DB32∕T 1365-2009 斜拉桥拉索减振设计指南

ICS91.040.10P33备案号：25331-2009江苏省地方标准DB32DB32/T1365—2009斜拉桥拉索减振设计指南GuidelinesforVibrationReductionDesignofStayCableofCable-stayedBridge2009-06-10发布2009-07-10实施江苏省质量技术监督局发布DB32/T1365-2009目次1前言„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„Ⅱ2范围„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„13规范性引用文件„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„14术语和定义„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„15总则„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„26风速和斜拉索动力特性„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„27斜拉索的振动类型„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„48斜拉索减振设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„79减振阻尼器技术要求„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„910附录A„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„1511附录B„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„16DB32/T1365-2009前言随着斜拉桥的跨度日益增大,为了解决拉索的风致振动,特别是解决为斜拉桥带来严重问题的风雨激振,制定本指南。本指南参照JTGD60-01-2004《公路桥梁抗风设计规范》。本指南按GB/T1.1-2000《标准化工作导则第1部分：标准的结构和编定规则》编制。本指南附录A、B为规范性附录。本指南由中国交通公路规划设计院有限公司、同济大学提出。本指南由中国交通公路规划设计院有限公司、同济大学、江苏省苏通大桥建设指挥部起草。本指南主要起草人：张鸿、董学武、罗承斌、饶华容、袁洪、盛海军、田唯、罗辉、邬都。DB32/T1365-2009斜拉桥拉索减振设计指南1范围本指南规定了斜拉桥拉索减振设计指南的术语和定义、总则、风速和斜拉索动力特性、斜拉索的振动、斜拉索减振设计、减振阻尼器技术要求。本标准适用于斜拉桥拉索减振设计指南。2规范性引用文件下列文件中的条款通过本标准的引用而构成为本标准的条款。凡是注日期的引用文件，其随后所有的修改单（不包括勘误的内容）或修订版均不适用于本标准，然而鼓励根据本标准达成协议的各方研究是否可使用这些文件的最新版本。凡是不注日期的引用文件，其最新版本适用于本标准。JTGD60-01-2004公路桥梁抗风设计规范3术语和定义术语和定义适用于本指南。3.1雷诺数Reynolds描述可压缩流体流过物体(如绕着拉索的风)的关键参数.3.2Strouhal和涡激振有关的无量纲参数,在较大的风速范围内保持常数。3.3Seruton对于涡激振、风雨振、尾流驰振和干倾斜拉索驰振，Seruton是一个重要参数。3.4驰振galloping振动的桥梁从气流中不断吸收能量，使非扁平均数截面的细长钝体结构的振幅逐步增大的发散性自激振动。3.5涡激共振vortexresonance气流绕经钝体结构时产生旋涡脱落，当旋涡脱落频率与结构的自振频率接近或相等时，由涡激力所DB32/T1365-2009激发出的结构构振现象。3.6抖振buffeting风的紊流成分所激发的结构随机振动。4总则4.1本指南所规定的条款适用于斜拉桥斜拉索的减振设计，其他拉索结构可参考使用。4.2斜拉索是斜拉桥的重要受力构件，斜拉索的设计应考虑其在施工过程及成桥运营阶段发生振动的可能性，并对振动的影响进行分析。4.3作用在索上的动态风荷载可引起索的振动。除此外，还要考虑其他结构（梁、塔）动力反应引起拉索振动的可能性。设计尤其要重视自激振动。4.4斜拉索应避免其发生自激振动，当斜拉索满足本指南条文规定的拉索发生自激振动的条件时，必须采用减振措施控制斜拉索的振动。4.5斜拉索所采用减振措施应根据由斜拉桥的结构特点、场地环境条件，以及斜拉索的力学参数、几何参数等情况综合确定。4.6斜拉索应建立监测系统，定期对索振动进行监测。尤其在主要大风期间监测拉索是否发生过大的风致振动。4.7桥梁设计过程中应制定预案，斜拉索发生不可预见的振动时，在施工和成桥阶段可实施振动控制措施。5风速和斜拉索的动力特性5.1风速计算5.1.1当桥梁所在地区的气象台站具有足够的连续风速观测数据时，可采用当地气象站年最大风速的概率模型计算基本风速，当桥梁所在地区缺乏风速观测资料时，基本风速按JTGD60-01-2004中附录A选取。5.1.2斜拉索成桥阶段的设计风速和施工阶段的设计风速按JTGD60-01-2004中3.2、3.3条款确定。5.1.3斜拉索设计基准风速计算时基准高度按拉索中点确定。5.2斜拉索的振动频率及振型5.2.1斜拉索的振型可分为索面内振动和面外振动两种形式，但是考虑到索面内振动的复杂性，面内运动又分成了索平面内反对称振动和索平面内对称振动两种形式。斜拉索索发生平面外振动时，斜拉索振动频率及振型计算按下式计算：5.0mHlnn„„„„„„„„„„„„„„„„„„„(5.2.1-1)DB32/T1365-2009lxnAvnnsin~„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„(5.2.1-2)式中：H——拉索的轴向拉力；l——拉索的弦长；m——拉索的单位质量；nA——面外第n阶振型的振幅，n＝1，2，3„，分别表示第n阶面外振型。