桥梁工程斜拉桥拉素风雨激振综述

L/O/G/O斜拉索风雨激振相关综述AA研究背景及意义国内外研究现状国内外研究现状研究背景及意义斜拉桥拉索柔度大，阻尼小，质量轻，使得结构对风的敏感度很高，极易在风和雨的激励下发生大幅的风雨激振。20世纪80年代，Hikami等发现斜拉索在风雨作用下会发生大幅振动，最大振幅达到55cm，在国内，1997年，杨浦大桥拉索发生风雨激振，造成部分拉索锚具破坏。此后，多次在大跨桥的斜拉桥上观测到类似的现象。斜拉索振动严重影响桥梁的安全性能，拉索的振动会引起拉索端部接头部分出现疲劳现象，在索锚结合处产生裂纹，破坏拉索的防腐系统，严重的还会引起拉索的失效。现在普遍认为：近95%的斜拉桥振动问题是由风雨激振引起的。因此有必要对风雨激振现象进行深入研究。研究背景及意义国内外研究现状国内外研究现状研究手段现场实测风洞试验人工降雨试验人工水线试验理论分析CFD数值模拟现场观测目前国内外最为经典的两个实例为Hikami等对日本名港西大桥的实测和陈政清等对洞庭湖大桥的实测。1984年，Hikami和Shiraishi在日本的Meiko-Nishi桥上首次观测到了风雨激振现象，最大振动幅值可达55cm，拉索长度从65m至200m不等，随后Hikami对该桥进行了为期5个月的现场实测，发现风雨激振仅发生在一定风速范围内，拉索表面会形成水线并沿拉索环向震荡，发生风雨激振时，拉索振型一般为1~4阶，频率集中在1~3Hz。2001年—2004年，陈政清对岳阳洞庭湖大桥进行了风雨振观测研究，发现拉索的最大位移达0.7m，最大加速度达10g，通过观测结果，分析拉索的振动形态和风速、风向、雨量等参数对风雨振的影响规律，认为拉索风雨振振动形态有驰振的特征，拉索的稳定大幅度振动总是由某一阶模态控制，其振动频率在3Hz以下。现场观测1996年，坐落于荷兰的Erasmus大桥发生的风雨激振现象，事后在桥面板和拉索之间架设PE绳索消除了这一振动。随后，Persoon对该桥进行了长期观测。1997年，Main和Jones对美国德克萨斯州的FredHartman大桥进行为期一年多的现场检测，获得了近5000组记录数据，每一组数据都包含斜拉索的位移、加速度、风速和风向等。Zuo等对FredHartman大桥的风雨激振现象作了进一步研究，选取其中一根拉索进行长期观测，发现斜拉索在2~6节模态均发生了风雨激振现象，其中以2~4阶模态的斜拉索振幅最大。现场观测根据众多观测结果，得到拉索风雨激振现象的有如下特点：拉索进入大幅度振动后，其波形犹如甩鞭状，表现为低阶振型，拉索表面会形成振荡的水线；风雨激振只有在一定的风速范围内才会发生，降雨是拉索发生大幅风雨激振的必要条件；风雨激振的振幅大小与拉索的表面材料、长度、风偏角和倾斜方向等参数有关。风洞试验—人工降雨Hikami在对MeikoNishi桥进行现场实测后，在风洞中通过人工降雨重现了这一现象，发现上水线是引起拉索风雨激振的主要原因，并提出风雨激振的两种可能机理，即单自由度驰振和弯扭耦合两自由度驰振机理。Matsumoto等在大、小两座风洞进行了一系列人工降雨实验，对影响拉索风雨激振的因素（拉索倾角、风偏角、拉索表面材料等）进行了研究。Cosentino等设计了能够测量拉索表面压力以及水线厚度和位置的人工降雨实验装置，研究不同风速下水线的几何形态、运动规律与拉索振动之间的关系。风洞试验—人工降雨顾明等在国内首次通过人工降雨实验装置成功再现了风雨激振现象，研究了各种参数对拉索振动的影响并测量了拉索风雨激振发生时的气动阻尼，此外还对缠绕螺旋线的气动措施的有效性进行研究。