橋梁工程斜拉橋拉素風(fēng)雨激振綜述

橋梁工程斜拉橋拉素風(fēng)雨激振綜述第1頁，共25頁，2023年，2月20日，星期五研究背景及意義國內(nèi)外研究現(xiàn)狀存在問題未來研究方向第2頁，共25頁，2023年，2月20日，星期五研究背景及意義國內(nèi)外研究現(xiàn)狀存在問題未來研究方向第3頁，共25頁，2023年，2月20日，星期五研究背景及意義

斜拉橋拉索柔度大，阻尼小，質(zhì)量輕，使得結(jié)構(gòu)對風(fēng)的敏感度很高，極易在風(fēng)和雨的激勵下發(fā)生大幅的風(fēng)雨激振。20世紀(jì)80年代，Hikami等發(fā)現(xiàn)斜拉索在風(fēng)雨作用下會發(fā)生大幅振動，最大振幅達(dá)到55cm，在國內(nèi)，1997年，楊浦大橋拉索發(fā)生風(fēng)雨激振，造成部分拉索錨具破壞。此后，多次在大跨橋的斜拉橋上觀測到類似的現(xiàn)象。斜拉索振動嚴(yán)重影響橋梁的安全性能，拉索的振動會引起拉索端部接頭部分出現(xiàn)疲勞現(xiàn)象，在索錨結(jié)合處產(chǎn)生裂紋，破壞拉索的防腐系統(tǒng)，嚴(yán)重的還會引起拉索的失效。現(xiàn)在普遍認(rèn)為：近95%的斜拉橋振動問題是由風(fēng)雨激振引起的。因此有必要對風(fēng)雨激振現(xiàn)象進(jìn)行深入研究。第4頁，共25頁，2023年，2月20日，星期五研究背景及意義國內(nèi)外研究現(xiàn)狀存在問題未來研究方向第5頁，共25頁，2023年，2月20日，星期五國內(nèi)外研究現(xiàn)狀研究手段現(xiàn)場實測風(fēng)洞試驗人工降雨試驗人工水線試驗理論分析CFD數(shù)值模擬第6頁，共25頁，2023年，2月20日，星期五現(xiàn)場觀測

目前國內(nèi)外最為經(jīng)典的兩個實例為Hikami等對日本名港西大橋的實測和陳政清等對洞庭湖大橋的實測。1984年，Hikami和Shiraishi在日本的Meiko-Nishi橋上首次觀測到了風(fēng)雨激振現(xiàn)象，最大振動幅值可達(dá)55cm，拉索長度從65m至200m不等，隨后Hikami對該橋進(jìn)行了為期5個月的現(xiàn)場實測，發(fā)現(xiàn)風(fēng)雨激振僅發(fā)生在一定風(fēng)速范圍內(nèi)，拉索表面會形成水線并沿拉索環(huán)向震蕩，發(fā)生風(fēng)雨激振時，拉索振型一般為1~4階，頻率集中在1~3Hz。2001年—2004年，陳政清對岳陽洞庭湖大橋進(jìn)行了風(fēng)雨振觀測研究，發(fā)現(xiàn)拉索的最大位移達(dá)0.7m，最大加速度達(dá)10g，通過觀測結(jié)果，分析拉索的振動形態(tài)和風(fēng)速、風(fēng)向、雨量等參數(shù)對風(fēng)雨振的影響規(guī)律，認(rèn)為拉索風(fēng)雨振振動形態(tài)有馳振的特征，拉索的穩(wěn)定大幅度振動總是由某一階模態(tài)控制，其振動頻率在3Hz以下

