39-小议斜拉索风致振动以及减振措施
桥梁风振及其制振措施(PPT,17页)
主梁涡激振动 拉索风雨激振 桥塔涡激振动 主梁随机抖振
驰振 颤振
风振控制措施
颤振控制
驰振控制:
驰振和涡振控制
涡振控制: 提高结构阻尼比
施工时附加TMD、TLD或TLCD阻 尼器
风雨振控制
斜拉索表面制造成凹痕或螺旋线，可以减轻斜拉索风 雨振的程度。
加辅助索，预防拉索风雨振
机械减振措施
加阻尼器（如TMD，磁流变阻尼器）
TACOMA NARROWS BRIDGE
日本东京湾通道桥的涡激共振
主桥为10跨一联的钢箱梁连 续梁桥，最大跨度240m，宽 22.9m, 梁高6-11.5m。
在16-17m/s的风速作用下， 发生竖向涡激振动，跨中振幅 达50cD），涡激振动振幅只有 5 cm。
•驰振：细长结构因气流自激作用发生的纯弯曲大幅振动。如结 冰电线振动，塔柱、吊杆、拉索容易产生驰振形象。
•抖振：气流力受结构振动影响较小，气流力是一种强迫力，主 要是大气紊流导致结构强迫振动。
•涡振：大跨度桥梁在低风速下容易发生的一种 风致振动。
桥梁风振控制
绝对控制： 主梁风振失稳
尽量控制： 考虑控制：
•桥梁风振及其制振措施
Tacoma Narrows Bridge：位于美国华 盛顿州，1940年建成，三跨连续加劲 梁悬索桥，主跨853m，宽11.9m,加劲 梁为H型板梁，梁高2.45m。 建成4个月后，在18m/s的风速(8级)作 用下，发散振动持续70min。最后，吊 杆断裂，加劲梁坠落河中。 原因：颤振失稳。
斜拉索风雨振
日本名港西大桥（MeikoNishi）、洞庭湖大桥均实测到拉 索在风雨共存的条件下，发生风雨振。称为影响最大的一种桥 梁病害。
俄国伏尔加大桥“蛇形共振”
风力发电系统中的机械振动与减振技术
风力发电系统中的机械振动与减振技术引言：近年来，随着对可再生能源的需求逐渐增加，风力发电作为一种清洁、可持续的能源形式受到了广泛关注。
然而，在风力发电系统中，机械振动问题一直是影响其稳定运行的一个关键问题。
本文将探讨风力发电系统中的机械振动产生原因、对系统运行的影响以及减振技术的应用。
产生原因：风力发电系统的机械振动主要由以下几个因素引起。
首先，风力涡旋的形成和移动对风力机叶片造成了外部激励，从而引起了机械振动。
其次，由于风力机叶片在运行过程中会受到风速的变化和风向的改变，这也会导致机械振动的发生。
此外，风力发电系统中各种机械零部件的质量不均衡、材料疲劳、结构强度不足等问题也是机械振动的常见原因。
对系统运行的影响：机械振动对风力发电系统的运行产生了多方面的影响。
首先，机械振动会导致风力机叶片、主轴、轴承等关键部件的疲劳破坏，缩短系统的寿命。
其次，机械振动还会引起风力机叶片与塔架之间的碰撞，从而造成设备的损坏和安全隐患。
此外，由于振动的存在，风力发电系统的发电效率也会受到一定程度的降低。
减振技术的应用：为了解决风力发电系统中的机械振动问题，科学家和工程师们开展了广泛的研究，并提出了一系列有效的减振技术。
首先，可以在风力机叶片、主轴、轴承等关键部件上应用减振材料，减少振动传递。
其次，通过增加风力机叶片的刚度和降低质量不均衡等措施来减少机械振动。
此外，采用主动控制技术，如智能材料技术和自适应控制技术，也可以有效地减振。
此外，风力发电系统中的减振技术还包括被动控制技术和结构优化技术。
被动控制技术主要通过在风力机叶片上安装减振装置、调整叶片形状等方式来实现减振。
结构优化技术则是通过优化风力机叶片和整个系统的结构设计，减少振动的产生和传递。
值得一提的是，减振技术的应用不仅可以降低机械振动对风力发电系统的影响，还可以提高系统的可靠性和稳定性。
在风力发电系统设计和运行过程中，科学家和工程师们还需要考虑到系统的经济性、可维护性以及对环境的影响等多个方面的因素。
斜拉索风雨振动现象及风洞试验
11 2 四川建筑 第 26卷 3期 2006 6
转动支架控制模型和风向的夹角 , 及 的方位见图 2。
%工 程 结 构%
面上看见 清晰的上水路, 此时拉 索的振 动达到 最大值, 上 水 路随着拉 索的竖向振动在 拉索表 面作环 向运动。风 速继 续 增大, 上水路的位置向背 风向偏 移, 当 风速达 到 14m /s直 至 更大时, 上水路被风吹 散, 拉 索的振 动明显 减小。试 验结 果 表明, 上水路在拉索的振动过程中扮演了一个重要的角色。
# 169mm 的模型附设 螺旋肋条和采用压花
索, 分别进行雨振试验, 试验结果见图 6。结果表明, 螺旋肋条 及压花索对斜拉索雨振的抑制效果均很好, 光索在附设了螺旋
肋条之后和采用相同试验条件下的压花索均未发 生雨振。这
两类空气动力措施已在诺曼底大桥、多多罗大桥等斜拉桥上得
到应用, 在实桥上取得了较好的抑制雨振的效果。
