大跨度纜索承重橋并列索尾流激振研究

杜曉慶　蔣本建　代欽　王國硯　孫雅慧

摘要：近距離并列索（并列吊索和并列斜拉索）在大跨度纜索承重橋中應用廣泛，下游索常會發生尾流致渦激共振、尾流馳振和尾流顫振等尾流激振。以間距為4D（D為圓柱直徑）的串列和錯列雙圓柱的尾流致渦激共振和尾流馳振為研究對象，在風攻角為0°～20°的條件下，主要通過風洞試驗研究了下游圓柱發生尾流激振的起振條件、振動幅度和運動軌跡，研究了提高結構阻尼比的減振效果，討論了尾流馳振的雷諾數效應，結合靜止雙圓柱繞流場的大渦模擬結果對尾流干擾機理進行了探討。研究表明：在某些風攻角下，下游圓柱的尾流致渦激共振振幅遠大于單圓柱渦激共振振幅；在0°以外的其他風攻角下，下游圓柱均發生大幅尾流馳振，但小攻角（5°和10°）與大攻角（20°）下的尾流馳振現象有明顯差別，很可能存在不同的流場激勵機理；風攻角為15°時，下游圓柱的尾流馳振有明顯的雷諾數效應，其動力響應特性與經典馳振不同，下游圓柱起振后的振幅和運動軌跡隨雷諾數（風速）的增大呈現復雜的變化形態；提高結構阻尼比可有效抑制下游圓柱的尾流致渦激共振，但對尾流馳振的減振效果不佳。

關鍵詞：并列索；尾流激振；風洞試驗；雷諾數效應；振動控制

引言

近距離并列索在大跨度纜索承重橋中應用廣泛。大跨度懸索橋的吊桿常采用一個吊點并列兩根或多根吊索的并列索形式，近距離并列雙斜拉索的結構形式在單索面斜拉橋中也較為常見。當多根索相鄰布置時，下游索受到上游索的尾流干擾常會發生尾流激振現象。

并列索的尾流激振存在多種不同的機理機制，Fujino和Siringoringo總結了以往的研究成果，把并列索的尾流激振分為尾流致渦激振動（wake-in-duced vortex vibration）、尾流馳振（wake galloping）和尾流致顫振（wake-induced flutter）等振動類型。其中，尾流致渦激振動是一種限幅限速振動，而尾流馳振和尾流顫振則是發散性自激振動現象。隨著橋梁跨徑的大幅增大，長度長、剛度小、阻尼低的并列索發生尾流激振的可能性也大大提高。

研究者主要通過風洞試驗研究并列圓柱的尾流激振現象，剛性節段模型和氣彈模型是兩種常用的風洞試驗模型。Fujino等采用足尺節段模型研究了2根和3根并列拉索模型的尾流馳振發生條件和振動控制措施。Kim等研究了兩根并行和不平行的圓柱模型的尾流馳振現象。Tokoro等?；谧愠邭鈴椖Ｐ驮囼炗懻摿苏蹨p風速和雷諾數對尾流馳振的影響。李永樂等通過縮尺氣彈模型研究了并列斜拉索模型尾流馳振的起振條件和振動控制措施。陳政清等則研究了懸索橋串列主纜氣彈模型的氣動干擾。

單圓柱的氣動性能和繞流場特性有強烈的雷諾數效應，同樣固定靜止的雙圓柱也有顯著的雷諾數效應。Tokoro也曾指出并列索的振動特性會受到雷諾數的影響，但目前研究尾流激振雷諾數效應的成果非常少。

本文以串列、錯列雙圓柱的尾流致渦激振動和尾流馳振為研究對象，通過風洞試驗，在圓柱中心間距為4D，風攻角為0°，5°，10°，15°和20°，雷諾數為18000～168800等條件下，首先研究兩自由度下游圓柱的起振條件、振動幅度、振動軌跡及其隨折減風速、雷諾數的變化規律；然后研究了提高結構阻尼比對尾流激振的減振效果，并討論了尾流馳振的雷諾數效應；最后結合靜止雙圓柱繞流場的大渦模擬結果對尾流干擾機理進行了探討。