斜拉索振動控制研究

李書慶

南陽理工學院土木工程學院（473000）

斜拉索振動控制研究

李書慶

南陽理工學院土木工程學院（473000）

隨著斜拉橋的跨徑越來越大，如何抑制斜拉索的振動引起了國內外學者越來越多的關注。這里探討了控制斜拉索振動的三種措施：空氣動力學措施、結構措施與機械阻尼措施，并介紹了機械阻尼器系統設計原理。

振動；控制；措施；原理

斜拉索是斜拉橋的關鍵構件,考慮到斜拉索的柔性、相對較小的質量及較低的阻尼，在風雨共同作用及車輛荷載作用下極易發生振動。斜拉索振動可分為兩大類:風致振動和非風致振動。風致振動包括渦激振動、尾流馳振、馳振、風雨激振等，非風致振動主要指參數振動和內共振(支座激振)。斜拉索的大幅振動容易引起錨固端疲勞，損壞斜拉索端部的腐蝕保護系統，縮短斜拉索的使用壽命，嚴重時要封閉交通。斜拉索振動已成為大跨徑斜拉橋亟待解決的關鍵問題之一，目前控制斜拉索振動有三種措施:空氣動力學措施、結構措施與機械阻尼措施。

1 空氣動力學措施

空氣動力學措施通過改變斜拉索的剖面形狀，從而破壞斜拉索上水線的生成或改變拉索的氣動外形，達到對渦激共振、風雨激振等不同振動形式的減振作用。采用空氣動力學減振措施后不會引起斜拉索其他形式的不穩定振動。空氣動力學減振措施主要包括以下幾種方法:

1）多邊形剖面的斜拉索。多邊形剖面可以控制水線在斜拉索表面的位置，防止水線在能引起斜拉索不穩定振動位置的形成，能有效抑制斜拉索的風雨激振現象。

2）縱向肋條(表面開設凹槽)。縱向肋條由斜拉索表面沿軸向開設凹槽形成。這種剖面形式能夠將雨水在凹槽中沿斜拉索軸向流動，不會因雨水積聚形成水線，從而避免風雨激振現象的發生。這種斜拉索表面處理一要考慮美觀；二要考慮在凹槽的拐

角處不能產生大的應力集中，以免縮短保護層的壽命；三要防止出現其他形式的氣動不穩定及增大阻力系數。

3）螺旋線。螺旋線即在斜拉索表面沿軸向螺旋纏繞帶狀物，這是一種傳統的建筑物抗風振措施。螺旋線主要用于減小渦激振動，破壞或減小脫落旋渦的相關性。螺旋線可以破壞水線，減弱斜拉索風雨激振。

4）表面凹坑[1]。表面凹坑即在斜拉索表面按照一定的排列方式和覆蓋率，通過在斜拉索表面壓設一定形狀和大小的凹孔，破壞水線的形成，抑制風雨激振。

5）在斜拉索表面每隔一定角度安裝一根與軸向平行的細桿。使得水線在多個確定位置形成。上水線被限制不能圓周向移動，抑制風雨激振現象的發生。這與軸向開設凹槽的減振機理相似，但斜拉索阻力系數將增大，不適宜很長的拉索。

空氣動力學減振措施維修、保養簡便，費用較低。但是，不妥當的空氣動措施會增加索的阻力系數，從而增加作用于索的風荷載。

2 結構措施[2]

結構措施主要是輔助索方法。輔助索是指在斜拉索之間用高強度鋼繩連接而形成一個索網體系，其作用是減小斜拉索的自由長度，提高斜拉索的固有頻率和整個索面的剛度，使斜拉索之間產生耦合作用，形成有干擾效應的索網結構。也可用高阻尼材料做輔助索，以提高系統阻尼，達到抑制斜拉索風雨激振、參數共振等振動的目的。

然而輔助索方法在實際工程中的應用并不是很普遍。首先，輔助索與斜拉索所形成的索網結構較復雜，其減振作用和機理仍沒有確切定論，因此沒有比較完善的設計方法。設計、施工中只能依照工程經驗，發生了不少輔助索在使用不久后即發生損壞的事故；其次，輔助索破壞了原有斜拉索系統獨有的美觀效果。

3 機械阻尼措施[3]

斜拉索易于振動的主要原因是斜拉索具有非常低的固有結構阻尼，因此增加斜拉索阻尼是控制斜拉索振動特別是風雨振最直接、最有效的方法。研究表明，拉索的橫向振動只引起很低的應變，而采用高阻尼材料增加拉索結構阻尼的方法非常困難，因此在斜拉索和橋面之間安裝阻尼器成為必然的選擇。

1）高阻尼橡膠阻尼器。高阻尼橡膠阻尼器多內置在套管內部，尺寸較緊湊且不影響美觀，是國內外廣泛應用的方法之一。它的減振原理是利用高阻尼橡膠吸收振動的能量。實踐證明，因為橡膠阻尼器安裝高度較低，斜拉索在該處振動位移很小，吸收振動的能量有限，難以對風雨振等大幅強烈振動產生有效的控制。

2）油阻尼器。將油阻尼器通過支架系統連接在斜拉索上，由于連接點可以離開斜拉索錨頭且有一定距離，效果比橡膠墊圈好。油阻尼器應用最多，多為外置式，其可靠性已得到工程應用證實，技術成熟。油阻尼器最大缺點是阻尼介質密封的耐久性還不盡如人意，容易漏油，維護保養費用較高。油阻尼器只能提供軸向阻尼力，所以一根斜拉索一般需要安裝兩個成一定夾角的油阻尼器來控制斜拉索的索面內和索面外振動。

3）黏性剪切型阻尼器。簡稱VSD阻尼器，屬于第二代阻尼器。VSD阻尼器在橋面上固定一個容器，內置高黏性材料，再在斜拉索下方固定一塊插板，插板插入高黏性材料之中。當斜拉索振動時，插板使高黏性材料發生反復剪切變形，產生很高的阻尼并耗散振動能量。VSD阻尼器的優點是結構簡單，維護方便。一個VSD阻尼器可同時抑制面內、面外振動。缺點是阻尼力隨溫度變化，并偶有黏性體滲漏現象，外形也欠美觀。

4）磁流變阻尼器。簡稱MR阻尼器，是近年推出的一種高科技產品，屬于第三代阻尼器。MR阻尼器的構造與油阻尼器類似，它的工作液體是磁流變體。磁流變體是一種將亞納米細度的鐵粉與硅油混合制成的特殊材料。在外加磁場作用下，磁流變體可在幾毫秒的短時間內變為半流體，從而使阻尼變大。在MR阻尼器內引入電磁線圈，通過改變電流強度來調節阻尼力的大小。MR阻尼器是一種智能型的半主動阻尼器，由于卓越的使用性能，被認為是一種最有前途的新型阻尼器。

[1]王修勇.斜拉橋拉索振動控制新技術研究[D].中南大學博士學位論文,長沙:中南大學土木建筑學院，2002,7.

[2]周海俊.斜拉索振動控制理論與試驗研究[D].同濟大學博士學位論文,上海:同濟大學土木工程學院，2005,12.

[3]陳政清主編.橋梁風工程[M].北京:人民交通出版社，2005.