表明: 表面光滑的模型不 易在其 表面形 成上水 路, 故 进行雨 振试验前, 将模型表面进 行烟熏 处理, 以模拟 实际斜 拉索受
大气污染后的状况。 3 2 1 光面索的引导性试验
这项试验是为 了找 出发 生雨振 的临 界水 平偏 角 。试 验中一般将降雨量 设定为 中度, 即 50~ 90 mm / h, 阻 尼采用 索的 固有 阻尼 比 0 1% , 角在 10∀ ~ 55∀之 间, 增 量为 5∀。 对于该索, 从图 3中 明显 可见 雨振 在 为 25∀ ~ 40∀时 发生 的, 且当 = 30∀、风速为 11 0 m / s左右时振 动最强, 最大振 幅甚至接近 60 cm, 相当于 拉索直 径的 3 55 倍。可以 认定, 30∀即为该索雨振的临界水平偏角 。
斜拉索风雨激振的理论分析
收稿日期:2001-11-10基金项目:国家自然科学基金资助项目(50178049)作者简介:黄 麟(1974-),男,四川成都人,硕士生.斜拉桥拉索风雨激振的理论分析黄 麟1,郭志明2,王国砚3,顾 明1(1.同济大学土木工程防灾国家重点实验室,上海 200092;2.南京长江第二大桥管理局,江苏南京 210000;3.同济大学工程力学与技术系,上海 200092)摘要:讨论了风雨激振产生和发展的机理.通过建立拉索风雨激振的运动方程,运用数值计算讨论了风雨激振中有关空气密度、阻力、风速、水线平衡位置、拉索与水线固有频率、水线质量和粘附力的7个量纲为1的参数对系统运动中的作用,然后作了运动的水线和固定的水线两种情况下拉索振幅的比较,最后将计算结果与Hikami 所做的风洞试验结果作分析比较.关键词:风雨激振;拉索;水线;振幅;数值计算中图分类号:U 448.27;TU 311.3 文献标识码:A 文章编号:0253-374X (2002)05-0569-04Theoretical Analysis of Rain -wind -induced Vibration ofCables of Cable -stayed BridgesHUA N G L i n 1,GUO Zhi -m i ng 2,W A N G Guo -yan 3,GU M i ng 1(1.State K ey Laboratory for Disaster in Civil Engineering ,Tongji University ,Shanghai 200092,China ;2.Management of the Second Bridge of Nanjing ,Nanjing 210000,China ;3.Department ofEngineering Mechanics and Technology ,Tongji University ,Shanghai 200092,China )Abstract :This paper aims to explain the fundamental inducement and growth mechanism of rain -wind in 2duced vibration of cable in cable -stayed bridges.Starting from strict formulation ,seven parameters of motion equation concerning air density ,damping ,wind speed ,balance position of rivulet ,frequency of rivulet and ca 2ble ,mass of rivulet and cohesion are first discussed through numerical parison of computa 2tional results with Hikami ’s wind tunnel test are then done.Key words :rain -wind -induced vibration ;cable ;rivulet ;amplitude ;numerical computation 斜拉桥是200～800m 跨径范围内最具竞争力的桥梁结构形式之一,世界上许多斜拉桥已成为当地的景观和交通咽喉.作为斜拉桥主要受力构件的拉索由于质量小、刚度小、阻尼小,在风或支承端运动的作用下易产生强烈的横向振动.拉索的振动不仅会给行人带来不舒适感,同时它也会使拉索产生疲劳,破坏拉索的防腐系统,严重地影响拉索的寿命.国内外已有数座斜拉桥自建成以来更换了全部拉索,造成了极大的经济损失,也给大桥正常的运营造成了不良影响[2].在拉索的风致振动中,风雨激振是最强烈的一种.风雨激振这一现象是日本学者Hikami 于1986年在Meikonishi 桥上首先发现的[1].