斜拉桥斜拉索的风荷载、风致振动与控制

斜拉索是斜拉桥的主要受力构件之一,其承受的风荷载占大桥总体风荷载的很大比例,准确掌握其风荷载对设计具有重要意义;同时,由于斜拉索的风致振动发生频繁,危害严重,其风致振动的机理是研究热点和难点问题,振动控制措施是设计中需要重点考虑的问题。该文全面总结了斜拉索风荷载计算方法、风致振动的种类和相关机理,介绍了利用气动措施进行振动控制的最新研究成果,为相关的机理研究和斜拉索的振动控制设计工作提供参考。     

斜拉索气动特性的雷诺数效应试验研究

斜拉索是斜拉桥的主要受力构件,其气动特性研究是整体结构气动特性研究的基础。为探究表面光滑斜拉索气动特性的雷诺数效应,在均匀来流中进行了不同风速下的斜拉索节段模型风洞测压试验,得到了斜拉索气动力系数和平均风压系数随雷诺数的变化规律。结果表明：表面光滑斜拉索的平均气动力系数在不同雷诺数区有不同的表现,平均阻力系数在亚临界雷诺数区和超临界雷诺数区分别稳定在1.2和0.6附近,而平均升力系数为0,临界雷诺数区平均阻力系数迅速减小,对应地,平均升力系数从0增加到最大值又降低到0;对于脉动气动力系数,处于亚临界雷诺数区的脉动升力值远大于脉动阻力,意味着斜拉索横风向激励远大于顺风向;平均风压系数分布随雷诺数的增大经历了对称-不对称-对称的变化过程,体现了层流分离-单侧湍流分离-双侧湍流分离的变化规律,是平均升力系数变化趋势的定性响应,而斜拉索背压处平均基压系数绝对值的变化趋势与平均阻力系数一致。     

亮化灯具对既有斜拉索风致振动影响的试验研究

为了装点城市夜景,对既有大跨度斜拉桥进行光彩亮化改造已成为一种趋势,但是安装照明灯具将显著改变斜拉索的气动形状,影响结构气动稳定性。为保证结构的安全及耐久性,通过风洞试验研究了安装灯具后斜拉索的抗风性能,评价亮化灯具对既有斜拉索产生的影响。以三种不同管径斜拉索为研究对象,制作了几何缩尺比为1∶1的节段模型,开展了测力和测振的风洞试验。研究结果表明:灯具的存在将显著改变斜拉索的气动外形,提高其背风侧漩涡脱落的频率,使斜拉索在更低的来流风速下就具备发生涡激共振的可能性。此外,灯具对斜拉索风雨激振的影响较为有限,对斜拉索干索驰振有一定的抑制作用。     

斜拉索风雨激振中拉索和水线之间的耦合运动

斜拉索的大幅振动问题,例如风雨振、干索驰振,是桥梁设计和研究人员关注的问题之一。为了防止风雨振的发生,在斜拉索表面设置螺旋线是一种常见措施。而在进行螺旋线直径、间距选取时,只关注其对风雨振的影响,未考虑对干索驰振的影响。为了明确不同螺旋线参数组合对风雨振、干索驰振振动特性的影响,通过风洞试验的方法,在风速6 m/s~50 m/s范围内,在有、无人工模拟降雨环境下对不同螺旋线参数组合斜拉索进行测振试验,得到斜拉索模型振幅随螺旋线参数的变化规律。研究结果表明：总体而言,设置螺旋线后,斜拉索振幅减小,但斜拉索的振幅并非随螺旋线直径单调改变,呈现先增大后减小的趋势,螺旋线直径增大到某一数值时,振幅最大,工程应用中应慎重选择螺旋线的直径;随着螺旋线间距的增大,斜拉索振幅逐渐减小,设置螺旋线后,干索驰振的振幅明显减小;对于同一间距,螺旋线直径改变对干索驰振的影响不明显,对于同一直径,螺旋线间距小于临界间距后,螺旋线间距的改变对干索驰振的影响不明显,螺旋线间距大于临界间距后斜拉索发生明显振动。     

斜拉桥拉索安装亮化灯具的风致稳定性研究

斜拉桥拉索上安装亮化灯具可能存在风致稳定性问题。以某斜拉桥拉索亮化灯具安装的初步设计方案为工程背景,制作了几何缩尺比为1∶1的节段模型,并进行了测力和测振风洞试验,试验结果表明:由于设计方案中两条钢丝的存在,该桥拉索灯具安装的初步设计方案可能会使拉索发生经典驰振。然后,提出了一种灯具安装的建议方案:取消钢丝,将电线直接螺旋固定在拉索表面。通过详细的测振试验表明:建议方案不会使拉索产生不稳定的驰振振动。     

