斜拉桥拉索振动问题及振动抑制措施

【摘 要】随着斜拉桥跨径的不断增长，拉索振动问题愈发突出。本文总结了拉索不同振动形式的各自特点，并对工程上常用的拉索抑制措施的应用范围和有效性进行了介绍。

【关键词】斜拉桥；拉索；振动；振动抑制措施

Cable vibration and Vibration-suppression-measures

CHEN Bing，ZHU Jin-wei

（State Key Laboratory for Disaster Reduction in Civil Engineering， Tongji University， Shanghai 200092，China）

【Abstract】With the increase of the span of cable-stayed bridge， the issue of vibration of cables is becoming further serious. In this paper， the characteristics of different vibration forms of cables are summarized， and the application scope and effectiveness of the cable vibration-suppression-measures are introduced.

【Key words】Cable-stayed Bridge；Cable；Vibration；Vibration-suppression-measures

0 前言

斜拉桥拉索具有质量小、柔度大、阻尼低等特点，容易受外荷载激励（如风荷载、车辆荷载等）发生振动。由于导致拉索发生振动的原因很多，而不同的起振机理会导致不同的拉索振动形式，因此了解拉索不同振动形式各自的特点非常重要。同时，由于拉索振动的危害较大，在工程上常采取各类振动抑制措施对其进行合理控制。

1 拉索不同振动形式的特点

由于影响拉索振动的因素众多，很多学者都试图从振动机理和激励源出发对拉索振动进行分类。吴海勇[1]按照振动激励源的不同将拉索振动分为两大类：由风的作用引起的拉索振动、由桥面或桥塔运动引起的拉索振动。徐明骁[2]则认为拉索的振动主要分为风雨激振、风致振动、索端部激励引起的振动。本文参考前人的研究，根据不同的拉索起振机理，考虑实际发生的拉索振动现象，对拉索振动进行了细致的分类，如图1所示。

涡振（vortex shedding）是由于风的旋涡在拉索表面脱落而引起的拉索振动。其在发展初期表现为强迫振动，但随着振幅的增加，拉索运动对旋涡脱落和涡激力产生反馈影响，使其具有部分的自激特性。据相关研究及现场实测，拉索涡振一般以高阶振动模态出现，发生的风速范围很广，振动幅值不大，通常情况下不会对斜拉桥造成大的损害。

驰振（galloping）是一种具有自激特征的单自由度振动形式，可以分为尾流驰振和横流驰振。尾流驰振指拉索受前方结构物波动尾流的激发而引起的振动，横流驰振则是由于升力曲线的负斜率所引起的发散性振动。驰振具有发散性，是各类拉索风致振动中最为危险的振动形式，在工程上有必要对其采取针对性的抑振措施。

抖振（buffeting）是由自然风中的紊流成分引起的顺风向响应。拉索的抖振是一种限幅的强迫振动，具有发生风速低、l率大[3]等特征，容易造成拉索连接处的疲劳破坏。

拉索风雨激振（wind-rain-induced-vibration）是在风和雨的联合作用下拉索发生的大幅振动形式。风雨激振发生时，雨水会在拉索表面形成稳定的水线，沿倾斜的拉索向下流动。1986年，日本学者在Meiko-Nishi[4]大桥上首次观察到这一发生在风雨天气的拉索大幅振动现象，并将其命名为风雨激振，迄今国内外多座大跨度斜拉桥的拉索均发生过这种振动形式。

索端位移激励振动。由于拉索两端连接着主梁和桥塔，因此主梁和桥塔的自身振动会导致拉索两端相对位移的变化，从而激发拉索振动。

2 拉索振动抑制措施

为保证桥梁结构的安全性和耐久性，在工程上需要对拉索采取振动抑制措施，以控制拉索发生振动时的振幅。目前，常用的拉索振动抑制措施主要可分为三种[5]：结构控制措施、机械控制措施和空气动力学控制措施。

2.1 结构控制措施

最常用的结构控制措施是采用辅助索。通过将独立的拉索联结、组成拉索网体系，可以使拉索之间产生耦合作用，形成相互干扰；同时辅助索减少了单根拉索的自由长度，从而提高了拉索的固有频率；另外辅助索可以使能量在不同拉索之间传递，从而达到抑制拉索振动的目的。

工程经验表明，辅助索能有效减少拉索风雨激振的振幅，但其难以抑制拉索的高阶振动，对于抑制涡激振动的效果也不是很明显。同时，辅助索的疲劳问题比较突出，例如美国Texas桥的辅助索[6]在使用一年之后就出现了严重的疲劳破坏。