其后在欧洲、日本和我国等多个地区和国家的斜拉桥上都观察到了这一现象[2].在干燥的气候条件下气动稳定的圆形截面的拉索,在雨和风的共同作用下,由于水线的出现,它变得不再稳定[1].产生风雨激振的风速范围约为6～18m ・s -1;振动几乎都发生在索面内;振动的峰值可高达100cm 以上;索振频率在0.6～3.0Hz 之间;水线的振动频率与索的频率基本相同,方向相反[3,4].第30卷第5期2002年5月同 济 大 学 学 报JOURNAL OF TON G J I UN IVERSITY Vol.30No.5 May 2002研究风雨激振所涉及的对象包括固、液、气三态的物质.影响因素很多,而振动对各因素的改变又十分敏感,这给研究带来了许多困难.世界上许多学者对风雨激振做了大量的研究.Hikami 通过对Meikonishi 桥和试验室重现风雨激振的试验的观测,提出了两种可能的机制:①Den Hartog 驰振失稳机制;②耦合气动力导致的失稳机制[1].只有为数不多的研究者如日本学者Yamaguchi [5]等对这一问题进行了理论分析.但至今风雨激振的机理仍不能透彻解释.本文根据国内外风雨激振的研究成果,对文献[5]的运动方程加以修正并通过数值计算,讨论方程中各参数对风雨激振的影响;并作了运动的水线和固定的水线拉索振幅的比较;最后计算了不同风速下拉索的最大振幅与文献[1]试验结果进行了分析比较.1 力学模型和算法根据拉索风雨激振的基本特点可以提出如下基本假设:①准定常假定在本研究中仍适用;②索是单自由度运动,运动方向为横风向;③不考虑振型影响,进行二维分析;④静止状态的表面水流在重力、气流压力、拉索表面法向力以及索表面的粘附力共同作用下形成位置一定的水线(此时对应的角度为β).索振时水线在平衡位置两侧振荡;⑤忽略水线形状的影响;⑥忽略下水线对拉索振动的影响,仅考虑上水图1 风雨激振力学模型Fig.1 Mechanical model of rain -wind -induced vibration 线的作用;⑦水线振荡角度幅值超过一定值之后,水线会从索表面脱落;⑧水线的粘附力与γ的速度成正比,忽略粘附力对拉索的作用.图1所示为风雨激振的力学模型.在来流风速为U 的均匀风作用下,半径为R 的拉索以速度y ・横风向运动.而水线则在平衡位置β附近以角速度γ・转动.来流相对于运动的拉索的速度是U re .来流对带有水线的拉索单位长度上的不稳定气动力为升力L 和阻力D .升力系数C L 和阻力系数C D 是升力L 和阻力D 量纲为1后的量.其中弹性常数K 是拉索的刚度;k 是水线在环向的气动力和重力合力的线性刚度;m 1和m 2分别是每延米的拉索和水线的质量;C γ为作用在水线上粘附力与水线角速度γ・的比例系数.根据拉格朗日定理,可列出拉索和水线的量纲为1的运动方程如下:η″+η=εf , γ″+δγ=-cos (β+γ)η″-c h γ′(1)图2 C D ,C L 随α变化曲线Fig.2 C D ,C L for different α式中:ε为空气与拉索的密度比;δ为水线与拉索的固有频率比;μ为水线质量在拉索和水线系统中所占的比例;μD 为拉索阻尼的量纲为1的量;μγ=R ω索/U ,当拉索的圆频率不变时,它体现不同风速对该系统的影响;c h 为粘附力系数的量纲为1的量,它的值由c h =ω水线C γ/ω2索所确定.方程组(1)第一式右端f的第一项为水线对拉索的作用力,第二项:1+(μγη′)2[C L (α)-μγη′C D (α)]/πμ2γ为作用在拉索上的气动力在y 轴方向上的分量,第三项为拉索的结构阻尼力.f =-μ[γ″cos (β+γ)-γ′2sin (β+γ)]+1πμ2γ1+(μγη′)2[C L (α)-μγη′C D (α)]-2μD η′(2) 方程(2)的初始条件为:γ(0)=γ′(0)=η(0)=η′(0)=0.方程中η和γ分别为拉索竖向振动和转动的量纲为1的量.方程详细推导过程见文献[5].计算中C D ,C L 值是根据文献[6]的试验结果.C D ,C L 曲线如图2所示.文献[5]在求解方程(1)时,认为γ和μγη′为小量.把cos (β+γ),sin (β+γ)用和角公式展开,并令sin γ≈γ,cos γ≈1;把1+(μγη′)2用泰勒公式展开成μγη′的二次多项式,忽略三次以上075 同 济 大 学 学 报第30卷 的项.对水线方程用多尺度法求解,代入拉索方程,然后采用平均法求解拉索振动方程.计算结果显示,水线振幅大于5°,小量展开的条件不能满足要求.并且把拉索和水线方程分开求解不能反映拉索和水线之间的相互作用.