斜拉橋拉索減振方法與展望

馬洪山

[摘要]系統的介紹斜拉橋拉索振動的形式和起振原因，并且對當前斜拉索減振的方法進行系統的總結和概括，同時提出對斜拉索減振的發展看法。

[關鍵詞]斜拉橋斜拉索 減振 措施

中圖分類號：TB1文獻標識碼：A文章編號：1671－7597（2009）0320090－01

一、概述

隨著社會的發展，交通運輸越來越重要，在交通事業的發展中，橋梁也越來越重要。在現代的社會里，各種橋梁應運而出。在所有的橋型中斜拉橋以其輕盈美觀的造型以及簡單明確合理的受力形勢得到了人們的廣泛認同，在現代橋梁發展中舉足輕重。但是隨著該橋型的發展新的問題也就體現出來。就是斜拉索在各種外界荷載作用下產

生的振動嚴重影響了斜拉橋的安全和使用壽命，從而制約了斜拉橋的發展，尤其是大跨度斜拉橋的發展。應時之需，斜拉橋拉索德減振問題也成為工程界及學術界研究的熱門。

二、斜拉橋拉索振動的原因

大跨徑斜拉橋的拉索由于其自身阻尼較小且長細比較大，非常容易產生各種形式的振動。到目前為止，人們已經了解到拉索典型的振動形式主要有以下幾種：

（一）渦激振動。當平均風流經圓形的拉索時，在其尾流中將出現交替脫落的漩渦。當拉索的卡曼渦脫的頻率接近拉索橫風向振動的某階固有頻率時，將激起拉索該階頻率的橫風向振動。拉索的渦激振動是一種常見的振動形式，由于其發振風速較低，所以很容易使拉索產生連續不斷地長時間振動，大大縮短拉索的使用壽命。通過研究，渦激振動作為一種帶有自激性質的強迫振動。有如下特征：是一種在較低風速區發生的有限振幅振動；在某一風速區域內發生，在該區域將產生一種“鎖定”現象；最大振幅對阻尼有很大的依賴性；響應對斷面形狀的微小變化很敏感等 。一般認為只要將拉索的對數衰減率達到0.01－0.015范圍內就可以取得較好的減振效果。

（二）尾流馳振。斜拉橋中常常為了方便施工減小每根拉索的張拉力，采用互相平行且距離很近的2根或多根拉索組成的索組時（如天津永河橋），由于上風向拉索的尾流作用而使下風向拉索產生更大的風致振動，這種振動稱為尾流馳振。由于2排拉索的固有頻率相同，后排拉索將受到前排拉索尾流的激發，在尾流區域形成一個不穩定的馳振區，如果后排拉索正好處于馳振區，共振幅度就會不斷增大，直到一個極限為止。在日本的柜石島橋、巖黑島橋、幸魂大橋以及我國的武漢長江二橋上都看到這種現象。另外，拉索的間隔在10～20倍拉索的直徑范圍內可以看到一種稱為尾流顫振的振動現象。橋梁工程師認為將拉索的對數衰減率達到0.05以上就可以抑制拉索的尾流馳振。

（三）風雨振動。1984年日本在建造MeikoNishi（名港西）橋時，就發現了一種同下雨有關的，對大跨度橋梁構成嚴重威脅的大幅度斜拉索振動現象。風雨振動的模態從1階到4階，且振動頻率為1.0-3.0Hz。斜拉索的風雨振動除了與風量和雨量的大小有關外，還與風向對于斜拉索的方位有密切關系。當拉索是順風向向下傾斜并且風速達到某一特定值時，雨水在空氣力的作用下克服了重力和索表面的摩擦力后爬上斜索的上表面而在與索頂面成一傾角處形成一條上水路。研究證明，上水路的形成改變拉索的截面形式使拉索變成氣動不穩定結構，在風力的作用下拉索就會產生低階大幅振動，上水路的形成是拉索發生風雨振動的基本條件L4。對付風雨振動的方法一是改變拉索表面形式防止上水路的形成；二是將拉索的對數衰減率提高到0.02-0.03就可以取得較好的減振效果。

（四）參數振動。當橋梁以總體彎曲頻率振動并且該頻率與某根拉索固有頻率成倍數關系時，拉索就會產生參數振動。從理論上講，這是因為拉索端部以拉索固有頻率倍數振動時，相當于給拉索附加一個負阻尼力，當拉索本身的初始阻尼不能消耗負阻尼力提供的能量時，拉索就會產生發散的不穩定自激振動。而實際上，由于拉索的振動和作為支撐點的橋塔和橋面的振動是相互牽制的，橋梁結構的振動不會是發散振動（從設計上保證）的，拉索的橫向振動也不可能出現一般參數共振所具有的發散現象，而是一種限幅的參數振動。

三、大跨徑斜拉橋拉索減振的主要措施

（一）阻尼器方式。拉索振動必須滿足兩個條件：其一是頻率吻合；其二是外界提供充足的能量。只有外界產生的激勵力提供的能量大于拉索振動所需要的初始勢能，并滿足拉索在振動過程中拉索自身結構阻尼所消耗的能量時才能產生風振。阻尼器方式的目的就是提高拉索的結構阻尼，目前應用的阻尼器都是速度依存型的，可以利用復數特征值法求解阻尼器所要提供的阻尼。如果不考慮拉索垂度和阻尼器自身剛度對減振效果的影響，可以用圖1來確定阻尼器所要提供的阻尼。從圖中可以看到拉索在安裝上阻尼器后所獲得的最大模態阻尼比∈．與阻尼器的安裝高度參數x／L有關。安裝高度參數x／L越大則附加到拉索的模態阻尼越大。但是，實際由于阻尼器結構和橋梁景觀的限制，阻尼器不可能安裝得太高，通常將其安裝在護欄高度以下范圍內。下表主要介紹了幾種阻尼器的性能比較：

幾種常用斜拉橋拉索減振阻尼器性能比較