斜拉索风致振动疲劳的分析

本文研究了斜拉索的风致振动疲劳问题。首先,假设在任一应力循环周期内, 考察点的最大与最小应力之差符合Rayleigh分布。其次,推导出斜拉索的疲劳可靠度计算公式;根据桥梁结构的疲劳目标可靠度, 给出简单明了的斜拉索疲劳寿命计算公式。第三,在目前既有研究的基础上,进一步评价不同的风攻角对疲劳可靠度和疲劳寿命的影响。最后,论文以松花江斜拉桥中的斜拉索为实例,计算分析了在不同的风攻角情况下斜拉索上各节点应力时程和位移时程,并得出在不同风攻角下各节点的应力响应根方差。于是,根据最危险工况作为疲劳寿命评估的考察点计算出斜拉索的最短疲劳寿命,以验证其风致振动疲劳的性能。     

水线-雷诺数效应-斜拉索振动关系的试验研究

通过对不同位置粘贴有水线的斜拉索模型进行测力和测振风洞试验,分析了不同雷诺数下的阻力系数、升力系数和振幅等参数,研究了水线影响雷诺数效应及通过影响雷诺数效应导致振动的机理,研究结果表明：水线能影响力系数随雷诺数的变化规律,力系数的大小和变化规律与振动有着十分密切的关系;在较低的水线位置,随着雷诺数的上升,伴随着阻力系数的减小,升力系数大幅增大,发生类似临界雷诺数的效应,力系数随水线位置的变化规律导致驰振系数为负,在这种情况下发生大幅振动,用临界雷诺数效应和驰振均可解释;在较高的雷诺数下,伴随着阻力系数的减小,升力系数大幅变化,每个水线位置都发生了不同程度的振动,该振动的机理可能与临界雷诺数效应导致的振动机理类似。     

斜拉索风致随机振动的计算机模拟

斜拉索是斜拉桥的主要受力构件之一,由于其柔度大、质量小、阻尼小和自振频率低等特点,对风荷载比较敏感,在风载作用下极易发生振动,因此有必要对这种结构风振响应进行研究。通过在斜拉索有限元模型上导入随机风荷载,用计算机模拟斜拉索的风振响应,为进一步研究风振响应的控制打下基础。该方法可以节省研究成本,提高研究效率,对斜拉桥的设计具有一定的参考意义。     

斜拉索表面粗糙度对干索驰振的影响

新服役的斜拉索表面由一层较为光滑的聚乙烯材料包裹,但随着服役时间的增长,受风化和灰尘粘附等原因的影响,使斜拉索表面粗糙度变大。斜拉索粗糙度的改变对其气动稳定性的影响如何,是该文重点研究的问题。该文通过包裹不同工业砂纸的方式来改变斜拉索表面的粗糙度,利用SJ-410表面粗糙度测量仪测试了这些模型的粗糙度,通过自由振动风洞试验,研究了表面粗糙度对高雷诺数下斜拉索振动的影响,结果表明:表面粗糙度的增大对斜拉索的振动具有抑制作用;随着斜拉索模型表面粗糙度的增加,雷诺数效应减弱,临界雷诺数减小。     

表面损伤的斜拉索平均气动阻力特性的试验研究

斜拉索作为斜拉桥的重要受力构件,其风荷载设计在桥梁抗风设计中具有重要意义。斜拉索在生产、运输和安装过程中有可能受到损伤,针对不同程度表面损伤的斜拉索,利用风洞测力试验,研究了亚临界、临界和超临界雷诺数区域损伤程度对斜拉索气动阻力的影响,并得到了表面损伤斜拉索气动阻力的计算方法。结果表明:在一定的风向范围内,斜拉索表面损伤对其气动阻力影响显著,在亚临界区,表面损伤模型阻力系数大于光滑模型;进入临界区后,表面损伤模型的阻力系数则小于光滑模型;在超临界区,二者又比较接近。随着划痕的加深,临界区起始雷诺数提前,且在临界雷诺数区,随着雷诺数的增大,阻力系数减小。对不同损伤程度斜拉索的阻力系数进行拟合,得出相应的计算公式,以方便斜拉索气动阻力的估算。     

斜拉索的风振与减振

斜拉索是效率极高的全张力柔性构件，在现代大跨结构中得到广泛的应用。其风致振动和减振问题一直是该领域研究的关键问题之一。本文阐述了斜拉索各种风振形式的振动机理和实际工程中常用的减振方法以及国内外该领域目前的研究状况。最后对斜拉索风振与减振研究的发展趋势进行了展望，指出了辅助索减振法、MTMD减振法、智能拉索、振动优化控制理论将是未来该领域研究重点，有着明显的应用前景。     

斜拉索风致动力疲劳损伤的研究

研究了斜拉索风致振动的疲劳损伤问题。首先,根据 Miner 线性累积损伤原理,给出了结构疲劳损伤的计算公式。其次,根据高周疲劳的特性,我们假设斜拉索的疲劳损伤符合 Basquin 疲劳估算模型。第三,在综合目前疲劳损伤既有研究的基础上,进一步提出评价不同风速和不同风攻角对斜拉索疲劳损伤影响的框架。最后,以松花江斜拉桥中的斜拉索为对象,基于动力时程法计算分析了在不同风速和不同风攻角情况下斜拉索上各节点的应力时程,再使用雨流计数法统计斜拉索的应力-应变循环历史,估算出在不同风速和不同风攻角下斜拉索的疲劳损伤。于是,定量地评价了在不同风速和不同风攻角对斜拉索疲劳损伤的影响。     

