摘要：為明確長安街西延永定河大橋斜拉索的風(fēng)雨振特性，提出有效的減振措施;進(jìn)行斜拉索風(fēng)雨振計(jì)算分析，并通過風(fēng)洞試驗(yàn)分析風(fēng)速和雨強(qiáng)對斜拉索風(fēng)雨振的影響;研究不同阻尼比和斜拉索表面纏繞雙螺旋線的減振效果。結(jié)果表明：該橋大部分斜拉索在不采取減振措施的情況下有發(fā)生風(fēng)雨振的可能;斜拉索風(fēng)雨振的振幅隨著風(fēng)速的增大先增大后減小，隨著雨強(qiáng)的增大逐漸減小;增大阻尼比能有效減小斜拉索風(fēng)雨振的振幅。建議該橋斜拉索安裝阻尼器時(shí)，阻尼比不小于0.9%;當(dāng)螺旋線的直徑為1.2mm時(shí)，單根螺旋線的間距取6倍的斜拉索直徑;當(dāng)單根螺旋線的間距為12倍的斜拉索直徑時(shí)，螺旋線的直徑取2.0mm。

　　關(guān)鍵詞：斜拉索;風(fēng)雨振;風(fēng)洞試驗(yàn);風(fēng)速;雨強(qiáng);減振措施;阻尼比;螺旋線

　　1引言

　　隨著現(xiàn)代斜拉橋跨度的不斷增大，斜拉索作為主要受力構(gòu)件，其長度不斷增加，剛度不斷減小，風(fēng)振問題日益突出。在斜拉索的各種振動(dòng)形式中，風(fēng)雨振由于具有振幅大和破壞嚴(yán)重的特點(diǎn)受到了國內(nèi)外設(shè)計(jì)和研究人員的高度關(guān)注。斜拉索風(fēng)雨振最早于20世紀(jì)在日本的名港西大橋上被觀測到。此后，在美國的弗雷德·哈特曼橋(FredHartmanBridge)、英國的塞文二橋(Sec-ondSevernBridge)、法國的布魯東納橋(BrotonneBridge)、德國的科爾布蘭特橋(KoehlbrantBridge)以及我國的楊浦大橋、南京長江二橋、岳陽洞庭湖大橋等國內(nèi)外多座大橋上均觀測到了這種振動(dòng)現(xiàn)象。

　　橋梁建設(shè)論文范例：道路橋梁工程的原材料試驗(yàn)檢測技術(shù)

　　長期頻繁的大幅度斜拉索風(fēng)雨振不僅會(huì)降低鋼絲的抗疲勞性能，也可能導(dǎo)致索錨連接處開裂，破壞其防腐系統(tǒng)。Hikami、Flamand、顧明和李永樂等通過風(fēng)洞試驗(yàn)分析了風(fēng)速、風(fēng)向角及斜拉索頻率等參數(shù)對風(fēng)雨振的影響，找出了風(fēng)雨振易發(fā)生的條件[1-4]。許林汕等[5]在高精度降雨環(huán)境下發(fā)現(xiàn)斜拉索風(fēng)雨振根據(jù)風(fēng)速和雨量可分為4個(gè)區(qū)間。陳政清[6]通過現(xiàn)場觀測的方法，分析了斜拉索風(fēng)雨振過程中，風(fēng)速、雨量、風(fēng)向角等參數(shù)對振動(dòng)的影響規(guī)律。李文勃、顧明、劉慶寬和李壽英等分析了螺旋線、橢圓環(huán)、凹坑等措施對斜拉索風(fēng)雨振的影響[7-10]。以上這些均是針對斜拉橋的斜拉索風(fēng)雨振展開的研究。永定河大橋?yàn)槿�鋼高矮雙塔斜拉剛構(gòu)組合橋，其結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，地理位置特殊，一旦發(fā)生斜拉索風(fēng)雨振，將會(huì)造成嚴(yán)重的影響。因此有必要對該橋進(jìn)行風(fēng)雨振計(jì)算分析，明確發(fā)生風(fēng)雨振的斜拉索范圍。通過風(fēng)雨振風(fēng)洞試驗(yàn)，分析各參數(shù)對風(fēng)雨振的影響，找出發(fā)生風(fēng)雨振的最不利條件，在此基礎(chǔ)上，研究斜拉索風(fēng)雨振的減振措施。

