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[振动利用] 斜拉桥拉索的振动及其减振措施

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发表于 2018-11-14 13:53 | 显示全部楼层 |阅读模式

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  前段时间,一则微博刷爆了朋友圈,“苏通大桥一根斜拉索断裂,暂时封闭实施特级管制”。听标题非常令人震惊,看了图片才发现,原来是一条非专业人士的主观评述。实际情况则是强风下拉索振动引起的阻尼器连接螺栓滑丝脱落。
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  新闻图片(来源自网络)

  拉索是一种细长型桥梁构件,极其容易在强风下引起明显振动。由于拉索的特殊性,在风作用下,振动类型非常复杂,主要有以下几种:

  1. 涡激共振
  在风的作用下,风绕过圆柱体后,在尾流中将出现交替脱落的漩涡。周期性的涡激力将引起拉索的涡激振动,当漩涡脱落频率和拉索固有频率一致时,将发生涡激共振。涡激共振有以下特征:

    · 涡激共振是一种有限振幅的振动;

    · 涡激共振只在一个或几个风速区域内发生,存在风速锁定区;

    · 涡激共振响应对断面形状的微小变化很敏感。
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  2. 风雨激振
  在风和雨的共同作用下,由于拉索表面水线的出现,改变了拉索的截面形状,使其失去在气流中的稳定性,由此使得拉索很容易发生一种大幅振动。这种振动就称为风雨激振(也称风雨振),这也是斜拉索风致振动中最强烈的一种。由于风雨激振是结构、风、雨三者相互作用产生的结果,使得风雨激振的振动机理比较复杂。风雨振动特征有:

    · 拉索风雨振的振幅远大于其他风致振动的振幅,大多数情况下拉索风雨振的振幅幅值能达到2倍索直径,个别甚至达到5倍左右索直径,有的可能会导致相邻拉索相互碰撞。

    · 发生风雨振的拉索频率一般在0.3~3Hz之间,多模态同时被激励,频率成分较多。
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  3. 尾流驰振
  相互平行布置的两根拉索,由于上风向拉索的尾流作用而使下风向拉索产生更大的风致振动现象。尾流驰振一般表现为拉索的一阶振动,其具体特征有:

    · 拉索间隔一般为 (2~5) 或 (10~20) 倍的拉索直径;

    · 增大阻尼可有效抑制振动。

  4. 拉索抖振
  在风的脉动力、上游构造物尾流的脉动力或风绕流结构的紊流脉动力的作用下,拉索发生的一种随机振动现象。抖振是一种限幅振动,不像尾流驰振和风雨激振那样具有自激和发散的特性,不会引起灾难性的破坏。但是由于发生抖振响应的风速低、频率高,因此会使拉索在接头或者端部等构件细部发生局部疲劳破坏。同样,增加阻尼可以有效地抑制抖振现象。

  5. 裹冰拉索风致振动
  在我国北方、或者南方冻雨多发地区,拉索表面易产生覆雪或积冰,也会导致拉索外形的极大改变,从而导致拉索驰振等不利风致振动发生。

  针对拉索的各种风致振动,工程上已有各种各样的减振措施,主要为阻尼减振措施、气动减振措施以及结构性措施。

  1. 阻尼减振措施
  由于空间限制和桥梁美观性要求,拉索阻尼器一般安装在拉索的下端。阻尼器通过自身能量的消耗,将拉索的振动能量进行消耗。这种方法对多种振动都能起到明显的减弱效果。
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  图片来源自网络

  2. 气动减振措施
  风雨振一般与拉索表面的水线有关,因此螺旋线能够一定程度的阻碍水线的形成。也有通过在拉索表面处理出凹坑外形的措施,同样具有一定的破坏水线形成的作用。
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  3. 结构措施
  设置辅助索,如法国诺曼底大桥即采用此类措施。
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  法国诺曼底大桥的辅助索措施

  拉索在正常运营过程中,会出现各类病害。这其中包括拉索防护层破损、拉索阻尼器损坏、拉索锚固区锈蚀、拉索索体锈蚀断丝等等。苏通大桥一根斜拉索断裂事件,属于拉索阻尼器连接处破坏,是拉索阻尼器的一种常见的破坏形式。拉索阻尼器属于拉索的附属构件,对于拉索的安全性不产生显著影响,其设计寿命也远小于桥梁的100年设计寿命。阻尼器是为了避免拉索过早地出现疲劳等病害,因此在破坏后可进行阻尼器的修复、或者寿命临近时对其进行更换,因此对拉索整个寿命周期内的性能影响很小。

  那为何苏通大桥需要实施特级管制?主要是考虑强风环境下的行车安全问题。

  大风天气下桥面横风的影响改变了汽车的受力状态,使车辆所受的横向力成倍增大,会造成行车过程中的横向失稳而发生交通事故,此类事故在国内外多次发生。
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  沿海高架桥桥面侧倾的厢型车

  为了降低强风天气下桥梁通行车辆的安全事故风险,交通运营管理部门多会结合气象部门发布的大风预警信号(分为蓝、黄、橙、红四个级别)而发布交通出行信息,以提醒驾驶员注意驾乘安全或是建议其调整出行计划。而作为桥梁运营管理部门则更多地关注风天过桥车辆的安全性,往往会采取大风天气下限制车速、对某些易发生事故的车型进行限行或是封桥等措施,来应对大风天气桥梁的通行安全风险。

  来源:同济桥梁陈艾荣教授团队微信公众号(ID:TJ-BDMP)

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