斜拉橋拉索振動問題及振動抑制措施

陳兵　祝金偉

【摘 要】隨著斜拉橋跨徑的不斷增長，拉索振動問題愈發突出。本文總結了拉索不同振動形式的各自特點，并對工程上常用的拉索抑制措施的應用范圍和有效性進行了介紹。

【關鍵詞】斜拉橋；拉索；振動；振動抑制措施

Cable vibration and Vibration-suppression-measures

CHEN Bing，ZHU Jin-wei

（State Key Laboratory for Disaster Reduction in Civil Engineering， Tongji University， Shanghai 200092，China）

【Abstract】With the increase of the span of cable-stayed bridge， the issue of vibration of cables is becoming further serious. In this paper， the characteristics of different vibration forms of cables are summarized， and the application scope and effectiveness of the cable vibration-suppression-measures are introduced.

【Key words】Cable-stayed Bridge；Cable；Vibration；Vibration-suppression-measures

0 前言

斜拉橋拉索具有質量小、柔度大、阻尼低等特點，容易受外荷載激勵（如風荷載、車輛荷載等）發生振動。由于導致拉索發生振動的原因很多，而不同的起振機理會導致不同的拉索振動形式，因此了解拉索不同振動形式各自的特點非常重要。同時，由于拉索振動的危害較大，在工程上常采取各類振動抑制措施對其進行合理控制。

1 拉索不同振動形式的特點

由于影響拉索振動的因素眾多，很多學者都試圖從振動機理和激勵源出發對拉索振動進行分類。吳海勇[1]按照振動激勵源的不同將拉索振動分為兩大類：由風的作用引起的拉索振動、由橋面或橋塔運動引起的拉索振動。徐明驍[2]則認為拉索的振動主要分為風雨激振、風致振動、索端部激勵引起的振動。本文參考前人的研究，根據不同的拉索起振機理，考慮實際發生的拉索振動現象，對拉索振動進行了細致的分類，如圖1所示。

渦振（vortex shedding）是由于風的旋渦在拉索表面脫落而引起的拉索振動。其在發展初期表現為強迫振動，但隨著振幅的增加，拉索運動對旋渦脫落和渦激力產生反饋影響，使其具有部分的自激特性。據相關研究及現場實測，拉索渦振一般以高階振動模態出現，發生的風速范圍很廣，振動幅值不大，通常情況下不會對斜拉橋造成大的損害。

馳振（galloping）是一種具有自激特征的單自由度振動形式，可以分為尾流馳振和橫流馳振。尾流馳振指拉索受前方結構物波動尾流的激發而引起的振動，橫流馳振則是由于升力曲線的負斜率所引起的發散性振動。馳振具有發散性，是各類拉索風致振動中最為危險的振動形式，在工程上有必要對其采取針對性的抑振措施。

抖振（buffeting）是由自然風中的紊流成分引起的順風向響應。拉索的抖振是一種限幅的強迫振動，具有發生風速低、頻率大[3]等特征，容易造成拉索連接處的疲勞破壞。

拉索風雨激振（wind-rain-induced-vibration）是在風和雨的聯合作用下拉索發生的大幅振動形式。風雨激振發生時，雨水會在拉索表面形成穩定的水線，沿傾斜的拉索向下流動。1986年，日本學者在Meiko-Nishi[4]大橋上首次觀察到這一發生在風雨天氣的拉索大幅振動現象，并將其命名為風雨激振，迄今國內外多座大跨度斜拉橋的拉索均發生過這種振動形式。

索端位移激勵振動。由于拉索兩端連接著主梁和橋塔，因此主梁和橋塔的自身振動會導致拉索兩端相對位移的變化，從而激發拉索振動。

2 拉索振動抑制措施

為保證橋梁結構的安全性和耐久性，在工程上需要對拉索采取振動抑制措施，以控制拉索發生振動時的振幅。目前，常用的拉索振動抑制措施主要可分為三種[5]：結構控制措施、機械控制措施和空氣動力學控制措施。

2.1 結構控制措施

最常用的結構控制措施是采用輔助索。通過將獨立的拉索聯結、組成拉索網體系，可以使拉索之間產生耦合作用，形成相互干擾；同時輔助索減少了單根拉索的自由長度，從而提高了拉索的固有頻率；另外輔助索可以使能量在不同拉索之間傳遞，從而達到抑制拉索振動的目的。

工程經驗表明，輔助索能有效減少拉索風雨激振的振幅，但其難以抑制拉索的高階振動，對于抑制渦激振動的效果也不是很明顯。同時，輔助索的疲勞問題比較突出，例如美國Texas橋的輔助索[6]在使用一年之后就出現了嚴重的疲勞破壞。