　　2工程概況

　　長安街西延項(xiàng)目地跨門頭溝區(qū)和石景山區(qū)，西起現(xiàn)況三石路，終點(diǎn)位于現(xiàn)況長安街與古城大街交點(diǎn)，道路全長6.459km。永定河大橋?yàn)殚L安街西延線的一座大型橋梁，總長1353.8m。主橋?yàn)橹骺?80m的全鋼高矮雙塔斜拉剛構(gòu)組合橋，全長639m。引橋均為現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋，全長714.8m。永定河大橋?qū)嵕叭鐖D1所示。主橋?yàn)楦甙�拱形鋼塔、橫梁連接分離式鋼箱的斜拉剛構(gòu)組合體系橋，橋梁中線與河道中線斜交角57.40°。高塔處采用塔梁墩固結(jié);矮塔處為塔梁固結(jié)，梁底設(shè)單向活動(dòng)支座。主橋橋面分幅布置，中央設(shè)計(jì)隔離護(hù)桿。北半側(cè)橋跨徑組合為(50+133+280+120+56)m，南半側(cè)橋跨徑組合為(50+158+280+95+56)m，橋梁標(biāo)準(zhǔn)寬度47m。高、矮塔采用全鋼結(jié)構(gòu)，高塔橋面以上高約112m，南、北塔肢傾斜角分別約為61°和71°，矮塔橋面以上高約66m，南、北塔肢傾斜角分別約為74°和58°。

　　主梁采用分離式變截面鋼箱，中間用橫梁連接。橫梁間距3m，車行道部分為正交異性鋼橋面板。中跨主梁寬度采用54.9～47～53.7m漸變。邊跨主梁寬度均為47m，主梁為全焊接鋼箱斷面。斜拉索采用豎琴式漸變距離布置，塔上索間距2.90～7.26m，梁上索間距3.76～14.4m，索長24.76～237.82m。全橋斜拉索共112根，其中高塔中跨斜拉索采用PES7-151型號，索體外直徑114mm，共34根;其余部分斜拉索采用PES7-139型號，索體外直徑110mm，共78根。斜拉索索體采用��7mm高強(qiáng)度鋼絲，表面采用鋅鋁混合稀土合金鍍層，抗拉強(qiáng)度不低于1860MPa。鋼絲束外層熱擠雙層高密度聚乙烯。

　　3斜拉索頻率計(jì)算

　　既有實(shí)橋觀測結(jié)果發(fā)現(xiàn)，長度較長、頻率較低的斜拉索發(fā)生風(fēng)雨振的可能性更大。發(fā)生風(fēng)雨振時(shí)，斜拉索的振動(dòng)頻率一般小于3Hz。因此通過計(jì)算永定河大橋各斜拉索的頻率來明確可能發(fā)生風(fēng)雨振的斜拉索。

　　4斜拉索風(fēng)雨振風(fēng)洞試驗(yàn)

　　4.1試驗(yàn)設(shè)備

　　永定河大橋斜拉索風(fēng)雨振試驗(yàn)在風(fēng)洞試驗(yàn)室進(jìn)行，為回、直可變串聯(lián)雙試驗(yàn)段風(fēng)洞，可進(jìn)行風(fēng)吹雨、風(fēng)吹雪和污染擴(kuò)散等多相流試驗(yàn)。斜拉索試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷闹睆綖?14mm，長度為2.5m。試驗(yàn)?zāi)Ｐ屯ㄟ^4根彈簧懸掛在試驗(yàn)支架上。斜拉索的頻率為1.12Hz，阻尼比約為0.1%。降雨系統(tǒng)主要由3部分組成：①供水部分主要負(fù)責(zé)提供水源，主要包括水箱和水泵;②噴淋部分主要由4組下噴式噴頭組成，每一組噴頭分別對應(yīng)3種不同口徑的噴頭，通過組合不同口徑噴頭可以變化降雨強(qiáng)度;③控制反饋部分的主要功能是控制整個(gè)降雨系統(tǒng)的工作，主要包括控制面板、雨量計(jì)和電子開關(guān)等。采用力傳感器來測量懸掛斜拉索模型彈簧的力時(shí)程，由力時(shí)程推算得到斜拉索模型的振動(dòng)位移時(shí)程。采用眼鏡蛇探頭監(jiān)測來流風(fēng)速。