本文不把cos(β+γ),sin(β+γ)和1+(μγη′)2展开,而采用四阶Runge Kutta方法直接求解联立微分方程.2 实例分析实例分析的参数为:风速范围U=6～15m・s-1;拉索半径R=0.1m;拉索振动频率f=0.5～3.0 Hz;空气密度1.25kg・m-3;结构阻尼比的范围ξ=0～4%之间;上水线单位长度的质量m=0.06kg;其平衡位置β=45°～66°之间;空气密度为1.25～10.00kg・m-3;代表水线与拉索间的粘附力的参数c h=0～10.本文首先不对水线运动施加约束,利用以下振动包络图讨论各参数对振动的影响.(1)水线平衡位置β是拉索稳定的决定因素.如图3所示,β=46°～47°时,拉索振动增长的斜率最大,最易失稳.这一位置正好对应于C L曲线陡降的位置.(2)密度比ε是对拉索振幅影响最大的因素之一.ε中对于同一拉索来说密度是常数,ε的改变对应于由于降雨引起空气密度的改变.如图4所示,拉索振幅随ε增大而增大,即拉索的振幅随空气密度的增大而增大.文献[5]对此参数也进行了讨论,结论与此相似.(3)索单元的折算频率μγ是对振幅影响最大的另一因素,拉索振幅随μγ的增大而减小.即风速越大,振幅越大,计算结果如图5所示.图3 β对拉索振幅的影响Fig.3 Vibration for differentβ图4 ε对拉索振幅的影响Fig.4 Vibration for differentε图5 μγ对拉索振幅的影响Fig.5 Vibration for differentμγ (4)由阻尼比ξ所对应的量纲为1的量μD的讨论可知阻尼比越大索的最大振幅就越小,并且振幅的衰减也越快,如图6所示.(5)频率比δ对水线振动的形态和脱离有较大关系.δ离1越远,水线振幅越小.文献[5]对水线的频率的讨论与本文基本一致.(6)计算结果显示在μ取值范围内改变对索振几乎没有影响,因此水线的振动对索振的机械作用可以忽略不计.水线在风雨激振中的作用主要表现为气动作用.此参数的讨论于文献[5]的结论是一致的.(7)量纲为1的粘附力系数c h是另一影响水线运动的参数.Cγ的出现可以减小水线的振幅.但本文对粘附力还不能作定量分析.图6 μD对拉索振幅的影响Fig.6 Vibration for differentμD图7 文献[4]试验中水线位置Fig.7 Position of rivulet in R ef.4图8 水线运动和水线不动的比较Fig.8 C omputational results for motionalrivulet and non-motional rivulet175 第5期黄 麟,等:斜拉桥拉索风雨激振的理论分析 运动水线模型的水线位置根据图7取值.运动水线和固定水线模型的计算结果如图8所示.曲线A ,B 分别代表运动水线模型和固定水线模型.运动水线模型的振幅比固定水线模型的小,而失稳范围更宽.考虑水线运动拉索的振幅较小的原因主要是:拉索的振动使水线的振幅不断增大,当超过临界值后,水线脱离了拉索,拉索系统的外形又回复了稳定的外形,振幅不再增大.而计算中,水线固定不动则不能考虑水线的脱离,拉索的振幅将不断增大,直到达到极限环为止.Hikami 重现风雨激振的试线的振动范围中,模拟拉索的模型采用的是铝芯外包聚乙烯的圆柱截面,其截面的直径为140mm [1].本文模拟的是模型轴线与来流夹角为45°模型的频率为2Hz 的工况.根据图9 计算结果与试验的比较Fig.9 C omp arison of results from presentm ethod and experim ent b y H ik ami 文献中提供的试验条件计算中参数取值,计算结果和Hikami 试验结果的拉索最大振幅值的比较如图9所示.从图9中可以发现文献[1]的试验结果在风速大于12.5m ・s -1以后拉索的振幅锐减,在风速大于13m ・s -1以后拉索的振幅几乎可以忽略不计.计算结果与文献[1]的试验结果吻合得较好.在以后的研究中迫切需要通过试验研究水线的运动规律.只有通过理论研究与试验相结合才能解释清楚风雨激振的规律.3 结论(1)水线平衡位置β在C L 曲线陡降处最易失稳.(2)由于水线的运动,风雨激振中拉索失稳所需的水线平衡位置β分布更广.(3)密度比ε和频率比μγ两参数对索的振幅影响最大.索的振幅随ε增大而增大,随μγ增大而减小.(4)频率比δ对水线振动的形态和脱离有较大关系.δ离1越远,水线振幅越小.(5)大阻尼比ξ可以减小索的振幅.(6)水线对索振的作用力可以忽略,水线在风雨激振中主要起气动作用.斜拉桥拉索风雨激振理论研究和试验分析在文献[7]中进一步展开.参考文献:[1] Hikami Y ,Shiraishi N.Rain -wind induced vibrations of cables in cable stayed bridges[J ].J of Wind Engineering and Industrial Aerdynamics ,1988,29:409-418.