2.2 机械控制措施

机械控制措施指在拉索外部增加阻尼器来提高结构阻尼。阻尼器按照工作方式分为有被动式、半主动式和主动式三种。被动式是最常规和传统的形式，即简单的在拉索的适当部位安装固定工作参数的阻尼器；主动、半主动式是指阻尼器的工作参数并不固定，能随振动形式的不同而变化。被动式阻尼器对拉索的小幅高频振动有良好的抑制作用，包括拉索的涡振、抖振、参数振动。但其对于拉索风雨激振、驰振等大幅低频振动作用不大，并且随着拉索长度的增加，被动式阻尼器的相对效率也随之下降。

目前关于阻尼器的研究主要集中在主动、半主动式阻尼器对拉索风雨激振、驰振的抑制效果方面。陈政清[7]在岳阳洞庭湖大桥上进行了磁流变阻尼器试验，经过三年的使用，证明它能可靠有效地抑制拉索的风雨振动。

2.3 空气动力学控制措施

空气动力学措施指对拉索表面进行处理（粗糙度改变、截面外形改变），从而改善拉索的风振性能，其主要原理是通过改变拉索周围流场特性或破坏斜拉索表面水线的形成来达到对拉索风雨激振及风振的抑振作用。

多年的工程用经验表明，空气动力学控制措施对拉索风振、风雨激振的抑制效果非常好，且其具有费用低、几乎不需维护的优点。目前主要的运用形式有在拉索表面设置纵向肋条（或开凹槽）、在拉索表面压制凹坑、表面设置椭圆环、在拉索表面安装鳍、在拉索表面缠绕螺旋线或间隔缠绕带状物等。

目前，学者们对空气动力学控制措施的研究主要集中在对抑振机理的探究以及新的气动外形的尝试。李文勃、林志兴[8]认为在拉索表明增加了气动措施，其作用类似于安装阻尼器来增加拉索的机械阻尼比。Matsumoto[9]研究了表面带凸出的拉索，认为这种（下转第145页）（上接第140页）拉索能控制雨水沿拉索表面的振荡。

2.4 抑振措施的合理选用

应该知道，以上三种不同的抑振措施都有其各自的特点及适用范围，在具体应用的过程中应该进行综合考虑比选。比如采用某些气动外形能有效抑制拉索风雨激振，但其可能会形成驰振不稳定断面；辅助索措施在抑制拉索低频、高幅值振动的同时，也有加剧尾流涡振的可能性；阻尼器形式的选择更是应该具有针对性，需要结合拉索发生各类振动的可能性进行设计。

总而言之，拉索抑制措施的采用必须同时兼顾拉索的各种振动形式，只有能同时将各种振动降低到最小或者消除的振动控制措施才是最优的减振措施。因此寻求最优的拉索减振措施是风工程研究者和桥梁工作者的共同难题，也是大跨斜拉桥发展必须解决的问题。

3 结束语

总之，拉索振动具有形式多样、影响因素众多、破坏性强等特征，在振动机理上的研究需要进一步的深入。另外，由于拉索振动无法避免，在工程实践中更多的关心其振动抑制问题，对不同抑制措施的有效性进行深入探讨也非常重要。

【参考文献】

[1]吴海勇.斜拉桥拉索振动控制[D].同济大学，2000.

[2]徐明骁，葛耀君，马婷婷，等.大跨度斜拉索参数振动研究[J].科学技术与工程， 2011，11（19）：4509-4515.

[3]Emil Simiu. Wind Effects on Structures： Fundamentals and Applications to Design[J]. Third Edition，1996.

[4]Hikami Y.，Shiraishi N. Rain-wind induced vibrations of cables stayed bridges[J]. Journal of Wind Engineering & Industrial Aerodynamics， 1988，29（1-3）：409-418.

[5]许林汕.基于高精度风雨模拟试验系统的斜拉索风雨振试验和分析[D].同济大学，2008.

[6]Matsumoto Masaru， Yagi Tomomi， Shigemura Yoshinori， et al. Vortex-induced cable vibration of cable-stayed bridges at high reduced wind velocity[J]. Journal of Wind Engineering & Industrial Aerodynamics， 2001，89（7-8）：633-647.

[7]陈政清.斜拉索风雨振现场观测与振动控制[J].建筑科学与工程学报，2005，22（4）：5-10.

[8]李文勃，林志兴，LiWenbo，等.抑制斜拉桥拉索风雨激振的气动措施研究[J].土木工程学报，2005，38（5）：48-53.

[9]Matsumoto M.， Shiraishi N. Aerodynamic Behavior of Inclined Circular Cylinders-Cable Aerodynamics[J]. Journal of Wind Engineering， 1990，33（1）：63-72.