斜拉索振动控制研究

李书庆

南阳理工学院土木工程学院（473000）

斜拉索振动控制研究

李书庆

南阳理工学院土木工程学院（473000）

随着斜拉桥的跨径越来越大，如何抑制斜拉索的振动引起了国内外学者越来越多的关注。这里探讨了控制斜拉索振动的三种措施：空气动力学措施、结构措施与机械阻尼措施，并介绍了机械阻尼器系统设计原理。

振动；控制；措施；原理

斜拉索是斜拉桥的关键构件,考虑到斜拉索的柔性、相对较小的质量及较低的阻尼，在风雨共同作用及车辆荷载作用下极易发生振动。斜拉索振动可分为两大类:风致振动和非风致振动。风致振动包括涡激振动、尾流驰振、驰振、风雨激振等，非风致振动主要指参数振动和内共振(支座激振)。斜拉索的大幅振动容易引起锚固端疲劳，损坏斜拉索端部的腐蚀保护系统，缩短斜拉索的使用寿命，严重时要封闭交通。斜拉索振动已成为大跨径斜拉桥亟待解决的关键问题之一，目前控制斜拉索振动有三种措施:空气动力学措施、结构措施与机械阻尼措施。

1 空气动力学措施

空气动力学措施通过改变斜拉索的剖面形状，从而破坏斜拉索上水线的生成或改变拉索的气动外形，达到对涡激共振、风雨激振等不同振动形式的减振作用。采用空气动力学减振措施后不会引起斜拉索其他形式的不稳定振动。空气动力学减振措施主要包括以下几种方法:

1）多边形剖面的斜拉索。多边形剖面可以控制水线在斜拉索表面的位置，防止水线在能引起斜拉索不稳定振动位置的形成，能有效抑制斜拉索的风雨激振现象。

2）纵向肋条(表面开设凹槽)。纵向肋条由斜拉索表面沿轴向开设凹槽形成。这种剖面形式能够将雨水在凹槽中沿斜拉索轴向流动，不会因雨水积聚形成水线，从而避免风雨激振现象的发生。这种斜拉索表面处理一要考虑美观；二要考虑在凹槽的拐

角处不能产生大的应力集中，以免缩短保护层的寿命；三要防止出现其他形式的气动不稳定及增大阻力系数。

3）螺旋线。螺旋线即在斜拉索表面沿轴向螺旋缠绕带状物，这是一种传统的建筑物抗风振措施。螺旋线主要用于减小涡激振动，破坏或减小脱落旋涡的相关性。螺旋线可以破坏水线，减弱斜拉索风雨激振。

4）表面凹坑[1]。表面凹坑即在斜拉索表面按照一定的排列方式和覆盖率，通过在斜拉索表面压设一定形状和大小的凹孔，破坏水线的形成，抑制风雨激振。

5）在斜拉索表面每隔一定角度安装一根与轴向平行的细杆。使得水线在多个确定位置形成。上水线被限制不能圆周向移动，抑制风雨激振现象的发生。这与轴向开设凹槽的减振机理相似，但斜拉索阻力系数将增大，不适宜很长的拉索。

空气动力学减振措施维修、保养简便，费用较低。但是，不妥当的空气动措施会增加索的阻力系数，从而增加作用于索的风荷载。

2 结构措施[2]

结构措施主要是辅助索方法。辅助索是指在斜拉索之间用高强度钢绳连接而形成一个索网体系，其作用是减小斜拉索的自由长度，提高斜拉索的固有频率和整个索面的刚度，使斜拉索之间产生耦合作用，形成有干扰效应的索网结构。也可用高阻尼材料做辅助索，以提高系统阻尼，达到抑制斜拉索风雨激振、参数共振等振动的目的。

然而辅助索方法在实际工程中的应用并不是很普遍。首先，辅助索与斜拉索所形成的索网结构较复杂，其减振作用和机理仍没有确切定论，因此没有比较完善的设计方法。设计、施工中只能依照工程经验，发生了不少辅助索在使用不久后即发生损坏的事故；其次，辅助索破坏了原有斜拉索系统独有的美观效果。

3 机械阻尼措施[3]

斜拉索易于振动的主要原因是斜拉索具有非常低的固有结构阻尼，因此增加斜拉索阻尼是控制斜拉索振动特别是风雨振最直接、最有效的方法。研究表明，拉索的横向振动只引起很低的应变，而采用高阻尼材料增加拉索结构阻尼的方法非常困难，因此在斜拉索和桥面之间安装阻尼器成为必然的选择。

1）高阻尼橡胶阻尼器。高阻尼橡胶阻尼器多内置在套管内部，尺寸较紧凑且不影响美观，是国内外广泛应用的方法之一。它的减振原理是利用高阻尼橡胶吸收振动的能量。实践证明，因为橡胶阻尼器安装高度较低，斜拉索在该处振动位移很小，吸收振动的能量有限，难以对风雨振等大幅强烈振动产生有效的控制。

2）油阻尼器。将油阻尼器通过支架系统连接在斜拉索上，由于连接点可以离开斜拉索锚头且有一定距离，效果比橡胶垫圈好。油阻尼器应用最多，多为外置式，其可靠性已得到工程应用证实，技术成熟。油阻尼器最大缺点是阻尼介质密封的耐久性还不尽如人意，容易漏油，维护保养费用较高。油阻尼器只能提供轴向阻尼力，所以一根斜拉索一般需要安装两个成一定夹角的油阻尼器来控制斜拉索的索面内和索面外振动。

3）黏性剪切型阻尼器。简称VSD阻尼器，属于第二代阻尼器。VSD阻尼器在桥面上固定一个容器，内置高黏性材料，再在斜拉索下方固定一块插板，插板插入高黏性材料之中。当斜拉索振动时，插板使高黏性材料发生反复剪切变形，产生很高的阻尼并耗散振动能量。VSD阻尼器的优点是结构简单，维护方便。一个VSD阻尼器可同时抑制面内、面外振动。缺点是阻尼力随温度变化，并偶有黏性体渗漏现象，外形也欠美观。

4）磁流变阻尼器。简称MR阻尼器，是近年推出的一种高科技产品，属于第三代阻尼器。MR阻尼器的构造与油阻尼器类似，它的工作液体是磁流变体。磁流变体是一种将亚纳米细度的铁粉与硅油混合制成的特殊材料。在外加磁场作用下，磁流变体可在几毫秒的短时间内变为半流体，从而使阻尼变大。在MR阻尼器内引入电磁线圈，通过改变电流强度来调节阻尼力的大小。MR阻尼器是一种智能型的半主动阻尼器，由于卓越的使用性能，被认为是一种最有前途的新型阻尼器。

[1]王修勇.斜拉桥拉索振动控制新技术研究[D].中南大学博士学位论文,长沙:中南大学土木建筑学院，2002,7.

[2]周海俊.斜拉索振动控制理论与试验研究[D].同济大学博士学位论文,上海:同济大学土木工程学院，2005,12.

[3]陈政清主编.桥梁风工程[M].北京:人民交通出版社，2005.