1、Abstracttheoretical analysis modelIn Chapter 5 of the author based off the existinginformation and data established the cable sports waterline theoretical equation，as well as waterline of a concussion frequency estimatesAfter the work isnonlinear analysis method for water and cable element of vibrat
2、ion，parametricanalysis of the team excitation of the stornl lay the groundworkTherefore itfurther revealed the nature of the storm exciting，better prevention the vibrationrainwindinduced exciting，increase the use of the cablestayed bridge safetyKeywords Vibration crossflowinduced；Vibration rainwindi
3、nduced；CFD；Water line；Oscilation frequency；System equation of motionHI燕山大学硕士学位论文原创性声明本人郑重声明：此处所提交的硕士论文斜拉索脱涡振动和风雨激振研究，是本人在导师指导下，在燕山大学攻读硕士学位期间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。燕山大学硕士学位论文使用授权书斜拉索脱涡振动和风雨激振研究系本人在燕山大学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文
4、。本论文的研究成果归燕山大学所有，本人如需发表将署名燕山大学为第一完成单位及相关人员。本人完全了解燕山大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权燕山大学，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。保密口，在 年解密后适用本授权书。本学位论文属于不保密口。(请在以上相应方框内打“”)作者签名：窃乏谚均 日期：p孵月乒日导师签名：勃彬彳 嗍m孵刚(f咱第1章绪论第1章绪论11 引言斜拉桥诞生于”世纪【眦11 1【31。二战后，由于高强度材料及预应力技术的广泛应用、施工方法的改进和结构分析理论的发
5、展，使得这一古老桥型焕发出了新的生命了。斜拉桥的复兴，是战后桥梁发展史上最伟大的成就之一。在短短的50年间，斜拉桥有了飞速发展，成为200m到800m跨径范围内最具竞争力的桥梁结构形式之一，并且这一范围仍有扩大的趋势【2】。已经建成的日本多多罗桥，跨径高达890m【l】【2l。有理由相信，在大江河口的软地基和不适合修建悬索桥的地区，可能修建超过1200m的斜拉桥p】。我国斜拉桥的建造技术已跨入世界先进行列，已建成的南京长江二桥，主跨628m，是国内跨径最大的钢箱梁斜拉桥，列世界第三口】。目前正在修建的苏通大桥跨径达1088m，建成后将成为世界第一大跨度斜拉桥【2】。然而斜拉桥也存在一些问题，拉
6、索的谐振就是其中之一。随着桥梁跨度的不断增大，拉索变得越来越长，因为索的大柔度、小质量和小阻尼等特点，极易在风、风雨、地震及交通等载荷作用下发生振动。1966年4月，荷兰的Erasmus大桥，在开通后不到两个月，即由于索的大幅谐振被迫关闭【4】；1988年3月，比利时的BenAIlin桥的9根拉索发生了振幅达1米以上的振动15】；我国的杨浦大桥在1994年，1995年先后三次因拉索的振动导致减振器的脱落，更为严重的是在1995年4月29号和30号，拉索发生了因风雨激振而相互碰撞的情况嘲；刚建成不久的南京长江二桥的拉索也发生过大幅震动的情况【6】。持续振动可引起锚固端疲劳，破坏索的防腐蚀系统，大