。第7頁，共25頁，2023年，2月20日，星期五現(xiàn)場觀測1996年，坐落于荷蘭的Erasmus大橋發(fā)生的風(fēng)雨激振現(xiàn)象，事后在橋面板和拉索之間架設(shè)PE繩索消除了這一振動。隨后，Persoon對該橋進(jìn)行了長期觀測。1997年，Main和Jones對美國德克薩斯州的FredHartman大橋進(jìn)行為期一年多的現(xiàn)場檢測，獲得了近5000組記錄數(shù)據(jù)，每一組數(shù)據(jù)都包含斜拉索的位移、加速度、風(fēng)速和風(fēng)向等。Zuo等對FredHartman大橋的風(fēng)雨激振現(xiàn)象作了進(jìn)一步研究，選取其中一根拉索進(jìn)行長期觀測，發(fā)現(xiàn)斜拉索在2~6節(jié)模態(tài)均發(fā)生了風(fēng)雨激振現(xiàn)象，其中以2~4階模態(tài)的斜拉索振幅最大。第8頁，共25頁，2023年，2月20日，星期五現(xiàn)場觀測根據(jù)眾多觀測結(jié)果，得到拉索風(fēng)雨激振現(xiàn)象的有如下特點(diǎn)：拉索進(jìn)入大幅度振動后，其波形猶如甩鞭狀，表現(xiàn)為低階振型，拉索表面會形成振蕩的水線；風(fēng)雨激振只有在一定的風(fēng)速范圍內(nèi)才會發(fā)生，降雨是拉索發(fā)生大幅風(fēng)雨激振的必要條件；風(fēng)雨激振的振幅大小與拉索的表面材料、長度、風(fēng)偏角和傾斜方向等參數(shù)有關(guān)。

第9頁，共25頁，2023年，2月20日，星期五風(fēng)洞試驗—人工降雨Hikami在對MeikoNishi橋進(jìn)行現(xiàn)場實測后，在風(fēng)洞中通過人工降雨重現(xiàn)了這一現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)上水線是引起拉索風(fēng)雨激振的主要原因，并提出風(fēng)雨激振的兩種可能機(jī)理，即單自由度馳振和彎扭耦合兩自由度馳振機(jī)理。Matsumoto等在大、小兩座風(fēng)洞進(jìn)行了一系列人工降雨實驗，對影響拉索風(fēng)雨激振的因素（拉索傾角、風(fēng)偏角、拉索表面材料等）進(jìn)行了研究。Cosentino等設(shè)計了能夠測量拉索表面壓力以及水線厚度和位置的人工降雨實驗裝置，研究不同風(fēng)速下水線的幾何形態(tài)、運(yùn)動規(guī)律與拉索振動之間的關(guān)系。第10頁，共25頁，2023年，2月20日，星期五風(fēng)洞試驗—人工降雨顧明等在國內(nèi)首次通過人工降雨實驗裝置成功再現(xiàn)了風(fēng)雨激振現(xiàn)象，研究了各種參數(shù)對拉索振動的影響并測量了拉索風(fēng)雨激振發(fā)生時的氣動阻尼，此外還對纏繞螺旋線的氣動措施的有效性進(jìn)行研究。除此之外，F(xiàn)lamand，Bosdogianni，李文勃、許林汕等也通過風(fēng)洞試驗系統(tǒng)研究各參數(shù)對拉索振動的影響，揭示風(fēng)雨激振的產(chǎn)生機(jī)理。第11頁，共25頁，2023年，2月20日，星期五風(fēng)洞試驗—人工水線Yamaguchi在其實驗裝置中以圓柱體代替水線，建立八面形柱體節(jié)段模型，通過測力實驗獲得拉索平均三分力系數(shù)隨風(fēng)攻角的變化規(guī)律，并最早提出彎扭耦合兩自由度馳振模型。Matsumoto等通過對固定水線拉索模型的測振和測壓實驗，研究了上水線位置、風(fēng)速、風(fēng)攻角、紊流度等對拉索氣動特性的影響，由此得出紊流度的增加對拉索的風(fēng)雨激振有抑制作用，水線所處位置對拉索氣動特性有很大的影響。黃麟通過帶運(yùn)動水線的節(jié)段拉索模型的測振實驗研究了水線與拉索之間的耦合運(yùn)動規(guī)律，分析了風(fēng)速、阻尼比等參數(shù)對拉索振動的影響，比較固定水線與運(yùn)動水線對拉索振動的影響，試驗結(jié)果表明：在一定風(fēng)速范圍內(nèi)當(dāng)水線的平衡位置正好處于“不平衡區(qū)域”內(nèi)時，斜拉索發(fā)生大幅度振動。第12頁，共25頁，2023年，2月20日，星期五風(fēng)洞試驗—人工水線杜曉慶建立了可方便調(diào)節(jié)拉索模型風(fēng)向角和水線位置的帶人工雨線的三維拉索模型，通過轉(zhuǎn)動試驗段轉(zhuǎn)盤改變風(fēng)向角，通過拉索的軸向轉(zhuǎn)動改變水線位置，為便于觀察而發(fā)大拉索的模型直徑，拉索模型直徑為350mm,約為實際拉索直徑的2~3倍。通過試驗同時測得拉索和人工水線的風(fēng)壓和氣動力系數(shù)，并得到其風(fēng)壓分布規(guī)律。

