滑移理论在斜拉索风雨激振两自由度模型研究中的应用

摘要： 考虑斜拉索顺风向振动的影响，基于滑移理论建立斜拉索风雨激振两自由度模型。借助计算流体力学软件Fluent求解水膜运动方程中的风压力系数和风摩擦力系数。通过数值求解耦合的水膜运动方程和拉索振动方程，分别研究风雨激振过程中拉索表面水膜形态变化（水线运动）特性、拉索气动升力和阻力变化规律以及拉索横风向与顺风向振动响应。在此基础上，分析三者之间的内在联系，揭示风雨激振的产生机理，即：水线在斜拉索表面的周期性振荡导致拉索升力和阻力的周期性变化，从而引起拉索横风向和顺风向的大幅度振动，而斜拉索在两个方向的周期性振动反过来又会加强水线的周期性振荡；水线与斜拉索间的共振是产生风雨激振现象的主要原因。关键词： 斜拉索； 风雨激振； 滑移理论； 水线

中图分类号：U443.38； TU441+.2文献标志码： A文章编号： 10044523（2016）04073709000105

DOI：10.16385/j.cnki.issn.10044523.2016.04.022

引言

风雨激振现象是指斜拉桥的拉索在一定风雨条件下的低频和大幅度振动[1]，会引发斜拉索的疲劳破坏，降低其使用寿命。为揭示这一现象的产生机理，国内外诸多学者进行了一系列的现场观测和风洞试验研究，发现水线在斜拉索表面上的形成与振荡是风雨激振现象的特有标志和重要影响因素[27]。针对这一重要特征，Lemaitre等人应用滑移理论，通过用风压力和风摩擦力表示气流作用的方式建立二维理论模型，研究水平静止拉索表面上的水膜形态变化，模拟水线的形成，并通过人工降雨风洞试验验证了这一模型的合理性[8]。Taylor和Robertson对Lemaitre的模型进行改进，将原模型中的固定风压力系数和风摩擦系数替换为由数值求解得到的随时间变化的风压力系数和风摩擦系数，得到了水平静止的斜拉索表面水膜形态随时间变化规律[9]。毕继红等人则将滑移理论与单质点单自由度振动理论相结合，通过建立耦合的水膜运动方程和斜拉索振动方程，提出了能够模拟水线形成及运动的气、液、固三相耦合二维断面模型[10]。

Ni等人通过现场观测研究，发现发生风雨激振现象时斜拉索在横风向和顺风向均会出现大幅度振动[2]；而现阶段基于滑移理论建立的风雨激振理论模型仅考虑了拉索横风向振动与水线振荡间的耦合，没有考虑顺风向振动的影响。为此，本文基于已有的单自由度滑移理论模型，在水膜运动方程中考虑斜拉索横风向及顺风向振动加速度的影响，并与单质点两自由度振动方程相耦合，建立能够反映风雨激振过程中斜拉索横风向和顺风向振动及水膜形态变化的理论模型。在此基础上分析斜拉索横风向、顺风向振动与水膜形态变化（水线运动）之间的关系，并与已有的单自由度模型研究结果进行比对，探讨风雨激振的产生机理。

Abstract： Considering the effects of alongwind vibration of cable， 2DOF model of rainwind induced vibration （RWIV） of stay cable is presented based on lubrication theory in this paper. Wind pressure and friction coefficients in water film evolution equation are obtained by computational fluid dynamics （CFD） softwareFluent. The characteristics of water film evolution （movements of rivulets）， aerodynamic lift and drag， acrosswind and alongwind vibrations of cable are respectively investigated by numerical solving the coupled equations of water film evolution and cable vibrations. On this basis， the mechanism of RWIV is revealed by discussing their relationships as follows：cable lift and drag oscillate periodically due to the periodical oscilations of rivulets in circumferential direction， which cause the large amplitude vibrations of cable in acrosswind and alongwind directions； and conversely， the periodical vibrations of cable strengthen the periodicity of rivulets oscilations. So the resonance between rivulets and cable causes RWIV.

Key words： stay cable； rainwind induced vibration； lubrication theory； rivulet