长安街西延永定河大桥斜拉索风雨振及减振措施研究

时间：2020年07月23日分类：科学技术论文次数：

摘要：为明确长安街西延永定河大桥斜拉索的风雨振特性，提出有效的减振措施;进行斜拉索风雨振计算分析，并通过风洞试验分析风速和雨强对斜拉索风雨振的影响;研究不同阻尼比和斜拉索表面缠绕双螺旋线的减振效果。结果表明：该桥大部分斜拉索在不采取减振措施

　　摘要：为明确长安街西延永定河大桥斜拉索的风雨振特性，提出有效的减振措施;进行斜拉索风雨振计算分析，并通过风洞试验分析风速和雨强对斜拉索风雨振的影响;研究不同阻尼比和斜拉索表面缠绕双螺旋线的减振效果。结果表明：该桥大部分斜拉索在不采取减振措施的情况下有发生风雨振的可能;斜拉索风雨振的振幅随着风速的增大先增大后减小，随着雨强的增大逐渐减小;增大阻尼比能有效减小斜拉索风雨振的振幅。建议该桥斜拉索安装阻尼器时，阻尼比不小于0.9%;当螺旋线的直径为1.2mm时，单根螺旋线的间距取6倍的斜拉索直径;当单根螺旋线的间距为12倍的斜拉索直径时，螺旋线的直径取2.0mm。

　　关键词：斜拉索;风雨振;风洞试验;风速;雨强;减振措施;阻尼比;螺旋线

道路桥梁建设

　　1引言

　　随着现代斜拉桥跨度的不断增大，斜拉索作为主要受力构件，其长度不断增加，刚度不断减小，风振问题日益突出。在斜拉索的各种振动形式中，风雨振由于具有振幅大和破坏严重的特点受到了国内外设计和研究人员的高度关注。斜拉索风雨振最早于20世纪在日本的名港西大桥上被观测到。此后，在美国的弗雷德·哈特曼桥(FredHartmanBridge)、英国的塞文二桥(Sec-ondSevernBridge)、法国的布鲁东纳桥(BrotonneBridge)、德国的科尔布兰特桥(KoehlbrantBridge)以及我国的杨浦大桥、南京长江二桥、岳阳洞庭湖大桥等国内外多座大桥上均观测到了这种振动现象。

　　桥梁建设论文范例：道路桥梁工程的原材料试验检测技术

　　长期频繁的大幅度斜拉索风雨振不仅会降低钢丝的抗疲劳性能，也可能导致索锚连接处开裂，破坏其防腐系统。Hikami、Flamand、顾明和李永乐等通过风洞试验分析了风速、风向角及斜拉索频率等参数对风雨振的影响，找出了风雨振易发生的条件[1-4]。许林汕等[5]在高精度降雨环境下发现斜拉索风雨振根据风速和雨量可分为4个区间。陈政清[6]通过现场观测的方法，分析了斜拉索风雨振过程中，风速、雨量、风向角等参数对振动的影响规律。李文勃、顾明、刘庆宽和李寿英等分析了螺旋线、椭圆环、凹坑等措施对斜拉索风雨振的影响[7-10]。以上这些均是针对斜拉桥的斜拉索风雨振展开的研究。永定河大桥为全钢高矮双塔斜拉刚构组合桥，其结构形式复杂，地理位置特殊，一旦发生斜拉索风雨振，将会造成严重的影响。因此有必要对该桥进行风雨振计算分析，明确发生风雨振的斜拉索范围。通过风雨振风洞试验，分析各参数对风雨振的影响，找出发生风雨振的最不利条件，在此基础上，研究斜拉索风雨振的减振措施。

　　2工程概况

　　长安街西延项目地跨门头沟区和石景山区，西起现况三石路，终点位于现况长安街与古城大街交点，道路全长6.459km。永定河大桥为长安街西延线的一座大型桥梁，总长1353.8m。主桥为主跨280m的全钢高矮双塔斜拉刚构组合桥，全长639m。引桥均为现浇预应力混凝土连续箱梁桥，全长714.8m。永定河大桥实景如图1所示。主桥为高矮拱形钢塔、横梁连接分离式钢箱的斜拉刚构组合体系桥，桥梁中线与河道中线斜交角57.40°。高塔处采用塔梁墩固结;矮塔处为塔梁固结，梁底设单向活动支座。主桥桥面分幅布置，中央设计隔离护杆。北半侧桥跨径组合为(50+133+280+120+56)m，南半侧桥跨径组合为(50+158+280+95+56)m，桥梁标准宽度47m。高、矮塔采用全钢结构，高塔桥面以上高约112m，南、北塔肢倾斜角分别约为61°和71°，矮塔桥面以上高约66m，南、北塔肢倾斜角分别约为74°和58°。

　　主梁采用分离式变截面钢箱，中间用横梁连接。横梁间距3m，车行道部分为正交异性钢桥面板。中跨主梁宽度采用54.9～47～53.7m渐变。边跨主梁宽度均为47m，主梁为全焊接钢箱断面。斜拉索采用竖琴式渐变距离布置，塔上索间距2.90～7.26m，梁上索间距3.76～14.4m，索长24.76～237.82m。全桥斜拉索共112根，其中高塔中跨斜拉索采用PES7-151型号，索体外直径114mm，共34根;其余部分斜拉索采用PES7-139型号，索体外直径110mm，共78根。斜拉索索体采用7mm高强度钢丝，表面采用锌铝混合稀土合金镀层，抗拉强度不低于1860MPa。钢丝束外层热挤双层高密度聚乙烯。