2.2 機械控制措施

機械控制措施指在拉索外部增加阻尼器來提高結構阻尼。阻尼器按照工作方式分為有被動式、半主動式和主動式三種。被動式是最常規和傳統的形式，即簡單的在拉索的適當部位安裝固定工作參數的阻尼器；主動、半主動式是指阻尼器的工作參數并不固定，能隨振動形式的不同而變化。被動式阻尼器對拉索的小幅高頻振動有良好的抑制作用，包括拉索的渦振、抖振、參數振動。但其對于拉索風雨激振、馳振等大幅低頻振動作用不大，并且隨著拉索長度的增加，被動式阻尼器的相對效率也隨之下降。

目前關于阻尼器的研究主要集中在主動、半主動式阻尼器對拉索風雨激振、馳振的抑制效果方面。陳政清[7]在岳陽洞庭湖大橋上進行了磁流變阻尼器試驗，經過三年的使用，證明它能可靠有效地抑制拉索的風雨振動。

2.3 空氣動力學控制措施

空氣動力學措施指對拉索表面進行處理（粗糙度改變、截面外形改變），從而改善拉索的風振性能，其主要原理是通過改變拉索周圍流場特性或破壞斜拉索表面水線的形成來達到對拉索風雨激振及風振的抑振作用。

多年的工程應用經驗表明，空氣動力學控制措施對拉索風振、風雨激振的抑制效果非常好，且其具有費用低、幾乎不需維護的優點。目前主要的運用形式有在拉索表面設置縱向肋條（或開凹槽）、在拉索表面壓制凹坑、表面設置橢圓環、在拉索表面安裝鰭、在拉索表面纏繞螺旋線或間隔纏繞帶狀物等。

目前，學者們對空氣動力學控制措施的研究主要集中在對抑振機理的探究以及新的氣動外形的嘗試。李文勃、林志興[8]認為在拉索表明增加了氣動措施，其作用類似于安裝阻尼器來增加拉索的機械阻尼比。Matsumoto[9]研究了表面帶凸出的拉索，認為這種（下轉第145頁）（上接第140頁）拉索能控制雨水沿拉索表面的振蕩。

2.4 抑振措施的合理選用

應該知道，以上三種不同的抑振措施都有其各自的特點及適用范圍，在具體應用的過程中應該進行綜合考慮比選。比如采用某些氣動外形能有效抑制拉索風雨激振，但其可能會形成馳振不穩定斷面；輔助索措施在抑制拉索低頻、高幅值振動的同時，也有加劇尾流渦振的可能性；阻尼器形式的選擇更是應該具有針對性，需要結合拉索發生各類振動的可能性進行設計。

總而言之，拉索抑制措施的采用必須同時兼顧拉索的各種振動形式，只有能同時將各種振動降低到最小或者消除的振動控制措施才是最優的減振措施。因此尋求最優的拉索減振措施是風工程研究者和橋梁工作者的共同難題，也是大跨斜拉橋發展必須解決的問題。

3 結束語

總之，拉索振動具有形式多樣、影響因素眾多、破壞性強等特征，在振動機理上的研究需要進一步的深入。另外，由于拉索振動無法避免，在工程實踐中更多的關心其振動抑制問題，對不同抑制措施的有效性進行深入探討也非常重要。

【參考文獻】

[1]吳海勇.斜拉橋拉索振動控制[D].同濟大學，2000.

[2]徐明驍，葛耀君，馬婷婷，等.大跨度斜拉索參數振動研究[J].科學技術與工程， 2011，11（19）：4509-4515.

[3]Emil Simiu. Wind Effects on Structures： Fundamentals and Applications to Design[J]. Third Edition，1996.

[4]Hikami Y.，Shiraishi N. Rain-wind induced vibrations of cables stayed bridges[J]. Journal of Wind Engineering & Industrial Aerodynamics， 1988，29（1-3）：409-418.

[5]許林汕.基于高精度風雨模擬試驗系統的斜拉索風雨振試驗和分析[D].同濟大學，2008.

[6]Matsumoto Masaru， Yagi Tomomi， Shigemura Yoshinori， et al. Vortex-induced cable vibration of cable-stayed bridges at high reduced wind velocity[J]. Journal of Wind Engineering & Industrial Aerodynamics， 2001，89（7-8）：633-647.

[7]陳政清.斜拉索風雨振現場觀測與振動控制[J].建筑科學與工程學報，2005，22（4）：5-10.

[8]李文勃，林志興，LiWenbo，等.抑制斜拉橋拉索風雨激振的氣動措施研究[J].土木工程學報，2005，38（5）：48-53.

[9]Matsumoto M.， Shiraishi N. Aerodynamic Behavior of Inclined Circular Cylinders-Cable Aerodynamics[J]. Journal of Wind Engineering， 1990，33（1）：63-72.

[責任編輯：朱麗娜]