摘要：為明確長安街西延永定河大橋斜拉索的風雨振特性，提出有效的減振措施;進行斜拉索風雨振計算分析，并通過風洞試驗分析風速和雨強對斜拉索風雨振的影響;研究不同阻尼比和斜拉索表面纏繞雙螺旋線的減振效果。結果表明：該橋大部分斜拉索在不采取減振措施的情況下有發生風雨振的可能;斜拉索風雨振的振幅隨著風速的增大先增大后減小，隨著雨強的增大逐漸減小;增大阻尼比能有效減小斜拉索風雨振的振幅。建議該橋斜拉索安裝阻尼器時，阻尼比不小于0.9%;當螺旋線的直徑為1.2mm時，單根螺旋線的間距取6倍的斜拉索直徑;當單根螺旋線的間距為12倍的斜拉索直徑時，螺旋線的直徑取2.0mm。

　　關鍵詞：斜拉索;風雨振;風洞試驗;風速;雨強;減振措施;阻尼比;螺旋線

　　1引言

　　隨著現代斜拉橋跨度的不斷增大，斜拉索作為主要受力構件，其長度不斷增加，剛度不斷減小，風振問題日益突出。在斜拉索的各種振動形式中，風雨振由于具有振幅大和破壞嚴重的特點受到了國內外設計和研究人員的高度關注。斜拉索風雨振最早于20世紀在日本的名港西大橋上被觀測到。此后，在美國的弗雷德·哈特曼橋(FredHartmanBridge)、英國的塞文二橋(Sec-ondSevernBridge)、法國的布魯東納橋(BrotonneBridge)、德國的科爾布蘭特橋(KoehlbrantBridge)以及我國的楊浦大橋、南京長江二橋、岳陽洞庭湖大橋等國內外多座大橋上均觀測到了這種振動現象。

　　橋梁建設論文范例：道路橋梁工程的原材料試驗檢測技術

　　長期頻繁的大幅度斜拉索風雨振不僅會降低鋼絲的抗疲勞性能，也可能導致索錨連接處開裂，破壞其防腐系統。Hikami、Flamand、顧明和李永樂等通過風洞試驗分析了風速、風向角及斜拉索頻率等參數對風雨振的影響，找出了風雨振易發生的條件[1-4]。許林汕等[5]在高精度降雨環境下發現斜拉索風雨振根據風速和雨量可分為4個區間。陳政清[6]通過現場觀測的方法，分析了斜拉索風雨振過程中，風速、雨量、風向角等參數對振動的影響規律。李文勃、顧明、劉慶寬和李壽英等分析了螺旋線、橢圓環、凹坑等措施對斜拉索風雨振的影響[7-10]。以上這些均是針對斜拉橋的斜拉索風雨振展開的研究。永定河大橋為全鋼高矮雙塔斜拉剛構組合橋，其結構形式復雜，地理位置特殊，一旦發生斜拉索風雨振，將會造成嚴重的影響。因此有必要對該橋進行風雨振計算分析，明確發生風雨振的斜拉索范圍。通過風雨振風洞試驗，分析各參數對風雨振的影響，找出發生風雨振的最不利條件，在此基礎上，研究斜拉索風雨振的減振措施。

　　2工程概況

　　長安街西延項目地跨門頭溝區和石景山區，西起現況三石路，終點位于現況長安街與古城大街交點，道路全長6.459km。永定河大橋為長安街西延線的一座大型橋梁，總長1353.8m。主橋為主跨280m的全鋼高矮雙塔斜拉剛構組合橋，全長639m。引橋均為現澆預應力混凝土連續箱梁橋，全長714.8m。永定河大橋實景如圖1所示。主橋為高矮拱形鋼塔、橫梁連接分離式鋼箱的斜拉剛構組合體系橋，橋梁中線與河道中線斜交角57.40°。高塔處采用塔梁墩固結;矮塔處為塔梁固結，梁底設單向活動支座。主橋橋面分幅布置，中央設計隔離護桿。北半側橋跨徑組合為(50+133+280+120+56)m，南半側橋跨徑組合為(50+158+280+95+56)m，橋梁標準寬度47m。高、矮塔采用全鋼結構，高塔橋面以上高約112m，南、北塔肢傾斜角分別約為61°和71°，矮塔橋面以上高約66m，南、北塔肢傾斜角分別約為74°和58°。

　　主梁采用分離式變截面鋼箱，中間用橫梁連接。橫梁間距3m，車行道部分為正交異性鋼橋面板。中跨主梁寬度采用54.9～47～53.7m漸變。邊跨主梁寬度均為47m，主梁為全焊接鋼箱斷面。斜拉索采用豎琴式漸變距離布置，塔上索間距2.90～7.26m，梁上索間距3.76～14.4m，索長24.76～237.82m。全橋斜拉索共112根，其中高塔中跨斜拉索采用PES7-151型號，索體外直徑114mm，共34根;其余部分斜拉索采用PES7-139型號，索體外直徑110mm，共78根。斜拉索索體采用��7mm高強度鋼絲，表面采用鋅鋁混合稀土合金鍍層，抗拉強度不低于1860MPa。鋼絲束外層熱擠雙層高密度聚乙烯。