[2] 顾 明,刘慈军,林志新,等.斜拉桥拉索的风(雨)振动及控制[J ].上海力学,1998,19(4):281-287.[3] Poston R.Cable -stay conundrum[J ].Civil Engineering ,1998,68(8):58-61.[4] Y amaguchi H.Analytical study on growth mechanism of rain vibration of cables [J ].J of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics ,1990,33:73-80.[5] 彭天波.斜拉桥拉索风雨激振的机理研究[D ].上海:同济大学桥梁工程系,2000.[6] 顾 明,吕 强.斜拉桥风雨激振试验研究报告[R].上海:同济大学桥梁工程系,2000.[7] 黄 麟.斜拉桥拉索风雨激振的理论与试验研究[D ].上海:同济大学桥梁工程系,2000.275 同 济 大 学 学 报第30卷 。
斜拉索风雨激振问题研究综述
斜拉索风雨激振问题研究综述摘要：从现场观测、风洞试验、理论分析和CFD数值模拟四个方面对斜拉桥拉索风雨激振问题的研究现状进行了概括和总结，分析了已有的研究成果，对今后的研究方向提出展望，供相关研究人员参考。
关键字：斜拉桥，拉索，风雨激振1.引言斜拉桥是一种由三种基本承载构件，即梁（桥面）、塔和两端分别锚固在塔和梁上的拉索共同承载的结构体系，以其结构受力性能好、跨越能力强、结构造型多姿多彩、抗震能力强及施工方法成熟等特点，而成为现代桥梁工程中发展最快、最具有竞争力的桥型之一，在桥梁工程中得到了越来越多的应用。
由于斜拉索质量、刚度和阻尼都很小，随着斜拉桥跨度的增大，拉索振动问题的影响日益显著。
在各种振动情况中，风雨激振是拉索风致振动中最强烈的一种，且风雨激振的起振条件容易满足，振幅极大，对桥梁的危害最为严重，因而关于斜拉桥拉索风雨激振的研究得到了国内外学者的广泛重视。
风雨激振是指干燥气候下气动稳定的圆形截面的拉索，在风雨共同作用下，由于水线的出现，改变了拉索的截面形状，使其在气流中失去稳定性，由此发生的一种大幅振动。
2.研究现状2.1.现场实测现场观测是最早用于研究风雨激振的手段。
它可以获得拉索风雨激振最准确的特征，为验证风洞试验和理论分析研究结果的真实性、可靠性提供宝贵的资料。
Hikami等[1]对日本名港西(MeikoNishi)大桥的实测。
20世纪80年代，在日本建造名港西大桥的过程中，发现了比较严重的风雨激振现象，Hikami等选取了其中24根索进行实测，对该桥进行了为期5个月的现场实测，实测内容包括索面的拉索振幅。
Main和Jone[3]对美国Fred Hartman桥的斜拉索风雨激振记录。
进行了16个月的现场监测，分析了记录的5000组5分钟时程的斜拉索加速度和气象资料。
陈政清[4]等对洞庭湖大桥的实测。
自2001年1月至2004年4月，陈政清在国家自然科学基金资助下，与香港理工大学合作，在岳阳洞庭湖大桥上进行了连续4年的风雨激振观测研究。
多塔斜拉桥风致抖振响应的粘滞阻尼器控制研究
多塔斜拉桥风致抖振响应的粘滞阻尼器控制研究
多塔斜拉桥是一种复杂的桥梁，由于它的复杂构造，响应于外部环境的变化是非常敏感的，所以这种种桥梁往往会受到外界机械和气象因素的影响，导致抖振和振动，从而影响桥梁的安全性和稳定性。
因此，如何控制多塔斜拉桥的抖振是桥梁设计抗震领域的一个重要问题。
为了解决多塔斜拉桥的抖振问题，人们提出了许多消除抖振的措施，粘滞阻尼器控制是其中最主要的一种控制方法。
它利用底座的粘滞阻尼器对上部的斜拉索进行阻尼，减少抖振的影响。
同时，要根据实际情况合理选择粘滞阻尼器的质量、形状、尺寸和角度的等参数，尽可能使该参数具有较高的抑制能力、可靠性和实用性。
粘滞阻尼器控制方法不仅能够在有限步长内有效降低多塔斜拉桥的抖振响应，其还可以保证桥梁的稳定性和安全性。
在允许的负荷、温度和湿度条件下，桥梁的抗震能力、可靠性和耐久性可进一步提高。
另外，粘滞阻尼器控制也具有节约能源、保护环境和提升桥梁形象等优点。
以上就是多塔斜拉桥风致抖振响应的粘滞阻尼器控制研究的简介。
粘滞阻尼器控制旨在有效抑制多塔斜拉桥的抖振，从而确保桥梁的稳定性和安全性。
未来国家应充分利用这一技术来改善桥梁的安全性和可靠性，并通过新型材料创造具有更高力学性能的新型多塔斜拉桥。
三维覆冰斜拉索风致振动驰振分析
三维覆冰斜拉索风致振动驰振分析谭冬梅;王凯丽;瞿伟廉;韩玲;高远志【期刊名称】《振动与冲击》【年(卷),期】2016(035)007【摘要】斜拉索偏心覆冰后，气动外形不再稳定，在风的作用下，可能诱发驰振；大幅的驰振将威胁到拉索的结构安全，因此，有必要对覆冰斜拉索的驰振稳定性进行深入的研究。
