線三維拉索模型試驗(yàn)得到的氣動(dòng)力分布，假設(shè)水線的運(yùn)動(dòng)規(guī)律為正弦曲線，建立準(zhǔn)二自由度運(yùn)動(dòng)微分方程，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本一致。 Cao等假定水線運(yùn)動(dòng)是隨機(jī)的，建立了拉索風(fēng)

11、雨激振隨機(jī)分析模型，采用高斯隨機(jī)過(guò)程的窄帶濾波方程來(lái)描述水線的運(yùn)動(dòng)。,17,業(yè)界薈萃,理論分析忽略水線運(yùn)動(dòng)假設(shè),李永樂(lè)等利用三維繞流空間模型測(cè)試的氣動(dòng)力系數(shù)，考慮拉索的空間姿態(tài)，提出了拉索振動(dòng)的修正馳振模型，并從能量的角度對(duì)拉索風(fēng)雨激振的特性進(jìn)行了探討 研究表明斜拉索具有自激和限幅振動(dòng)雙重特性。 王凌云等考慮原型斜拉索模型，通過(guò)引入氣動(dòng)力停滯點(diǎn)影響因數(shù)、水線的阻尼因數(shù)r、水線的阻尼指數(shù)a來(lái)考慮水線運(yùn)動(dòng)對(duì)拉索的影響，研究了在不同風(fēng)速下，系統(tǒng)的氣動(dòng)阻尼系數(shù)及水線引起的氣動(dòng)力的時(shí)程曲線，建立拉索的運(yùn)動(dòng)微分方程，得到各參數(shù)對(duì)拉索振動(dòng)的影響作用。,18,業(yè)界薈萃,理論分析水膜假設(shè),1992年 Reisf

12、eld等推導(dǎo)出基于滑移理論模型, 用于計(jì)算拉索表面水膜在重力和表面張力作用下形態(tài)的變化, Lemaitre在該模型的基礎(chǔ)上, 將風(fēng)作為外部荷載, 研究水膜形態(tài)的變化。 許林汕等在Lemaitre的基礎(chǔ)上對(duì)拉索運(yùn)動(dòng)方程進(jìn)行了修正，使其能夠考慮拉索振動(dòng)對(duì)水膜形態(tài)的影響，根據(jù)已有研究成果假設(shè)拉索的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，將其作為已知條件代入水膜運(yùn)動(dòng)方程，通過(guò)數(shù)值求解研究了拉索表面水膜在重力、表面風(fēng)壓、表面摩擦力等作用下的形態(tài)變化,得到水膜的變化規(guī)律。,19,業(yè)界薈萃,CFD數(shù)值模擬,流體的數(shù)值計(jì)算方法有紊流完全數(shù)值分析法(FTS)、紊流的直接數(shù)值分析法(DNS)、雷諾平均數(shù)值分析法(RANS)和大渦數(shù)值分析法(L

13、ES)等。 任洪鵬師兄基于歐拉-拉格朗日顆粒流法和歐拉-歐拉兩相流法，利用CFX模擬研究風(fēng)、雨及拉索之間的相互作用，如不同風(fēng)雨條件下斜拉索的氣動(dòng)力系數(shù)變化情況、拉索振動(dòng)對(duì)雨滴運(yùn)動(dòng)軌跡的影響等，并且基于VOF法研究了各因素對(duì)水線的形成過(guò)程和位置的影響。 王劍師兄利用CFX數(shù)值模擬，研究了不同風(fēng)速下水膜形態(tài)變化及拉索氣動(dòng)力的變化規(guī)律，分析發(fā)現(xiàn)斜拉索表面水膜形態(tài)的變化會(huì)引起斜拉索氣動(dòng)力的改變，并研究了在重力和氣流的共同作用下對(duì)上、下水線形成的影響以及不同風(fēng)速下水線的初始形成時(shí)間、位置及形態(tài)等。,20,業(yè)界薈萃,CFD數(shù)值模擬,劉慶寬等以水線對(duì)索周?chē)鲌?chǎng)的影響為中心，利用數(shù)值流體分析方法(CFD)中的

14、大渦數(shù)值分析法(LES)，針對(duì)不同的水線位置，對(duì)索周?chē)牧鲌?chǎng)變化及索的氣動(dòng)力進(jìn)行了分析，提出水線后側(cè)“小渦”的脫落是影響卡爾曼渦強(qiáng)度的原因。在風(fēng)速高于卡爾曼渦致振動(dòng)風(fēng)速的條件下，當(dāng)卡爾曼渦受到小渦影響變得足夠弱時(shí)，索容易發(fā)生振動(dòng)。,21,業(yè)界薈萃,拉索風(fēng)雨激振的減振措施,空氣動(dòng)力學(xué)減振措施 如：表面纏繞螺旋線、設(shè)置縱向肋條等 機(jī)械阻尼減振措施 如：粘性阻尼器、摩擦阻尼器 結(jié)構(gòu)減振措施 如橋面板與拉索之間架設(shè)PE繩、畢老師提出的限位裝置,22,業(yè)界薈萃,23,業(yè)界薈萃,存在問(wèn)題,現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)方面：由于場(chǎng)地、資金、氣象等條件的限制，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的機(jī)會(huì)很少，而且耗費(fèi)人力、財(cái)力、周期較長(zhǎng)，不便于深入分析研究各參數(shù)對(duì)風(fēng)雨激振現(xiàn)象的影響； 風(fēng)洞試驗(yàn)方面：盡管在試驗(yàn)中可以人為的調(diào)整各種參數(shù)，但同樣受到各種條件的限制，如：水線形狀和運(yùn)動(dòng)信息的測(cè)量，風(fēng)場(chǎng)環(huán)境的模擬，等，并且，索模型的端部約束條件與實(shí)際情況并不完全一致； 理論分析方面： 拉索模型的選取 水線運(yùn)動(dòng)規(guī)律假設(shè) 拉索面內(nèi)外振動(dòng) 紊流風(fēng)場(chǎng)對(duì)拉索風(fēng)雨激振的影響,