　　4.2風(fēng)速和雨強(qiáng)對斜拉索振幅的影響

　　根據(jù)已有的參考文獻(xiàn)[3]可知，當(dāng)斜拉索的傾角為30°、風(fēng)偏角為30°左右時(shí)，斜拉索發(fā)生風(fēng)雨振的振幅最大。鑒于此，主要探討斜拉索的傾角為30°、風(fēng)偏角為30°時(shí)，風(fēng)速、雨強(qiáng)2個(gè)參數(shù)對斜拉索振幅的影響。

　　4.2.1風(fēng)速的影響

　　斜拉索的傾角為30°，風(fēng)偏角為30°，雨強(qiáng)為10mm/h，試驗(yàn)風(fēng)速從9.5m/s變化到15.5m/s，變化步長為1.5m/s。

　　4.2.2雨強(qiáng)的影響

　　斜拉索傾角為30°，風(fēng)偏角為30°，試驗(yàn)風(fēng)速為12.5m/s，雨強(qiáng)從10mm/h變化到70mm/h，變化步長為20mm/h。

　　5斜拉索風(fēng)雨振的減振措施研究

　　5.1阻尼減振措施

　　阻尼是表征結(jié)構(gòu)耗散運(yùn)動(dòng)能量的特征參數(shù)，增大阻尼可以減小結(jié)構(gòu)的振動(dòng)[12-16]。實(shí)際工程中無附加阻尼裝置的斜拉索的阻尼比一般在0.1%左右。鑒于此，分析了0.1%、0.3%和0.9%三種不同阻尼比情況下斜拉索振幅隨風(fēng)速的變化規(guī)律，與0.1%的阻尼比相比，0.3%的阻尼比對應(yīng)的斜拉索的振幅雖然有所減小，但減小幅度不是很大，當(dāng)阻尼比增加到0.9%時(shí)，減振效果非常明顯，斜拉索模型基本沒有發(fā)生大幅振動(dòng)。基于此，建議永定河大橋斜拉索安裝阻尼器時(shí)，阻尼器提供的阻尼比不小于0.9%。

　　5.2螺旋線減振措施

　　既有研究表明，斜拉索風(fēng)雨振是由于風(fēng)作用下雨水在斜拉索表面形成雨線，改變了斜拉索的氣動(dòng)外形，從而誘發(fā)斜拉索產(chǎn)生大幅振動(dòng)。在斜拉索表面纏繞螺旋線可以破壞雨線的形成，從而起到減振作用。但螺旋線的具體參數(shù)，如直徑和間距等對減振效果的影響規(guī)律，仍值得進(jìn)一步分析。鑒于此，針對布置雙螺旋線的斜拉索，研究不同螺旋線直徑和不同螺旋線間距對斜拉索振幅的影響規(guī)律。

　　6結(jié)論和建議

　　為明確長安街西延線永定河大橋斜拉索的風(fēng)雨振特性，提出有效的減振措施，開展了斜拉索風(fēng)雨振計(jì)算分析、風(fēng)洞試驗(yàn)和減振措施研究，得到了如下結(jié)論和建議：

　　(1)除了較短的幾根斜拉索外，永定河大橋大部分斜拉索的基頻小于3Hz，在不采取減振措施的條件下有發(fā)生風(fēng)雨振的可能。

　　(2)斜拉索風(fēng)雨振的振幅隨著風(fēng)速的增大呈現(xiàn)出先增大后減小的變化規(guī)律，在風(fēng)速為12.5m/s左右時(shí)振幅最大。斜拉索風(fēng)雨振的振幅隨著雨強(qiáng)的增大而減小。

　　(3)增大阻尼比能夠有效地減小斜拉索風(fēng)雨振的振幅。建議永定河大橋斜拉索安裝阻尼器時(shí)，阻尼器提供的阻尼比不小于0.9%。

　　(4)增大螺旋線直徑或者減小螺旋線間距，均能提高斜拉索風(fēng)雨振的減振效果。建議永定河大橋斜拉索采用表面纏繞雙螺旋線的減振措施時(shí)，當(dāng)螺旋線的直徑為1.2mm時(shí)，單根螺旋線的間距取6倍的斜拉索直徑;當(dāng)單根螺旋線的間距為12倍的斜拉索直徑時(shí)，螺旋線的直徑取2.0mm。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1]HikamiY，ShiraishiN.Rain-windInducedVibrationsinCableStayedBridges[J].JournalofWindEngineeringandIndustrialAerodynamics，1988，29：409-418.

　　[2]FlamandO.Rain-windInducedVibrationofCables[J].JournalofWindEngineeringandIndustrialAerodynam-ics，1995，57：353-362.

　　作者：張為1，劉慶寬2，劉小兵2