应用 FLUENT 中的 SST k －ω模型对三维覆冰斜拉索的绕流场进行数值模拟，得到全攻角下的阻力系数、升力系数及驰振力系数，依此判定覆冰斜拉索是否发生驰振，并得到某大跨斜拉桥部分斜拉索的驰振临界风速。
结果表明：经过三维模拟计算的覆冰斜拉索的部分驰振力系数小于零，并且驰振临界风速较小，斜拉索易发生覆冰驰振；与风洞试验和二维模拟数据比较，三维覆冰斜拉索模拟获得的气动力系数比二维更接近试验值。
【总页数】6页(P156-160,166)【作者】谭冬梅;王凯丽;瞿伟廉;韩玲;高远志【作者单位】武汉理工大学土木工程与建筑学院，武汉 430072;武汉理工大学土木工程与建筑学院，武汉 430072;武汉理工大学土木工程与建筑学院，武汉430072;湖北省建筑科学研究设计院，武汉 430071;武汉理工大学土木工程与建筑学院，武汉 430072【正文语种】中文【中图分类】U448.27【相关文献】1.拉索间距及覆冰对双索尾流驰振的影响 [J], 谭冬梅;毛善明;罗素珍;瞿伟廉;李晓敏;李旭阳2.三维新月形变截面覆冰斜拉索气动力特性研究 [J], 谭冬梅;王凯丽;瞿伟廉3.覆冰斜拉索驰振稳定性的理论研究 [J], 李寿英;黄韬;叶继红4.两种典型覆冰斜拉索气动特性及驰振分析 [J], 王凯丽;谭冬梅;瞿伟廉;罗素珍;连世豪;周武辉5.斜拉桥斜拉索的风致振动形态及减震措施分析 [J], 陶红梅;王晓琴因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
实例分析矮塔斜拉桥减隔震措施
实例分析矮塔斜拉桥减隔震措施0 引言我国处于欧亚地震带上，是一个地震多发的国家。
作为交通线关键工程的铁路桥、公路桥、城市高架桥等将在突发的地震灾害中遭到损坏，造成交通中断，给后续救助工作造成了极大的困难，因此对桥梁抗震性能的研究十分必要，而桥梁抗震性能主要通过减隔震等相关措施实现。
1 矮塔斜拉桥的结构特性矮塔斜拉桥是介于连续梁桥和斜拉桥之间新的桥梁结构形式，由受弯的主梁、受拉的拉索、受压的主塔构成。
矮塔斜拉桥桥塔高度小，主梁刚度大，布索区短，全桥刚度由梁体提供，拉索仅起加强作用，桥塔上多采用索鞍形式，结构设计一般对称，塔底不平衡弯矩较小，整体受力较均衡。
与梁桥相比，这种桥型造型美观，结构的表现内容丰富，而且具有良好的经济指标，得到了越来越多的应用。
2 减隔震措施减隔震措施分为减震措施和隔震措施。
减震措施是指用各种阻尼器与结构组成耗能、吸能的体系，利用自身的减震吸能作用，较理想的减小地震破坏，对于突发强震也有很好的预防作用和承受能力，常见包含液压粘滞阻尼器、摩擦阻尼器等，多应用于大跨径桥梁；隔震措施就是通过延长结构结构自振周期，同时限制位移，从而避开地震动的卓越周期，避免共振的发生，从而减小地震作用，常见的有铅芯橡胶支座和高阻尼橡胶支座等，应用于高烈度区大中小桥梁上。
考虑到矮塔斜拉桥跨径较小，不易采用阻尼器，从而选取应用普遍的铅芯橡胶支座作为减隔震的措施。
3 铅芯橡胶支座铅芯橡胶支座作为隔震措施的一种，应用十分广泛，其主要构件为普通的板式橡胶支座，在中心加入了铅芯，这么做可以很好的改善橡胶支座的阻尼性能，下图就是铅芯橡胶支座的基本构造图。
图1 铅芯橡胶支座构造示意圖4 动力特性和时程分析本文算例南淝河大桥为双塔单索面全预应力混凝土矮塔斜拉桥，全长220m，跨径布置为60m+100m+60m，塔梁固结，墩梁分离体系。
主梁单幅采用单箱三室大悬臂截面，主塔计算塔高18米，采用实心矩形截面，斜拉索单排布置，由光圆钢绞线组成，下部结构主墩采用带扩大头椭圆柱实体墩，主墩基础采用9根直径2.0米的钻孔灌注桩基础，按摩擦桩设计。
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小议斜拉索风致振动以及减振措施何训华高飞2（1西南交大土木设计有限公司广州根公司广州510610）（2南昌市公路勘察设计院南昌330077）1摘要：本文介绍了斜拉索风致振动的基本原因和类型、部分减振原理和特点。
关键词：桥梁工程；风振控制；涡激共振；抖振；参数振动；弛振；尾流弛振；风-雨振；0前言随着现代桥跨结构朝着高大、轻柔、低阻尼趋势发展，发展超长、大跨径柔性桥梁是国际上的一种趋势，因此国内外近几年修建的斜拉桥跨度日渐增大，拉索也日渐长大，密索体系斜拉桥已经成为倾向。
众所周知，拉索是斜拉桥的极其重要组成部分，桥跨结构的恒载与活载大部分通过拉索传递到塔柱。
但是由于拉索质量小、柔度大、自身阻尼小，在风的激励下会发生多种类型的强烈振动，从而影响到桥跨结构的安全；因此如何将拉索的风振控制在安全范围受到桥梁结构工程师们的广泛关注。