除此之外，Flamand，Bosdogianni，李文勃、许林汕等也通过风洞试验系统研究各参数对拉索振动的影响，揭示风雨激振的产生机理。风洞试验—人工水线Yamaguchi在其实验装置中以圆柱体代替水线，建立八面形柱体节段模型，通过测力实验获得拉索平均三分力系数随风攻角的变化规律，并最早提出弯扭耦合两自由度驰振模型。Matsumoto等通过对固定水线拉索模型的测振和测压实验，研究了上水线位置、风速、风攻角、紊流度等对拉索气动特性的影响，由此得出紊流度的增加对拉索的风雨激振有抑制作用，水线所处位置对拉索气动特性有很大的影响。黄麟通过带运动水线的节段拉索模型的测振实验研究了水线与拉索之间的耦合运动规律，分析了风速、阻尼比等参数对拉索振动的影响，比较固定水线与运动水线对拉索振动的影响，试验结果表明：在一定风速范围内当水线的平衡位置正好处于“不平衡区域”内时，斜拉索发生大幅度振动。风洞试验—人工水线杜晓庆建立了可方便调节拉索模型风向角和水线位置的带人工雨线的三维拉索模型，通过转动试验段转盘改变风向角，通过拉索的轴向转动改变水线位置，为便于观察而发大拉索的模型直径，拉索模型直径为350mm,约为实际拉索直径的2~3倍。通过试验同时测得拉索和人工水线的风压和气动力系数，并得到其风压分布规律。顾明、刘慈军、彭天波、吕强、孙文峰等也通过一系列固定和运动人工水线风洞试验，研究了水线与拉索间的耦合关系，认为拉索的大幅振动与水线在斜拉索表面振荡有密切联系。理论分析应用运动质点模拟水线的运动，通过风洞试验测得水线及斜拉索气动力系数，代入水线和斜拉索的运动方程；假设水线的运动规律，建立斜拉索的运动方程；忽略水线运动对拉索的作用，建立驰振模型研究拉索的运动规律；假设斜拉索表面分布一层连续水膜，采用滑移理论研究水膜的形态变化。理论分析方法是对拉索风雨激振模型进行抽象简化，建立力学模型，推导并求解拉索及水线的运动微分方程，得到拉索的振动规律。理论分析经历了四个主要发展阶段：拉索风雨激振理论模型节段拉索理论模型准运动水线拉索理论模型运动水线拉索理论模型线性阻尼力、弹性回复力、库伦阻尼力连续弹性拉索理论模型运动水线拉索理论模型准运动水线拉索理论模型理论分析—运动质点假设1990年Yamaguchi建立了弯扭耦合两自由度驰振模型，他将拉索简化成单自由度上下振动的圆形截面，水线简化成小圆柱，采用准定常假设建立运动微分方程，得到了拉索的模态阻尼。当水线振动频率与拉索平动频率相等时，模态阻尼为负，此时既能发生风雨激振。Peil和Nahrath建立了二维二质量系统三自由度模型，考虑拉索在索平面内和索平面外两个方向的振动以及上水线的振荡，验证了上水线在斜拉索表面的振荡是引发风雨激振现象的主要原因。刘习军考虑了索的垂度、大位移引起的几何非线性及风雨和拉索的相互作用等因素，建立了拉索的非线性动力学方程组，进行数值计算分析，发现拉索振幅受密度比影响很大，而索的几何非线性的影响基本可以忽略。理论分析—水线规律假设Xu和Wang假设水线作正弦运动，水线振幅采用实测数据，将拉索的风雨激振简化为受水线运动荷载作用的强迫振动，建立了单自由度拉索风雨激振模型。毕老师等将风雨对拉索的作用简化为上水线绕拉索周向运动，把上水线对拉索的作用力考虑为正弦形式的离心力，得到拉索在面内受到的激励力的竖向分量表达式：，运用共振理论来解释拉索的振动机理。顾明等基于带人工水线三维拉索模型试验得到的气动力分布，假设水线的运动规律为正弦曲线，建立准二自由度运动微分方程，计算结果与试验结果基本一致。