7、大缩短拉索的使用寿命，严重的还会造成拉索失效。拉索的振动还会造成行人的不舒适感，对桥的安全性产生怀疑。世界上已有多座斜拉桥因为拉索振动引起疲劳破坏：如德国Kohlbrand桥在建成两年内，发现拉索有部分钢丝损坏，五年后就不得不更换88根拉索，耗资600多万美元17l。委内瑞拉MaraCibo桥，建于1962年，其5跨相等的16股驴74mill密封钢丝绳组成的单根集中拉索支承，1978年发现有超过500根钢丝损坏，燕山大学工学硕士学位论文1979年发现3根拉索完全损坏，而必须进行384根拉索的更换，耗资5000万美元，历时两年之久【8】。美国的帕斯科一肯尼威克桥(PK)和英国的伍埃桥(Wye)，
8、使用期不到10年，均因拉索腐蚀原因而更换了拉索19】。我国广东的海印桥建成7年后即因拉索的断落和松弛而更换了全桥186根拉索，耗资2000多万元【61。山东济南黄河桥，因拉索腐蚀严重，可能危及大桥的正常运营，为了防止断索事故的发生，于1995年更换了全部88根拉索嘲。斜拉索是斜拉桥的关键部位，是桥梁的主要承载部件，其造价占桥梁总体造价的25一30t1It2】【31。拉索长时间的大幅振动会对结构耐久性产生的较大破坏性影响、更换拉索造成的巨额经济损失，已成为斜拉桥发展和运营中的严峻课题。为了延长拉索的使用寿命、降低桥梁的维护费用，确保斜拉桥的安全使用以及消除行人的不安全感，各国桥梁科研工作者都在致
9、力于斜拉索减振的研究。斜拉桥的拉索的各种减振方法不断涌现，但大部分方法都缺乏十分准确的振动机理支持，只能依靠经验和实验验证嘲。本文采用气动控制法减振也面临这样的困难，所以最终结果必须经过风洞实验检验，但由于学校实验条件的限制不能进行风洞试验，所以只能进行理论分析与计算。12索结构的研究所谓索，即是指只能受拉，不能受压的柔性一维构件，人们对索的研究开始的较早，到今天已经积累了丰富的理论与经验。早在十七世纪，伽利略就研究了悬挂于两固定支架上，且不可伸长的索或链的曲线线型，称之为“悬链曲线”的理论【7】。几何学家JamesBemalli等人于1691年开始建立了包含超越函数的“悬链理论”的解。之后与
10、1794年由Fuss发现了“抛物线”理论，并到1862年以后逐渐形成了“抛物线”理论体系，到了上世纪七、八十年代，已经有了较完整的静力学分析方法，包括拉索的解析解、近似解和静力有限元法求解。索的振动问题的研究也是不断发展的，在十八世纪初国外就出现了求解一根紧绷的索(弦)振动问题的方法；1738年，Bernoulli求解了一根悬链的自振频率；1760年，Lagrange通过建立一个“珠子串”模型的方法建立了悬索的运动方程；1764年，Euler建立了极坐标2第1章绪论下绷紧的弦、膜的运动方程并进行了求解。随着时代的不断发展，对于索的动力问题的研究也取得了很大的进展。在我国，古代时就已经建立了悬索
11、桥，世界公认最早的悬索桥出现于我国的西藏地区【6】；但对索的系统研究直到近代才出现，从上世纪五十年代到七十年代，我国对索的研究集中在连续化整体理论，运用解析法对索结构进行静力分析和研究1101。金问鲁先生的悬挂结构计算理论是我国第一部比较完整的关于悬挂结构理论的系统性专著。单圣涤先生指出，对于载荷沿曲线均匀分布的单索结构，“悬索曲线”是它的精确解，“抛物线”理论的实质是取了“悬链曲线”方程级数展开式二阶以下项，并对其加以修正后得到的近似理论解，故仅适用于小垂度，即矢跨比小于8的情形。针对这种情况，他提出了一种以四阶代数函数为基础的“悬索曲线”理论，将适用范围扩大了两倍左右，但计算的过程略显复杂
12、。另外，张震路等提出了“悬链段”概念，能够精确的分析简单载荷作用下的大挠度索结构。到上世纪八十年代，由于计算机技术的发展，以离散化理论为基础的有限元法和处理非线性问题的各种迭代解法获得了迅速的发展砥”5“9一。在此基础上，众多学者对索系的动力特性进行了研究，主要集中在索系的自振特性、地震反应分析，获得了可喜成果。国内哈尔滨工业大学沈世钊教授、同济大学的沈祖炎教授、王肇民教授等人对索结构也做了大量的研究工作，这些研究大多以有限元理论为基础16】【11l。13斜拉索风致振动斜拉索的风致振动有以下几种：Karman涡激共振、塔后拉索的涡激共振、尾流驰振、结冰索的驰振、斜拉索抖振、参数共振、轴向流激振
13、、风雨激振pJ。(1)Karman涡激共振当风流经横截面为圆形的斜拉索时，尾流中将出现交替脱落的旋涡，即著名的Karman涡街。当拉索尾流中的卡曼涡脱落频率接近斜拉索某固有频率时，在拉索与来流之间将产生相互作用，激起斜拉索该阶频率的横风向的振动，称为Karman涡激共振。3燕山大学工学硕士学位论文(2)塔后拉索的涡激共振风经过桥塔时，在桥塔后形成旋涡脱落，当旋涡脱落频率与几根拉索固有频率相等时，拉索发生涡激共振，称为塔后拉索的涡激共振。(3)尾流驰振当两排拉索来流方向前后排列时，在前排拉索的尾流区形成一个不稳定的振区，如果后排拉索位于驰振区，其振幅就会不断加大，直至达到一个稳态大振幅的极限环。
