大跨悬索桥高阻尼抗风缆构思

2018-03-26唐亚周涂保林

山西建筑 2018年2期

孟强唐亚周涂保林

(三峡大学土木与建筑学院，湖北宜昌 443002)

0 引言

随着悬索桥跨径的增加，加劲梁侧向刚度不断减小，风对桥梁的作用效果越加明显。悬索桥抗风问题不得不着重考虑。悬索桥承受风力构件主要为主塔、主缆、吊杆及加劲梁。可以改变主塔的截面形式减少风对塔的作用。目前并没有很好的办法控制主缆的摆动，而主缆的摆动又会引起加劲梁的振动，使行车不平稳。吊杆在两端承受很大拉力，在风荷载作用下会产生较大的振动频率[1]。在吊杆上设置阻尼器可以减小吊杆的振动频率。由于加劲梁侧向刚度较小，在风荷载作用下会发生较大的扭转。为了提高加劲梁的颤振的临界风速，常用的方法是用钢丝绳抗风缆固定加劲梁，改变加劲梁的截面形式，内部安装阻尼器等。而本文提出了一种非常巧妙的高阻尼抗风缆，可以大大提高悬索桥抗风性能。

1 高阻尼抗风缆初步构思

高阻尼抗风缆具体布置：在每根吊杆位置布设橡胶绳，锚固于主缆之上，沿着吊杆穿过加劲梁，吊杆上每隔一定距离设置联接器，使吊杆与橡胶绳联结起来。橡胶绳端部设置扣环，在梁底将两侧的橡胶绳分别挂扣在一根通长钢丝绳上，给予钢丝绳一定的初始张拉力，锚固于两岸。

本文构思的高阻尼抗风缆与传统的抗风缆有两点不同：材料不同，布置方式不同。从材料分析，90%左右的抗风缆采用钢丝绳。这种抗风缆的缺点在于，作用在结构上的能量无法被快速消耗，使加劲梁局部产生过大的集中应力，加劲梁易产生疲劳损伤。从布置方式上分析，传统的抗风缆仅仅控制了加劲梁的振动和扭转，而吊杆的振动需要采用其他办法加以限制，并无法控制主缆的摆动。若用钢丝绳拉住主缆，锚固于主塔底部，主缆将会产生较大的局部应力，改变主缆的线型，同时会引起钢丝绳与吊杆相互碰撞等问题[2]。

2 高阻尼抗风缆的优越性

高阻尼抗风缆继承了传统抗风缆的优点，克服了其缺点。从能量消耗的角度设置抗风缆，整体上提高悬索桥的抗风性能。通过两侧对称张拉加劲梁，控制加劲梁的位置。主缆摆动过程必然会引起橡胶绳的伸长与收缩，橡胶绳内部产生的力在水平方向的分量与主缆运动方向相反，来回往复的过程中将能量消耗掉，使主缆趋于平稳。橡胶绳内部产生的力较小，并不会改变主缆的线型，类似蹦极原理。由于吊杆与橡胶绳联结在一起，吊杆的振动会传递到橡胶绳上，能量迅速被消耗。这就使吊杆无法产生高频振动，提高了吊杆的耐久性。由于橡胶绳整根穿过加劲梁，加劲梁在扭转的过程中会引起橡胶绳的伸长，橡胶绳伸长后会在加劲梁上作用反向扭矩，在这个过程中能量被消耗，使加劲梁能够快速回到原来稳定的位置。高阻尼抗风缆降低了风对悬索桥各构件的作用，提高桥梁的耐久性，同时会使行车更加平稳。抗风缆的布置方式与悬索桥结构相协调，并不会产生不美观效果。

3 高阻尼抗风缆的优化方案

3.1 橡胶绳的更换措施改进

橡胶绳长时间工作必然会出现老化问题，由于橡胶绳锚固于主缆之上，更换橡胶绳成为困难。本人提出一些改进措施，橡胶绳与主缆锚固端改用钢丝绳，改变钢丝绳的长度，降低锚固高度。橡胶绳两端设置挂扣，通过扣环连接橡胶绳，对以后抗风缆的更换提供方便。

3.2 提高高阻尼抗风缆承载力改进

加劲梁颤振的临界风速主要通过增加结构的阻尼和刚度，而柔性抗风缆主要通过增加结构阻尼，部分提高结构刚度来提高悬索桥的抗风能力。橡胶的弹性模量相对较低，可能会出现承载力不足或者位移过大的情况。针对上述问题本人对方案进行优化，可以将高阻尼抗风缆中橡胶绳全部更换为钢丝绳，在两岸的锚固端设置液压阻尼器，消耗能量。也可以在加劲梁内部设置橡胶阻尼器，将钢丝绳连接于橡胶阻尼器两端。这样既可以保证抗风缆有足够承载力，又可以通过阻尼器消耗能量。