大跨度斜拉橋中斜拉索的時(shí)域減振研究

劉宗仁

（陜西 寶雞 721000）

0 引言

橋梁工程是現(xiàn)階段交通產(chǎn)業(yè)中施工質(zhì)量要求最高的工程類(lèi)型，橋梁建設(shè)質(zhì)量可直接影響到交通經(jīng)濟(jì)發(fā)展成效，各類(lèi)型橋梁的良好配合應(yīng)用，能幫助路橋工程完成較高質(zhì)量的建設(shè)目標(biāo)，提高產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢(shì)。斜拉橋是拉索橋體系中的一類(lèi)，按照受力情況建設(shè)的斜拉橋結(jié)構(gòu)，通常具備質(zhì)量輕盈、造型美觀等應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，可在橋梁建設(shè)中有較廣泛使用渠道。現(xiàn)階段我國(guó)所使用的大跨度橋梁類(lèi)型中，斜拉橋應(yīng)用占比較多，研究其時(shí)域減振成效，有較高價(jià)值。

1 案例概述

本文選擇的案例為典型斜拉橋結(jié)構(gòu)，處于某市城區(qū)與村鎮(zhèn)交界地帶，該斜拉橋右岸緊鄰村鎮(zhèn)，與上游省道橋梁僅相距1km 左右。該橋梁橫跨彎曲河段，河面寬度約為550m，若采用傳統(tǒng)橋梁建設(shè)形式，則施工工程量被大幅增加，該案例橋梁建設(shè)方案選用斜拉結(jié)構(gòu)，可有效針對(duì)彎曲河段進(jìn)行橋梁搭建。該橋其建設(shè)軸線的設(shè)計(jì)角度，經(jīng)測(cè)量與河流走向角度呈銳角，兩者方向上的交角在24°左右，橋梁立柱入水深度符合建設(shè)需求，最大入深達(dá)13m，本次設(shè)計(jì)中的橋梁可將現(xiàn)有河床條件進(jìn)行滿(mǎn)足。

該斜拉結(jié)構(gòu)橋梁在建設(shè)完畢后，不僅能對(duì)行車(chē)安全提供保障，還可結(jié)合鐵路線路，完成綜合形式下的應(yīng)用，可促進(jìn)當(dāng)?shù)亟煌ń?jīng)濟(jì)發(fā)展。該斜拉橋主橋長(zhǎng)度共計(jì)540m，選用單塔型制下的雙索面結(jié)構(gòu)，完成預(yù)應(yīng)力混合斜拉構(gòu)造，保證橋梁總體設(shè)計(jì)穩(wěn)定性。主橋主跨達(dá)256m，總長(zhǎng)（32+57+130+256+64）m，預(yù)留出足夠河面寬度，以供橋梁下方通航，斜拉橋梁主橋結(jié)構(gòu)使用的獨(dú)塔混合建設(shè)方式，能進(jìn)一步提高斜拉抗振性能，保證斜拉橋穩(wěn)定。圖1為某斜拉索結(jié)構(gòu)工程施工現(xiàn)場(chǎng)。

圖1 斜拉橋建設(shè)現(xiàn)場(chǎng)

2 斜拉索振動(dòng)機(jī)制

斜拉索結(jié)構(gòu)可產(chǎn)生渦激共振、尾流馳振及雨振等現(xiàn)象，這是因?yàn)樾崩瓨蛟趹?hù)外承擔(dān)交通作業(yè)，較易遭受雨雪、狂風(fēng)的侵襲，且橋梁路面和橋塔運(yùn)行中也會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)影響。在各類(lèi)因素綜合作用下，斜拉索會(huì)產(chǎn)生不同機(jī)制下的振動(dòng)頻率，若振動(dòng)行為較為嚴(yán)重，則將危害斜拉橋穩(wěn)定性，不利于交通產(chǎn)業(yè)良好運(yùn)作。

