斜拉桥拉索减振方法与展望

马洪山

[摘要]系统的介绍斜拉桥拉索振动的形式和起振原因，并且对当前斜拉索减振的方法进行系统的总结和概括，同时提出对斜拉索减振的发展看法。

[关键词]斜拉桥斜拉索 减振 措施

中图分类号：TB1文献标识码：A文章编号：1671－7597（2009）0320090－01

一、概述

随着社会的发展，交通运输越来越重要，在交通事业的发展中，桥梁也越来越重要。在现代的社会里，各种桥梁应运而出。在所有的桥型中斜拉桥以其轻盈美观的造型以及简单明确合理的受力形势得到了人们的广泛认同，在现代桥梁发展中举足轻重。但是随着该桥型的发展新的问题也就体现出来。就是斜拉索在各种外界荷载作用下产

生的振动严重影响了斜拉桥的安全和使用寿命，从而制约了斜拉桥的发展，尤其是大跨度斜拉桥的发展。应时之需，斜拉桥拉索德减振问题也成为工程界及学术界研究的热门。

二、斜拉桥拉索振动的原因

大跨径斜拉桥的拉索由于其自身阻尼较小且长细比较大，非常容易产生各种形式的振动。到目前为止，人们已经了解到拉索典型的振动形式主要有以下几种：

（一）涡激振动。当平均风流经圆形的拉索时，在其尾流中将出现交替脱落的漩涡。当拉索的卡曼涡脱的频率接近拉索横风向振动的某阶固有频率时，将激起拉索该阶频率的横风向振动。拉索的涡激振动是一种常见的振动形式，由于其发振风速较低，所以很容易使拉索产生连续不断地长时间振动，大大缩短拉索的使用寿命。通过研究，涡激振动作为一种带有自激性质的强迫振动。有如下特征：是一种在较低风速区发生的有限振幅振动；在某一风速区域内发生，在该区域将产生一种“锁定”现象；最大振幅对阻尼有很大的依赖性；响应对断面形状的微小变化很敏感等 。一般认为只要将拉索的对数衰减率达到0.01－0.015范围内就可以取得较好的减振效果。

（二）尾流驰振。斜拉桥中常常为了方便施工减小每根拉索的张拉力，采用互相平行且距离很近的2根或多根拉索组成的索组时（如天津永河桥），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，这种振动称为尾流驰振。由于2排拉索的固有频率相同，后排拉索将受到前排拉索尾流的激发，在尾流区域形成一个不稳定的驰振区，如果后排拉索正好处于驰振区，共振幅度就会不断增大，直到一个极限为止。在日本的柜石岛桥、岩黑岛桥、幸魂大桥以及我国的武汉长江二桥上都看到这种现象。另外，拉索的间隔在10～20倍拉索的直径范围内可以看到一种称为尾流颤振的振动现象。桥梁工程师认为将拉索的对数衰减率达到0.05以上就可以抑制拉索的尾流驰振。

（三）风雨振动。1984年日本在建造MeikoNishi（名港西）桥时，就发现了一种同下雨有关的，对大跨度桥梁构成严重威胁的大幅度斜拉索振动现象。风雨振动的模态从1阶到4阶，且振动频率为1.0-3.0Hz。斜拉索的风雨振动除了与风量和雨量的大小有关外，还与风向对于斜拉索的方位有密切关系。当拉索是顺风向向下倾斜并且风速达到某一特定值时，雨水在空气力的作用下克服了重力和索表面的摩擦力后爬上斜索的上表面而在与索顶面成一倾角处形成一条上水路。研究证明，上水路的形成改变拉索的截面形式使拉索变成气动不稳定结构，在风力的作用下拉索就会产生低阶大幅振动，上水路的形成是拉索发生风雨振动的基本条件L4。对付风雨振动的方法一是改变拉索表面形式防止上水路的形成；二是将拉索的对数衰减率提高到0.02-0.03就可以取得较好的减振效果。

（四）参数振动。当桥梁以总体弯曲频率振动并且该频率与某根拉索固有频率成倍数关系时，拉索就会产生参数振动。从理论上讲，这是因为拉索端部以拉索固有频率倍数振动时，相当于给拉索附加一个负阻尼力，当拉索本身的初始阻尼不能消耗负阻尼力提供的能量时，拉索就会产生发散的不稳定自激振动。而实际上，由于拉索的振动和作为支撑点的桥塔和桥面的振动是相互牵制的，桥梁结构的振动不会是发散振动（从设计上保证）的，拉索的横向振动也不可能出现一般参数共振所具有的发散现象，而是一种限幅的参数振动。

三、大跨径斜拉桥拉索减振的主要措施

（一）阻尼器方式。拉索振动必须满足两个条件：其一是频率吻合；其二是外界提供充足的能量。只有外界产生的激励力提供的能量大于拉索振动所需要的初始势能，并满足拉索在振动过程中拉索自身结构阻尼所消耗的能量时才能产生风振。阻尼器方式的目的就是提高拉索的结构阻尼，目前应用的阻尼器都是速度依存型的，可以利用复数特征值法求解阻尼器所要提供的阻尼。如果不考虑拉索垂度和阻尼器自身刚度对减振效果的影响，可以用图1来确定阻尼器所要提供的阻尼。从图中可以看到拉索在安装上阻尼器后所获得的最大模态阻尼比∈．与阻尼器的安装高度参数x／L有关。安装高度参数x／L越大则附加到拉索的模态阻尼越大。但是，实际由于阻尼器结构和桥梁景观的限制，阻尼器不可能安装得太高，通常将其安装在护栏高度以下范围内。下表主要介绍了几种阻尼器的性能比较：

几种常用斜拉桥拉索减振阻尼器性能比较