　　3斜拉索頻率計算

　　既有實橋觀測結果發現，長度較長、頻率較低的斜拉索發生風雨振的可能性更大。發生風雨振時，斜拉索的振動頻率一般小于3Hz。因此通過計算永定河大橋各斜拉索的頻率來明確可能發生風雨振的斜拉索。

　　4斜拉索風雨振風洞試驗

　　4.1試驗設備

　　永定河大橋斜拉索風雨振試驗在風洞試驗室進行，為回、直可變串聯雙試驗段風洞，可進行風吹雨、風吹雪和污染擴散等多相流試驗。斜拉索試驗模型的直徑為114mm，長度為2.5m。試驗模型通過4根彈簧懸掛在試驗支架上。斜拉索的頻率為1.12Hz，阻尼比約為0.1%。降雨系統主要由3部分組成：①供水部分主要負責提供水源，主要包括水箱和水泵;②噴淋部分主要由4組下噴式噴頭組成，每一組噴頭分別對應3種不同口徑的噴頭，通過組合不同口徑噴頭可以變化降雨強度;③控制反饋部分的主要功能是控制整個降雨系統的工作，主要包括控制面板、雨量計和電子開關等。采用力傳感器來測量懸掛斜拉索模型彈簧的力時程，由力時程推算得到斜拉索模型的振動位移時程。采用眼鏡蛇探頭監測來流風速。

　　4.2風速和雨強對斜拉索振幅的影響

　　根據已有的參考文獻[3]可知，當斜拉索的傾角為30°、風偏角為30°左右時，斜拉索發生風雨振的振幅最大。鑒于此，主要探討斜拉索的傾角為30°、風偏角為30°時，風速、雨強2個參數對斜拉索振幅的影響。

　　4.2.1風速的影響

　　斜拉索的傾角為30°，風偏角為30°，雨強為10mm/h，試驗風速從9.5m/s變化到15.5m/s，變化步長為1.5m/s。

　　4.2.2雨強的影響

　　斜拉索傾角為30°，風偏角為30°，試驗風速為12.5m/s，雨強從10mm/h變化到70mm/h，變化步長為20mm/h。

　　5斜拉索風雨振的減振措施研究

　　5.1阻尼減振措施

　　阻尼是表征結構耗散運動能量的特征參數，增大阻尼可以減小結構的振動[12-16]。實際工程中無附加阻尼裝置的斜拉索的阻尼比一般在0.1%左右。鑒于此，分析了0.1%、0.3%和0.9%三種不同阻尼比情況下斜拉索振幅隨風速的變化規律，與0.1%的阻尼比相比，0.3%的阻尼比對應的斜拉索的振幅雖然有所減小，但減小幅度不是很大，當阻尼比增加到0.9%時，減振效果非常明顯，斜拉索模型基本沒有發生大幅振動。基于此，建議永定河大橋斜拉索安裝阻尼器時，阻尼器提供的阻尼比不小于0.9%。

　　5.2螺旋線減振措施

　　既有研究表明，斜拉索風雨振是由于風作用下雨水在斜拉索表面形成雨線，改變了斜拉索的氣動外形，從而誘發斜拉索產生大幅振動。在斜拉索表面纏繞螺旋線可以破壞雨線的形成，從而起到減振作用。但螺旋線的具體參數，如直徑和間距等對減振效果的影響規律，仍值得進一步分析。鑒于此，針對布置雙螺旋線的斜拉索，研究不同螺旋線直徑和不同螺旋線間距對斜拉索振幅的影響規律。

　　6結論和建議

　　為明確長安街西延線永定河大橋斜拉索的風雨振特性，提出有效的減振措施，開展了斜拉索風雨振計算分析、風洞試驗和減振措施研究，得到了如下結論和建議：

　　(1)除了較短的幾根斜拉索外，永定河大橋大部分斜拉索的基頻小于3Hz，在不采取減振措施的條件下有發生風雨振的可能。

　　(2)斜拉索風雨振的振幅隨著風速的增大呈現出先增大后減小的變化規律，在風速為12.5m/s左右時振幅最大。斜拉索風雨振的振幅隨著雨強的增大而減小。

　　(3)增大阻尼比能夠有效地減小斜拉索風雨振的振幅。建議永定河大橋斜拉索安裝阻尼器時，阻尼器提供的阻尼比不小于0.9%。

　　(4)增大螺旋線直徑或者減小螺旋線間距，均能提高斜拉索風雨振的減振效果。建議永定河大橋斜拉索采用表面纏繞雙螺旋線的減振措施時，當螺旋線的直徑為1.2mm時，單根螺旋線的間距取6倍的斜拉索直徑;當單根螺旋線的間距為12倍的斜拉索直徑時，螺旋線的直徑取2.0mm。

　　參考文獻：

　　[1]HikamiY，ShiraishiN.Rain-windInducedVibrationsinCableStayedBridges[J].JournalofWindEngineeringandIndustrialAerodynamics，1988，29：409-418.

　　[2]FlamandO.Rain-windInducedVibrationofCables[J].JournalofWindEngineeringandIndustrialAerodynam-ics，1995，57：353-362.

　　作者：張為1，劉慶寬2，劉小兵2