首先渦激共振是由卡門(mén)渦流和橫向振頻達(dá)到統(tǒng)一時(shí)產(chǎn)生的共振現(xiàn)象，此時(shí)風(fēng)速對(duì)共振頻率有較大影響，通常設(shè)計(jì)出的斜拉索結(jié)構(gòu)其渦激振動(dòng)頻率較低，共振對(duì)橋梁穩(wěn)定性影響較小，但當(dāng)風(fēng)速較大時(shí)，渦激力數(shù)值隨之增大，為降低該因素對(duì)橋梁影響程度，可附加斜拉索阻尼，起良好制振目標(biāo)。其次尾流馳振是由側(cè)索尾流作用導(dǎo)致振動(dòng)現(xiàn)象衍生出來(lái)的，該振動(dòng)類(lèi)型受后排斜拉索結(jié)構(gòu)馳振影響，將在后排產(chǎn)生較大幅度振動(dòng)現(xiàn)象，由此造成橋梁穩(wěn)定性危害，在設(shè)計(jì)中應(yīng)保持斜拉索間距變化的科學(xué)性，良好減振。最后在某類(lèi)風(fēng)向驅(qū)動(dòng)下，并伴有降雨情況，雨水能夠在斜拉索結(jié)構(gòu)中從上至下流淌，由此斜拉索原有截面形狀遭到改變，該形狀將呈現(xiàn)三角形，不利于空氣流動(dòng)期間產(chǎn)生的動(dòng)力穩(wěn)定，由此在風(fēng)的作用下產(chǎn)生雨振情況，該類(lèi)振動(dòng)也可借由增大結(jié)構(gòu)阻尼方式來(lái)進(jìn)行改變，降低振動(dòng)危害。

3 斜拉橋應(yīng)用成效

斜拉索的振動(dòng)都是由外部激勵(lì)引起的，而振動(dòng)的劇烈程度則由激勵(lì)的強(qiáng)弱、拉索本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及力學(xué)性能所決定[1]。斜拉橋的拉索減振措施也只能從兩個(gè)方面入手，即抑制拉索激勵(lì)的強(qiáng)度或改變拉索本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及力學(xué)性能。東神戶(hù)大橋其斜拉索表面呈現(xiàn)齒輪狀態(tài)，通過(guò)改變拉索結(jié)構(gòu)來(lái)優(yōu)化氣動(dòng)外形，起到減振目的；但通過(guò)抑制拉索動(dòng)力輸出激勵(lì)的方案，較難落實(shí)，可將減振思路放在對(duì)橋梁其余部件的制動(dòng)上，從而變相起到抑制拉索激勵(lì)輸出的效果。

例如通過(guò)在橋塔和主梁上安裝TMD（調(diào)諧質(zhì)量阻尼器）來(lái)抑制橋塔和主梁的振動(dòng)，幫助橋塔和主梁的振動(dòng)行為成為斜拉索的一種激勵(lì)，減振措施的作用絕大部分是改變拉索本身特性。現(xiàn)階段路橋工程建設(shè)中，通過(guò)改善拉索動(dòng)力性能來(lái)實(shí)現(xiàn)減振操作的方案較多，比如將斜拉索氣動(dòng)外形進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化、改善斜拉索結(jié)構(gòu)特征等，另外還有將斜拉索模態(tài)阻尼數(shù)值增大的方案，使拉索結(jié)構(gòu)與阻尼器互連，完成較高減振目標(biāo)。

4 動(dòng)力分析

本文案例所構(gòu)建的斜拉橋，其設(shè)計(jì)構(gòu)造相對(duì)復(fù)雜，因此探究其振動(dòng)機(jī)制及斜拉索時(shí)域減振效率，應(yīng)借助專(zhuān)業(yè)軟件來(lái)建模處理，著重分析振動(dòng)行為的動(dòng)力構(gòu)成，從而支持減振方案能以科學(xué)性目標(biāo)提出，落實(shí)制振成效。選擇有限元軟件對(duì)該斜拉橋動(dòng)力建模，橋梁的主塔、邊墩、輔墩等部件借用空間梁?jiǎn)卧浖鲆阅M，由此得到該橋梁節(jié)點(diǎn)數(shù)量共計(jì)為1926 個(gè)，其中空間梁模塊共1924 個(gè)、桿單元模塊共64 個(gè)、橋面模塊單元為840 個(gè)[2]。在將動(dòng)力分析對(duì)象建模處理后，可將該橋梁各節(jié)點(diǎn)下的斜拉索動(dòng)力指標(biāo)加以確定，由此更便于完成減振效果的評(píng)測(cè)過(guò)程。

5 CFD 分析

對(duì)案例斜拉橋梁進(jìn)行CFD 分析處理，首先要把斜拉索斷面做以簡(jiǎn)化模擬，可針對(duì)各斜拉索斷面做以單獨(dú)變量討論。在去掉沿橋軸向間隔布置的欄桿及立柱后，保留鋪裝層厚度及擋砟墻。其次，由于混凝土梁和鋼箱梁在斷面中間位置的高度不同，氣流流過(guò)時(shí)流場(chǎng)形態(tài)不同，可能導(dǎo)致三分力系數(shù)不同[3]。由此，本文需分別對(duì)鋼箱梁和混凝土梁進(jìn)行建模、網(wǎng)格劃分及計(jì)算分析。