斜拉索非线性固有振动特性分析

在考虑斜拉索静平衡时索曲线的基础上，建立了斜拉桥索大幅振动的非线性动力方程，采用傅立叶级数法研究求解了斜拉索非线性固有振动方程。还通过实例计算对斜拉索大幅振动特性进行了讨论分析。     

斜拉索的不稳定振动及控制

研究斜拉索在支座运动激励下的不稳定性及其控制.建立斜拉索的运动方程,并用Galerkin法化为参激振动的常微分方程组.基于Floquet理论,分析其不稳定,通过数值计算确定不稳定区.比较控制与未控时不稳定区的变化,分析控制效果.弹性恢复力对于索不稳定性的控制效果比阻尼力更显著.     

斜拉索风雨激振中拉索和水线之间的耦合运动

斜拉索风雨激振严重影响到斜拉桥的安全运营,但其机理至今仍无定论.如何假定水线与拉索表面之间的作用力是建立风雨激振理论模型的难点之一.假定水线与拉索表面之间作用力包括库仑阻尼力和线性阻尼力,推导了拉索和水线的运动微分方程,建立了三维节段拉索风雨激振理论分析模型.采用数值方法对拉索和水线运动微分方程进行求解,得到了拉索和水线的运动规律.结果表明:拉索振动具有"限速"、"限幅"的特征,并能够采用拉索竖向气动力的突降进行解释;水线在拉索表面的平衡主要是气动力和重力之间的平衡,拉索运动产生的附加惯性力为水线往复运动提供能量,而库仑阻尼力和线性阻尼力则消耗能量阻止水线从拉索表面脱落.     

考虑局部拉索振动的斜拉桥抖振响应分析

桥梁结构的抖振响应受抖振力和结构动态特性的影响。在有限元分析中,建立结构动态特性矩阵时将斜拉索处理成直杆单元而忽略拉索局部振动的影响。在考虑拉索锚固点随结构运动的情况下,推导出斜拉索局部振动引起的拉索动张力公式。分析认为,虽然斜拉索的局部振动对结构整体抖振响应的影响不甚显著,但结构整体运动对斜拉索的局部振动有显著影响。     

斜拉桥斜拉索表面损伤状态下风致振动特性研究

斜拉桥斜拉索在生产、运输、安装和运营过程中,可能产生划痕、裂缝等损伤,研究斜拉索在表面损伤状态下的风致振动特性,对于准确评估斜拉索在其服役期内的气动稳定性能具有重要意义。通过对光滑和表面存在凹痕的斜拉索模型进行风洞测振试验,分析了雷诺数、来流风向和凹痕尺寸等参数对斜拉索风致振动特性的影响规律,并对振动状态进行了初步判断。结果表明,表面存在凹痕的斜拉索模型的振动特征随雷诺数的整体变化趋势近似于光滑模型,但存在最不利风向,在此风向下,与光滑模型相比,表面存在凹痕的斜拉索模型的风致振动不仅在较低雷诺数发生,而且振幅较大,发生振动的雷诺数区间也较宽。此外,凹痕尺寸对斜拉索模型在试验雷诺数范围内风致振动特性的影响也非常显著,但并非简单的单调关系,而是与来流风向相关。根据模型风致振动频率与Den Hartog驰振准则,初步判断此风致振动不为涡激振动,而为驰振。     

斜拉索振动的ER-MR阻尼器半主动神经网络控制

建立了采用ER—MR阻尼器作斜拉索的基于神经网络的半主动控制方法。该方法采用离线训练好的神经网络兼作系统状态观测器和系统控制器，并根据ER／MR阻尼器特点，引入面向速度剪切的半主动控制策略，实现神经网络对斜拉索进行在线带自反馈的半主动控制。数值试验的结果表明：采用神经网络进行半主动控制，能够达到很好的控制效果，整条斜拉索的振动都得到有效的抑制。     

三维覆冰斜拉索风致振动驰振分析

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结构的安全,因此,有必要对覆冰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。     

斜拉索抗风振、雨振的阻尼技术措施

1　振动的原因与类型一般讲斜拉索在风激励下发生的振动是随机振动 ,它的振动性质可用随机振动的各域信息进行描述。但是在特定的雨作用下 ,又有特定的不变风速吹激下 ,斜拉索发生振动的振幅会明显增大 ,一根近 2 0 0米的拉索中间位移振幅最大达 2米 ,目视明显可见 ,给人们造成心理紧张 ,有时还造成疲劳损坏 ,这时发生的振动比较复杂 ,但从主要特征分析可看作是自激振动。如何控制这类自激振动的振幅 ,可以进行一系列的实验 ,如 :雨大小不同 ,斜拉索表面摩擦系数不一样 ;风速不同 ,斜拉索背面产生卡门旋涡的间隔时间τ也不一样 ;等等。若 1/…