顧明、劉慈軍、彭天波、呂強(qiáng)、孫文峰等也通過一系列固定和運(yùn)動人工水線風(fēng)洞試驗，研究了水線與拉索間的耦合關(guān)系，認(rèn)為拉索的大幅振動與水線在斜拉索表面振蕩有密切聯(lián)系。第13頁，共25頁，2023年，2月20日，星期五理論分析應(yīng)用運(yùn)動質(zhì)點(diǎn)模擬水線的運(yùn)動，通過風(fēng)洞試驗測得水線及斜拉索氣動力系數(shù)，代入水線和斜拉索的運(yùn)動方程；假設(shè)水線的運(yùn)動規(guī)律，建立斜拉索的運(yùn)動方程；忽略水線運(yùn)動對拉索的作用，建立馳振模型研究拉索的運(yùn)動規(guī)律；假設(shè)斜拉索表面分布一層連續(xù)水膜，采用滑移理論研究水膜的形態(tài)變化。理論分析方法是對拉索風(fēng)雨激振模型進(jìn)行抽象簡化，建立力學(xué)模型，推導(dǎo)并求解拉索及水線的運(yùn)動微分方程，得到拉索的振動規(guī)律。理論分析經(jīng)歷了四個主要發(fā)展階段：第14頁，共25頁，2023年，2月20日，星期五拉索風(fēng)雨激振理論模型節(jié)段拉索理論模型準(zhǔn)運(yùn)動水線拉索理論模型運(yùn)動水線拉索理論模型線性阻尼力、彈性回復(fù)力、庫倫阻尼力連續(xù)彈性拉索理論模型運(yùn)動水線拉索理論模型準(zhǔn)運(yùn)動水線拉索理論模型第15頁，共25頁，2023年，2月20日，星期五理論分析—運(yùn)動質(zhì)點(diǎn)假設(shè)1990年Yamaguchi建立了彎扭耦合兩自由度馳振模型，他將拉索簡化成單自由度上下振動的圓形截面，水線簡化成小圓柱，采用準(zhǔn)定常假設(shè)建立運(yùn)動微分方程，得到了拉索的模態(tài)阻尼。當(dāng)水線振動頻率與拉索平動頻率相等時，模態(tài)阻尼為負(fù)，此時既能發(fā)生風(fēng)雨激振。Peil和Nahrath建立了二維二質(zhì)量系統(tǒng)三自由度模型，考慮拉索在索平面內(nèi)和索平面外兩個方向的振動以及上水線的振蕩，驗證了上水線在斜拉索表面的振蕩是引發(fā)風(fēng)雨激振現(xiàn)象的主要原因。劉習(xí)軍考慮了索的垂度、大位移引起的幾何非線性及風(fēng)雨和拉索的相互作用等因素，建立了拉索的非線性動力學(xué)方程組，進(jìn)行數(shù)值計算分析，發(fā)現(xiàn)拉索振幅受密度比影響很大，而索的幾何非線性的影響基本可以忽略。第16頁，共25頁，2023年，2月20日，星期五理論分析—水線規(guī)律假設(shè)Xu和Wang假設(shè)水線作正弦運(yùn)動，水線振幅采用實測數(shù)據(jù)，將拉索的風(fēng)雨激振簡化為受水線運(yùn)動荷載作用的強(qiáng)迫振動，建立了單自由度拉索風(fēng)雨激振模型。畢老師等將風(fēng)雨對拉索的作用簡化為上水線繞拉索周向運(yùn)動，把上水線對拉索的作用力考慮為正弦形式的離心力，得到拉索在面內(nèi)受到的激勵力的豎向分量表達(dá)式：，運(yùn)用共振理論來解釋拉索的振動機(jī)理。顧明等基于帶人工水線三維拉索模型試驗得到的氣動力分布，假設(shè)水線的運(yùn)動規(guī)律為正弦曲線，建立準(zhǔn)二自由度運(yùn)動微分方程，計算結(jié)果與試驗結(jié)果基本一致。Cao等假定水線運(yùn)動是隨機(jī)的，建立了拉索風(fēng)雨激振隨機(jī)分析模型，采用高斯隨機(jī)過程的窄帶濾波方程來描述水線的運(yùn)動。