斜拉索索发生平面内反对称振动时，拉索振动频率及振型计算可按下式计算：0.52nnHlm„„„„„„„„„„„„„„„„„„„(5.2.1-3)2sinnnnxvAl…………………………………….(5.2.1-4)式中：n＝1，2，3„，分别表示第n阶平面内反对称振型。5.2.2斜拉索发生平面内对称振动时。拉索平面内对称振动的频率可通过下式计算：222222-0.00170.12543.144410.00539.423920.001115.70830.000421.9914215nnnnnn„„„„„„„„„(5.2.2-1)式中：)//()/cos(/22EAHLLHmgLmHles„„„„„„„„„„„„„„„„„„(5.2.2-2)22811cos811LdLHmgLLLe，为将拉索的静力平衡线形简化为抛物线形式后的静力拉伸长度；HgLd8/)cos(2，为拉索跨中处垂直于拉索轴向的垂度。振型函数为：xmHxmHmHlHmhwsssscossin2tan1~~22„„„„„„„„„（5.2.2-3)DB32/T1365-20095.3斜拉索的阻尼5.3.1在没有实测数据时将斜拉索的固有阻尼比取为0.1％，在有实测数据时，按照斜拉索阻尼比实测结果。5.3.2斜拉索附加阻尼器后的结构体系阻尼计算参见4.4节。5.3.3斜拉索多个位置同时安装阻尼器时，斜拉索所能得到的阻尼值为各个阻尼装置提供的阻尼值之和。6斜拉索的振动类型6.1风雨激振6.1.1斜拉索风雨激振，也被称为斜拉索雨振，是指在风和雨共同作用的气候条件下，斜拉桥拉索发生的一种激烈的大幅振动。6.1.2对于光圆斜拉索，其风雨振动不发生的标准可采用如下公式：2/10mD„„„„„„„„„„„„„„„„„„„(6.1.2-1)式中：m——拉索延米质量；ξ——斜拉索阻尼比；ρ——空气密度；D——拉索直径。6.1.3对于使用有效表面处理的斜拉索，风雨振动发生的标准可采用如下公式：2/5mD„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„(6.1.3-1)6.1.4如果有充分的风洞试验证明，公式(3.1.2-1)及(3.1.3-1)提出的风雨振动发生标准可以放松。6.2驰振6.2.1如果拉索迎风轮廓非圆形，或者由于结冰造成截面轮廓非圆形，应考虑驰振自激发散振动效应。6.2.2斜拉索发生驰振可采用下列失稳标准：UUcrit„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„(6.2.2-1)式中：U——斜拉索的设计风速，根据2.1.2节计算；Ucrit——为斜拉索驰振临界风速，计算公式如下：2critmUcwDD„„„„„„„„„„„„„„„„„(6.2.2-2)式中：c——常数，对于圆形索，建议c=40；DB32/T1365-2009m——斜拉索延米质量；w——斜拉索的基频；ξ——斜拉索阻尼比；ρ——空气密度；D——索的直径。6.3参数共振及线性内部共振6.3.1参数共振和线性内部共振是指微小的桥面或索塔振动激起的拉索较大振幅的横向振动。线性内部共振是桥面或索塔垂直于斜拉索弦长方向的激励运动所引起的；参数共振是桥面或索塔在斜拉索弦长方向的激励运动所引起的。6.3.2当索端激励频率与拉索固有频率一致时，斜拉索将发生线性内部共振。线性内部共振的第1阶振幅响应可由下式计算：1max1sinBzC„„„„„„„„„„„„„„„„(6.3.2-1)式中：Bz——索端垂直于拉索弦长方向相对运动的幅值；1——斜拉索模态阻尼比；C——斜拉索垂度参数的函数：2224118C„„„„„„„„„„„„„„„„„„„(6.3.2-2)sin是下式的求解得：42432102222241832sintan31132BXlz„„„„„„„„(6.3.2-3)式中：0XHlEA。6.3.3当桥梁以桥梁总体弯曲基频fb作简谐振动时，拉索将以fc=fb/2的横向振动频率与之相适应。这时将可能发生斜拉索的参数共振。假设索端发生沿拉索弦长方向的相对运动是sin2BBxtxt，则当索力变化水平满足下列条件：DB32/T1365-2009222max1110212SS„„„„„„„„„„„„„(6.3.3-1)激励水平满足下列条件：0114BxX„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„(6.3.3-2)其中：11。这时斜拉索会发生参数共振。参数共振的第一阶共振稳态的近似响应最大振幅的可按下式计算：220111242max11014411132BXlxX„„(6.3.3-3)6.4涡激振动6.4.1涡激振动是由于流体经过圆柱形的拉索形成的规则的漩涡脱落引起的一种拉索横风向共振。6.4.2斜拉索的涡激振动幅值ymax按下式计算：2max22111160.5LtcyCDSS„„„„„„„„„„„„„„(6.4.2-1)式中：St——Strouhal数，tSfDU，一般可取St=0.2；Sc——Scruton数，2cSmD；m——斜拉索单位质量；ξ——阻尼比；ρ——空气密度；2LC——升力系数均方根，升力系数CL与振动幅值和Reynolds数等参数有关，一般数略估计2LC≈0.45。6.5其他限幅振动6.5.1抖振抖振是由于自然风的风速脉动引起的结构随机振动。6.5.2尾流驰振拉索的尾流驰振是两索沿风向斜列时，来流方向的下游拉索发生比上游拉索更强烈的一种风致振动。7斜拉索的减振设计DB32/T1365-20097.1一般规定7.1.1斜拉索的振动控制为：限制发散振动、限定拉索振动幅值（适用性和疲劳强度要求）。重点是控制拉索的发散振动。7.1.2斜拉索减振措施可采用下列三种之一或其组合：气动措施，附加阻尼装置，安装辅助索。7.1.3斜拉索布置时，拉索的最小间距不宜小于6倍索直径。