Cao等假定水线运动是随机的，建立了拉索风雨激振随机分析模型，采用高斯随机过程的窄带滤波方程来描述水线的运动。tFtFsin)(0理论分析—忽略水线运动假设李永乐等利用三维绕流空间模型测试的气动力系数，考虑拉索的空间姿态，提出了拉索振动的修正驰振模型，并从能量的角度对拉索风雨激振的特性进行了探讨．研究表明斜拉索具有自激和限幅振动双重特性。王凌云等考虑原型斜拉索模型，通过引入气动力停滞点影响因数ε、水线的阻尼因数r、水线的阻尼指数a来考虑水线运动对拉索的影响，研究了在不同风速下，系统的气动阻尼系数及水线引起的气动力的时程曲线，建立拉索的运动微分方程，得到各参数对拉索振动的影响作用。理论分析—水膜假设1992年Reisfeld等推导出基于滑移理论模型,用于计算拉索表面水膜在重力和表面张力作用下形态的变化,Lemaitre在该模型的基础上,将风作为外部荷载,研究水膜形态的变化。许林汕等在Lemaitre的基础上对拉索运动方程进行了修正，使其能够考虑拉索振动对水膜形态的影响，根据已有研究成果假设拉索的运动规律，将其作为已知条件代入水膜运动方程，通过数值求解研究了拉索表面水膜在重力、表面风压、表面摩擦力等作用下的形态变化,得到水膜的变化规律。CFD数值模拟流体的数值计算方法有紊流完全数值分析法(FTS)、紊流的直接数值分析法(DNS)、雷诺平均数值分析法(RANS)和大涡数值分析法(LES)等。任洪鹏师兄基于欧拉-拉格朗日颗粒流法和欧拉-欧拉两相流法，利用CFX模拟研究风、雨及拉索之间的相互作用，如不同风雨条件下斜拉索的气动力系数变化情况、拉索振动对雨滴运动轨迹的影响等，并且基于VOF法研究了各因素对水线的形成过程和位置的影响。王剑师兄利用CFX数值模拟，研究了不同风速下水膜形态变化及拉索气动力的变化规律，分析发现斜拉索表面水膜形态的变化会引起斜拉索气动力的改变，并研究了在重力和气流的共同作用下对上、下水线形成的影响以及不同风速下水线的初始形成时间、位置及形态等。CFD数值模拟刘庆宽等以水线对索周围流场的影响为中心，利用数值流体分析方法(CFD)中的大涡数值分析法(LES)，针对不同的水线位置，对索周围的流场变化及索的气动力进行了分析，提出水线后侧“小涡”的脱落是影响卡尔曼涡强度的原因。在风速高于卡尔曼涡致振动风速的条件下，当卡尔曼涡受到小涡影响变得足够弱时，索容易发生振动。拉索风雨激振的减振措施空气动力学减振措施如：表面缠绕螺旋线、设置纵向肋条等机械阻尼减振措施如：粘性阻尼器、摩擦阻尼器结构减振措施如桥面板与拉索之间架设PE绳、毕老师提出的限位装置研究背景及意义国内外研究现状存在问题现场实测方面：由于场地、资金、气象等条件的限制，现场实测的机会很少，而且耗费人力、财力、周期较长，不便于深入分析研究各参数对风雨激振现象的影响；风洞试验方面：尽管在试验中可以人为的调整各种参数，但同样受到各种条件的限制，如：水线形状和运动信息的测量，风场环境的模拟，等，并且，索模型的端部约束条件与实际情况并不完全一致；理论分析方面：拉索模型的选取水线运动规律假设拉索面内外振动紊流风场对拉索风雨激振的影响研究背景及意义国内外研究现状未来研究方向就目前风雨激振的发展情况，在理论分析方面应该从几个方面进行深入研究：1、如何更好的模拟水线运动状态以及水线与拉索间的相互作用来解释水线与拉索的耦合关系；2、拉索风雨激振机理研究,可以侧重于拉索三维气动力模型，考虑脉动风对拉索和雨线的耦合作用产生的影响；3、研究结果表明轴向流对振动起着关键作用，而轴向流影响拉索的振动机理、轴向流对卡门旋涡的影响仍需进一步分析；L/O/G/O谢谢!