CFD 分析中所需要使用到的計(jì)算域邊界情況見(jiàn)圖2，將斷面高度化作單位數(shù)值D，此時(shí)設(shè)計(jì)中所強(qiáng)調(diào)的5%阻塞率經(jīng)分析，可達(dá)到斜拉索規(guī)范建設(shè)需求。在分析階段，需要將結(jié)構(gòu)目標(biāo)進(jìn)行四邊形網(wǎng)格的差異化處理，由此可在較高運(yùn)作質(zhì)量下，提升分析的科學(xué)性，保證計(jì)算質(zhì)量。網(wǎng)格應(yīng)在尾流和靠近梁壁的地方加密處理，便于探索該類(lèi)區(qū)域下的流動(dòng)趨勢(shì)，捕捉瞬時(shí)數(shù)值，該階段網(wǎng)格密度可設(shè)置1mm 作為最小單位，保證靠近梁壁處的首層探索分析結(jié)果更具精準(zhǔn)度。

靜力不同系數(shù)下的分力數(shù)值，可在結(jié)構(gòu)斷面的CFD 分析中起到良好參數(shù)支持，通過(guò)分析不同結(jié)構(gòu)斷面下的風(fēng)力作用影響，可展示出無(wú)量綱參數(shù)，較好反映出斜拉橋在不同風(fēng)場(chǎng)強(qiáng)度下的準(zhǔn)定常氣動(dòng)數(shù)值，由此便可為減振性能提供理論數(shù)據(jù)，提升測(cè)試精準(zhǔn)性。結(jié)合CFD 分析模擬數(shù)值，可將斜拉索設(shè)計(jì)完畢后投入運(yùn)行時(shí)的主梁靜力做以系數(shù)上的探究，可發(fā)現(xiàn)不同風(fēng)力能對(duì)斜拉索產(chǎn)生的動(dòng)力振動(dòng)影響不同，斜拉索其整體減振性能優(yōu)異。

圖2 CFD 分析計(jì)算域邊界條件

6 斜拉索減振效率

本文案例所進(jìn)行的減振方案是利用阻尼器來(lái)改變斜拉索阻尼情況，由此完成時(shí)域減振操作，提升斜拉橋運(yùn)行中的安全性。斜拉索其響應(yīng)變化有著較低敏銳度，在將阻尼器設(shè)備進(jìn)行加設(shè)后，可加快斜拉索結(jié)構(gòu)的響應(yīng)效率，由此完成對(duì)減振結(jié)構(gòu)的初步建設(shè)。阻尼器加裝完畢后，其作用機(jī)理并不是較為明顯的，但可有效改善長(zhǎng)度較長(zhǎng)的斜拉索在面對(duì)強(qiáng)風(fēng)時(shí)的敏銳程度，比如當(dāng)外界風(fēng)速較大時(shí)，安裝了阻尼器的長(zhǎng)斜拉索可比未安裝的拉索響應(yīng)更快、減振幅度更高。

但阻尼器在風(fēng)速偏小情況下，其作用效果一般，能夠起到的減振成效相對(duì)偏低，且耗能依舊。因此對(duì)阻尼器減振方案應(yīng)辯證看待，結(jié)合現(xiàn)有斜拉橋梁建設(shè)情況，選擇適宜的減振方案，將斜拉橋梁設(shè)計(jì)更具科學(xué)性，增強(qiáng)路橋工程的安全程度。

7 結(jié)論

綜上所述，對(duì)斜拉索橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行振動(dòng)機(jī)制分析得到一定減振思路，結(jié)合動(dòng)力分析、CFD 分析的模型建立，能對(duì)斜拉索結(jié)構(gòu)進(jìn)行充分的振動(dòng)數(shù)值計(jì)算，由此提出的斜拉索減振措施，能在阻尼數(shù)值調(diào)控下，分別針對(duì)不同設(shè)計(jì)風(fēng)速，調(diào)節(jié)振動(dòng)機(jī)制，提高斜拉橋穩(wěn)定性。經(jīng)測(cè)試所得到的振動(dòng)數(shù)值，在斜拉索結(jié)構(gòu)索設(shè)計(jì)的承受范圍內(nèi)，因此斜拉索可為減振性能提供較為有效的支持，便于路橋工程取得更佳減振成效。