1斜拉索振动的基本原因以及类型由于斜拉索的结构阻尼很小，而结构阻尼对气动力稳定性至关重要，所以拉索本身就难以稳定。
在不同的外因条件下拉索将发生不同频率和振幅的“索振”，而且发振频度和振幅随着外因的改变而变化。
虽然引起拉索振动的原因很多，但其主要原因是风，即索振基本为风激振动。
从斜拉索的振动类型来看一般有以下几种：1.1经典涡激共振（Vortex-inducedresonance）当稳定的层流风吹过拉索时气流绕过断面分离而产生周期性交替的漩涡脱落从而形成涡漩尾迹（又称卡门涡街），由于涡脱频率是和风速成正比，当其频率与拉索的自振频率一致时，将发生涡激共振。
涡激共振是斜拉索最为常见的一种低风速下的风致振动；属于低风速下的强迫振动，对结构来说一般发生在Vcr=3m／s-10m／s范围内（即3-5级蒲福风力）。
但是涡激能量输入有限，不会产生大幅度的拉索振动（Amax≤0.5D），值得注意的是:涡振发振频度很高，易造成拉索的疲劳损伤。
1.2抖振（Buffeting）由于自然风的阵风脉动和紊流引起拉索的强迫振动。
但抖振的振幅一般比较小。
值得指出的是抖振具有多种形式的尾流效应，典型的是并列索的尾流抖振。
由于背风侧索处在迎风侧索的尾流中并且受到迎风侧索产生的尾流涡旋的激励，而背风侧索的振动又干扰迎风侧索周围的气流并与背风侧索一起都发生振动，其特点是随着不同的风速以及不同的水平偏角β可以产生不同模态组合的拍频振动。
这种相互作用随着两根索间距的增大而减小直至消失。
高频的尾流抖振也会影响拉索锚固端的疲劳。
1.3参数振动（Parametric resonance）当桥面和塔受到活载、风荷载而引起振动时会使得两端与之相连的拉索，以同样的频率随之纵向振动，当拉索横向自振频率fc正好等于fb／2或fr／2时(其中fb为桥面竖向弯曲自振频率而fr为桥面扭转自振频率)，拉索就会产生横向振动，即共振作用使结构的振动在索中放大，但一般振幅较小。
实际桥梁中发生拉索参数共振的情况较少。
1.4驰振与尾流驰振（Galloping&Wakegalloping）索的外形也会使索产生大振幅的驰振而最终导致气动力失稳，当索的截面形状发生圆形异化（如六边形索，或积雪）时会产生横风向的大幅度自激振动。
当2根或多根拉索并列布置时；由于迎风面索的紊流尾流区内存在一个不稳定驰振区，如果背风面索正好处在这不稳定区内，就会导致背风面索发生椭圆形轨迹的振幅不断加大的低频振动既然尾流驰振。
尾流驰振的发振风向大致与桥轴线的水平夹角为±70°-80°（即背风侧索正好处在不稳定的驰振区）。
尾流驰振的发振风速视索长、索力而定，一般为Vcr＝25fnD-50fnD。
对短索而言，迎风侧索大体上不动。
对长索的迎风侧索也会因背风侧索的尾流驰振提供部分能量而产生小幅振动，且在索平面内两索振动的相位正好相反。
尾流驰振的特点是既有索平面内又有索平面外的大幅度振动，严重的还会造成拉索互相碰打。
1.5风－雨振（Rain－windinducedvibration）这是近几年研究发现的在风和雨共同作用引起的一种拉索强烈的振动。
特别是由于顺风向向下倾斜索79的尾部产生轴向风时发生在有一定水平偏角β(25°-40°)的风及一定雨量(10-20mm/h)的塔后索，频率小于3Hz，而双振幅可达1.5m，对索的危害极大。
武汉长江二桥、铜陵长江大桥等都发生过较长的尾索在风雨共同作用下拉索大幅振动造成索与索之间相互碰撞的现象。
到目前为止，人们对风雨振认识有以下几点（1）风雨振一般在雨量(10mm/h-20mm/h)，风速在7m/s-16m/s之间，水平偏角β(25°-40°),左右较易发生；振动频率一般在在1Hz -3Hz。
常常多根拉索同时发振，其中又以长索振动可能性最大。
（2）上水线的形成与圆周运动导致拉索气动力性能的改变以及2次轴向流对旋涡脱落和尾流区流场干扰导致的压力变化也是引起的风雨振的主要原因。
（3）拉索的表面材料性质；如斥水性，粗糙度等直接影响水线的形成和运动，也是引起拉索风雨振的原因之一。
（4）湍流度和雨的强度也对振动有影响。
上水路及其沿圆周向的振荡以及拉索尾流的2次轴向流是拉索雨振的2大重要诱因；此外还有紊流度，拉索表面特征和降雨量的影响等。
但是迄今为止，对于这种破坏性强的拉索的风雨振，其机理目前尚未有非常明确的结论，研究仍停留在风洞实验阶段，更谈不上合理的分析方法。
2抑振措施的分析目前，拉索的减振措施主要有两大类，一类是空气动力学措施，另一类是机械措施。
前者主要靠改变拉索的截面形状，使其空气动力性能得到改善。
后者则通过安装各种阻尼减振器或者增加拉索刚度，提高固有频率来抑制振动响应。
两类方法各有所长，基于现实条件的限制，后者使用比较广泛。
2.1空气动力学措施拉索的气动力减振措施是一种特定用于抑制拉索雨振的90年代初提出的新课题，目的是为了限制、抑或瓦解水路以及破坏气动力的相关性。