第17頁，共25頁，2023年，2月20日，星期五理論分析—忽略水線運(yùn)動假設(shè)李永樂等利用三維繞流空間模型測試的氣動力系數(shù)，考慮拉索的空間姿態(tài)，提出了拉索振動的修正馳振模型，并從能量的角度對拉索風(fēng)雨激振的特性進(jìn)行了探討．研究表明斜拉索具有自激和限幅振動雙重特性。王凌云等考慮原型斜拉索模型，通過引入氣動力停滯點(diǎn)影響因數(shù)ε、水線的阻尼因數(shù)r、水線的阻尼指數(shù)a來考慮水線運(yùn)動對拉索的影響，研究了在不同風(fēng)速下，系統(tǒng)的氣動阻尼系數(shù)及水線引起的氣動力的時程曲線，建立拉索的運(yùn)動微分方程，得到各參數(shù)對拉索振動的影響作用。第18頁，共25頁，2023年，2月20日，星期五理論分析—水膜假設(shè)1992年Reisfeld等推導(dǎo)出基于滑移理論模型,用于計算拉索表面水膜在重力和表面張力作用下形態(tài)的變化,Lemaitre在該模型的基礎(chǔ)上,將風(fēng)作為外部荷載,研究水膜形態(tài)的變化。許林汕等在Lemaitre的基礎(chǔ)上對拉索運(yùn)動方程進(jìn)行了修正，使其能夠考慮拉索振動對水膜形態(tài)的影響，根據(jù)已有研究成果假設(shè)拉索的運(yùn)動規(guī)律，將其作為已知條件代入水膜運(yùn)動方程，通過數(shù)值求解研究了拉索表面水膜在重力、表面風(fēng)壓、表面摩擦力等作用下的形態(tài)變化,得到水膜的變化規(guī)律。第19頁，共25頁，2023年，2月20日，星期五CFD數(shù)值模擬流體的數(shù)值計算方法有紊流完全數(shù)值分析法(FTS)、紊流的直接數(shù)值分析法(DNS)、雷諾平均數(shù)值分析法(RANS)和大渦數(shù)值分析法(LES)等。任洪鵬師兄基于歐拉-拉格朗日顆粒流法和歐拉-歐拉兩相流法，利用CFX模擬研究風(fēng)、雨及拉索之間的相互作用，如不同風(fēng)雨條件下斜拉索的氣動力系數(shù)變化情況、拉索振動對雨滴運(yùn)動軌跡的影響等，并且基于VOF法研究了各因素對水線的形成過程和位置的影響。王劍師兄利用CFX數(shù)值模擬，研究了不同風(fēng)速下水膜形態(tài)變化及拉索氣動力的變化規(guī)律，分析發(fā)現(xiàn)斜拉索表面水膜形態(tài)的變化會引起斜拉索氣動力的改變，并研究了在重力和氣流的共同作用下對上、下水線形成的影響以及不同風(fēng)速下水線的初始形成時間、位置及形態(tài)等。第20頁，共25頁，2023年，2月20日，星期五CFD數(shù)值模擬劉慶寬等以水線對索周圍流場的影響為中心，利用數(shù)值流體分析方法(CFD)中的大渦數(shù)值分析法(LES)，針對不同的水線位置，對索周圍的流場變化及索的氣動力進(jìn)行了分析，提出水線后側(cè)“小渦”的脫落是影響卡爾曼渦強(qiáng)度的原因。在風(fēng)速高于卡爾曼渦致振動風(fēng)速的條件下，當(dāng)卡爾曼渦受到小渦影響變得足夠弱時，索容易發(fā)生振動。第21頁，共25頁，2023年，2月20日，星期五拉索風(fēng)雨激振的減振措施空氣動力學(xué)減振措施如：表面纏繞螺旋線、設(shè)置縱向肋條等機(jī)械阻尼減振措施如：粘性阻尼器、摩擦阻尼器結(jié)構(gòu)減振措施

如橋面板與拉索之間架設(shè)PE繩、畢老師提出的限位裝置第22頁，共25頁，2023年，2月20日，星期五研究背景及意義國內(nèi)外研究現(xiàn)狀存在問題未來研究方向第23頁，共25頁，2023年，2月20日，星期五存在問題現(xiàn)場實測方面：由于場地、資金、氣象等條件的限制，現(xiàn)場實測的機(jī)會很少，而且耗費(fèi)人力、財力、周期較長，不便于深入分析研究各參數(shù)對風(fēng)雨激振現(xiàn)象的影響；