　　3斜拉索频率计算

　　既有实桥观测结果发现，长度较长、频率较低的斜拉索发生风雨振的可能性更大。发生风雨振时，斜拉索的振动频率一般小于3Hz。因此通过计算永定河大桥各斜拉索的频率来明确可能发生风雨振的斜拉索。

　　4斜拉索风雨振风洞试验

　　4.1试验设备

　　永定河大桥斜拉索风雨振试验在风洞试验室进行，为回、直可变串联双试验段风洞，可进行风吹雨、风吹雪和污染扩散等多相流试验。斜拉索试验模型的直径为114mm，长度为2.5m。试验模型通过4根弹簧悬挂在试验支架上。斜拉索的频率为1.12Hz，阻尼比约为0.1%。降雨系统主要由3部分组成：①供水部分主要负责提供水源，主要包括水箱和水泵;②喷淋部分主要由4组下喷式喷头组成，每一组喷头分别对应3种不同口径的喷头，通过组合不同口径喷头可以变化降雨强度;③控制反馈部分的主要功能是控制整个降雨系统的工作，主要包括控制面板、雨量计和电子开关等。采用力传感器来测量悬挂斜拉索模型弹簧的力时程，由力时程推算得到斜拉索模型的振动位移时程。采用眼镜蛇探头监测来流风速。

　　4.2风速和雨强对斜拉索振幅的影响

　　根据已有的参考文献[3]可知，当斜拉索的倾角为30°、风偏角为30°左右时，斜拉索发生风雨振的振幅最大。鉴于此，主要探讨斜拉索的倾角为30°、风偏角为30°时，风速、雨强2个参数对斜拉索振幅的影响。

　　4.2.1风速的影响

　　斜拉索的倾角为30°，风偏角为30°，雨强为10mm/h，试验风速从9.5m/s变化到15.5m/s，变化步长为1.5m/s。

　　4.2.2雨强的影响

　　斜拉索倾角为30°，风偏角为30°，试验风速为12.5m/s，雨强从10mm/h变化到70mm/h，变化步长为20mm/h。

　　5斜拉索风雨振的减振措施研究

　　5.1阻尼减振措施

　　阻尼是表征结构耗散运动能量的特征参数，增大阻尼可以减小结构的振动[12-16]。实际工程中无附加阻尼装置的斜拉索的阻尼比一般在0.1%左右。鉴于此，分析了0.1%、0.3%和0.9%三种不同阻尼比情况下斜拉索振幅随风速的变化规律，与0.1%的阻尼比相比，0.3%的阻尼比对应的斜拉索的振幅虽然有所减小，但减小幅度不是很大，当阻尼比增加到0.9%时，减振效果非常明显，斜拉索模型基本没有发生大幅振动。基于此，建议永定河大桥斜拉索安装阻尼器时，阻尼器提供的阻尼比不小于0.9%。

　　5.2螺旋线减振措施

　　既有研究表明，斜拉索风雨振是由于风作用下雨水在斜拉索表面形成雨线，改变了斜拉索的气动外形，从而诱发斜拉索产生大幅振动。在斜拉索表面缠绕螺旋线可以破坏雨线的形成，从而起到减振作用。但螺旋线的具体参数，如直径和间距等对减振效果的影响规律，仍值得进一步分析。鉴于此，针对布置双螺旋线的斜拉索，研究不同螺旋线直径和不同螺旋线间距对斜拉索振幅的影响规律。

　　6结论和建议

　　为明确长安街西延线永定河大桥斜拉索的风雨振特性，提出有效的减振措施，开展了斜拉索风雨振计算分析、风洞试验和减振措施研究，得到了如下结论和建议：

　　(1)除了较短的几根斜拉索外，永定河大桥大部分斜拉索的基频小于3Hz，在不采取减振措施的条件下有发生风雨振的可能。

　　(2)斜拉索风雨振的振幅随着风速的增大呈现出先增大后减小的变化规律，在风速为12.5m/s左右时振幅最大。斜拉索风雨振的振幅随着雨强的增大而减小。

　　(3)增大阻尼比能够有效地减小斜拉索风雨振的振幅。建议永定河大桥斜拉索安装阻尼器时，阻尼器提供的阻尼比不小于0.9%。

　　(4)增大螺旋线直径或者减小螺旋线间距，均能提高斜拉索风雨振的减振效果。建议永定河大桥斜拉索采用表面缠绕双螺旋线的减振措施时，当螺旋线的直径为1.2mm时，单根螺旋线的间距取6倍的斜拉索直径;当单根螺旋线的间距为12倍的斜拉索直径时，螺旋线的直径取2.0mm。

　　参考文献：

　　[1]HikamiY，ShiraishiN.Rain-windInducedVibrationsinCableStayedBridges[J].JournalofWindEngineeringandIndustrialAerodynamics，1988，29：409-418.

　　[2]FlamandO.Rain-windInducedVibrationofCables[J].JournalofWindEngineeringandIndustrialAerodynam-ics，1995，57：353-362.

　　作者：张为1，刘庆宽2，刘小兵2

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