即将拉索的PE 管外表面做成某种断面形状：日本东神户大桥在拉索PE管表面开设了轴向凹槽；法国诺曼底大桥拉索表面采用了双螺旋线；日本多多罗大桥的拉索PE管表面设置了四周微凸而中间凹陷的“麻麻坑”等。
尽管气动力学措施具有维修保养简便、费用较低等优点，但是各种方案的开发和构造细节都需要实验验证其减振效果，且要注意不能增加拉索断面的阻力系数，并且避免其它的不稳定振动，目前还无法用计算流体力学来分析。
因此对气动力减振措施的作用机理也就无法进行理论分析。
2.2机械措施2.2.1二阶索方法具体方法是用φ15mm-φ30mm的不锈钢丝将各主要拉索相互连接，以提高拉索体系的整体刚度，增加拉索的模态质量和阻尼，使拉索振动时产生各模态间的相互耦合。
尽管二阶索的减振原理十分浅显，实践中也掌握了一些经验，如间距一般为50m，位置应设在振型腹点且与之正交等。
然而在实际工程中的应用并不是很普遍。
再加上都是高空作业，其予紧力也难以掌握。
因此二阶索拉断、索夹断裂时有发生。
再说二阶索并不能完全消除并列索与空间索的面外振动。
我国的武汉长江二桥就是采用二阶索索夹作为减振措施，然而在实际工程中的应用并不是很普遍，往往作为临时减振措施采用，而且对于长大斜拉桥往往需要多道二阶索，而常常被贬之为“蜘蛛网”，那样损害了桥梁的景观，所以往往不能被桥梁设计师所接受。
2.2.2阻尼橡胶减振圈利用橡胶和拉索之间作用力传递，使橡胶圈变形产生粘滞阻尼耗能，是中国斜拉桥应用较广的一种减振措施。
由于阻尼橡胶减振圈（简称减振圈）可以布置在拉索的导筒内，不为行人所见，因此具有较好的景观效果。
橡胶圈结构简单而且易于安装。
但橡胶圈提供的阻尼由于太接近锚固端而十分有限，只能对短索产生一些减振效果，但是如果施工过程中拉索较大地偏离导筒中心时，往往运行不到一年就产生橡胶圈开裂破碎。
2.2.3油压阻尼器油压阻尼器最早用于汽车减振上，欧美国家逐渐应用油压阻尼器作为拉索减振措施。
我国的南京长江二桥就是采用同济大学开发的油压阻尼器，并确取得拉一定的减振效果。
但是油压阻尼器只能提供单向阻尼力，如果用油压阻尼器同时抑制拉索的面内和面外振动，则每根拉索需要装上2个并成正交布置。
而且油压阻尼器安装精度严，作为阻尼介质的硅油温度效应明显，由于频繁动作，容易发生漏油和渗油现象。
因此维修费用相对较高。
同时油压阻尼器油压油压阻尼器对小振幅振动不敏感，而长拉索由于存在“模态跃迁”其平面内一阶正对称振动在靠近锚固端处振动幅度将变得很小，从而使油压阻尼器平面内一阶模态的实际测得的阻尼值比设计阻尼值低得多。
2.2.4粘性剪切型阻尼器粘性剪切型阻尼器（VSD）是近几年出现的一种新型减振装置，其特点是利用阻79尼器中切片的运动使粘性体产生剪切变形从而将振动能量传递给粘性体再转变成热能耗散。
国内应用粘性剪切型阻尼器的桥有汕头石大桥、湖口大桥、白沙洲大桥、军山大桥、鄂黄长江大桥、荆州长江大桥等。
现将鄂黄长江大桥、荆州长江大桥两座大桥的粘性剪切型阻尼器的应用情况介绍如下：鄂黄长江大桥是北京至广州106国道跨越长江，连接鄂城、黄冈两座中等城市的特大桥梁，是湖北省交通重点工程项目。
鄂黄大桥全长3245m，其中主桥长1290m，为五跨连续双塔双索面预应力混凝土斜拉桥，主塔高172.3m。
在主桥的施工过程中拉索长期处于抖振的状态下,并且时常伴随着适当的风雨条件发生大振幅的风雨振。
荆州长江公路大桥位于湖北省荆州市，是207国道跨长江的一座特大型桥梁，大桥北岸为荆州市区，南岸为公安县埠河镇.全桥共由九个桥段组成，自北向南依次为北岸引桥、跨荆江大堤桥、北岸滩桥、北汊通航孔桥、三八洲桥、南汊通航孔桥、南岸滩桥、跨荆南干堤桥、南岸引桥，桥梁全长为4177.60m。
其中北汊通航孔桥为：200+500+200（m）PC斜拉桥、南汊通航孔桥：160+300+97（m）PC斜拉桥，同样该桥在施工过程中拉索时常发生大振幅的风雨振以及抖振。
根据有关专家考察意见，于2002年4月-2002年8月在鄂黄长江公路大桥、2002年6月-2002年9月在荆州长江公路大桥上安装粘性剪切型阻尼器作为斜拉索的永久抑振措施。
为了确认斜拉索粘性剪切型阻尼器的实际减振效果，在选取对桥控制的有代表性的最不利索后，进行了拉索在有HCA减振器和无HCA减振器两种不同工况下的自然风响应功率谱和时程观测，以及人工激振后的自由衰减观测，结果表明：鄂黄长江大桥斜拉索在没有安装减振器之前的对数衰减率在0.002-0.006之间，安装HCA减振器之后除个别索的对数衰减率在0.035-0.05之间，其余索的对数衰减率均在0.05以上，即提高了5-10倍以上；风响应位移有效值在微风环境下减小1.8-7.5倍，风力较大时可达16倍左右，加速度有效值在微风环境下减小4.8-22倍，风力较大时可达近120倍。