14、这种由于前排拉索尾流激发引起的后排拉索的风致振动称为尾流驰振。(4)结冰索的驰振拉索表面结冰改变了拉索的剖面外形，形成驰振不稳定的气动外形，引发拉索驰振，这种振动称为结冰索的驰振。(5)斜拉索抖振 自然风可分解为大小不变的平均风分量和大小随机变化的脉动风分量。如同桥塔和主梁一样，拉索在脉动风这个随机载荷作用下产生随机振动，称为拉索的抖振。(6)参数共振作为斜拉桥支座的桥塔或桥面在外部激励下发生运动，当桥面或桥塔引动的频率和拉索某固有频率成倍数匹配时就会引起拉索的大振幅振动。典型的情况是桥面或桥塔运动频率等于拉索基频的两倍时，拉索发生大振幅的参数激励共振。(7)轴向流激振轴向流激振是指斜拉索在没
15、有降雨的情况下，由于斜拉索相对来流有一定的倾斜角度，来流在拉索表面形成了特殊绕流，这种特殊绕流引起了拉索的不稳定振动。(8)风雨激振风雨激振是指在风雨共同作用下，单根斜拉索发生的大幅度的振动。这种振动机理比较复杂，目前对其尚未有充分的认识，一般称为雨振。风雨激振是斜拉索最严重的振动问题之一，起振条件易满足，振幅大，个别情况大到相邻斜拉索发生碰撞，危害较大。在以上几种振动中尤其以拉索的脱涡振动和风雨激振破坏最为严重，本文将对这两个问题展开研究。14拉索振动控制概述与桥梁主梁的风振控制相似，拉索风雨激振的控制目前也主要包括空气动力学减振措施和机械减振措施：空气动力学减振措施主要通过改变拉4第1章绪
16、论索的剖面形状来改善拉索与水线组合外形的空气动力学性能【13】。在目前尚无分析方法的情况下，主要通过风洞试验来提出和验证这种减振措施的具体方案【61；机械减振措施通过在拉索上附加阻尼器或辅助索等机械(结构)装置，增加拉索的等效阻尼或形成有干扰效应的索网，提高索网的频率，达到抑制振动的目的。在风洞试验的基础上，目前已可对这些装置的设计进行初步分析，减振措施要求美观、经济、有效，便于安装使用，不影响大桥、拉索的主要性能。空气动力学减振措施的气动阻力要小在拉索上附加的温度应力、集中应力、疲劳应力等各种应力要小。减振措施要有较长的使用寿命和可靠性。拉索采用减振措施后不能引起其它形式的拉索不稳定振动。减
17、振措施的作用不受实际应用中可能出现的非理想因素的干扰，如安装时拉索的扭转不能对空气动力学减振措施的作用产生影响。下面介绍各种拉索振动的减振方案、作用机理和各自优缺点及发展方向。141空气动力学减振措施空气动力学减振措施主要有以下几种方法141151：在拉索表面沿轴向开设凹槽。这一剖面形式能控制雨水在凹槽中沿索轴向流动，因而拉索不会因雨水积聚改变外形。这种外形设计一要考虑美观；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；三要防止出现其它形式的气动不稳定及增大阻力。在索表面打凹孔，即进行表面处理。索表面的凹孔可破坏水线和轴向流的形成，抑制轴向流激振、风雨激振。Kobayash
18、i的试验研究表明，与扭转和不扭转多边形索相比，表面有凹坑的圆柱形索不仅在各种雷诺数下阻力最小，而且在各种雨量及无雨情况下都有极好的稳定性，拉索的气动阻尼随风速提高显著稳定上升，始终保持为正。在拉索表面打凹孔是一种较好的有待深入研究的气动减振措施。在拉索表面沿轴向螺旋缠绕带状物或间隔缠绕带状物。这是一种传统的建筑物抗风振的减振措施，如用于高大烟囱的螺旋箍条及与其类似的带孔的套筒，这种减振措施以前主要用于减缓涡致振动，破坏或减小脱落旋5燕山大学T学硕士学位论文涡的相关性。螺旋或等距箍条可以破坏水线和轴向流的形成，减弱拉索风雨激振和轴向流激振。拉索风雨激振、轴向流激振可能存在一种特殊的低频涡致振动机
19、理，螺旋或等距箍条对这种特殊低频祸致振动的作用有待研究。螺旋箍条的气动阻力较大，对这种减振方法还需进一步研究。Matsumoto的试验研究表明，在倾斜柱体上间隔套上厚椭圆环，环的平面平行来流方向，不仅可以破坏水线形成，还可以控制局部流场，减弱轴向涡脱，相应减小了局部激励，因此它对风雨激振和轴向流激振都有效。虽然不论从美观，还是从实际安装保养的角度，这种措施都还不能投入实用，但对后续研究是一个启发。在索表面间隔安装鳍，起到破坏索表面轴向流和旋涡脱落的相关性的作用，但影响美观。在索模型表面每隔3ff粘一根细杆，与轴平行，水线在多个确定位置形成，上水线被限制不能周向移动，索模型稳定，这与轴向开设凹槽
20、的减振原理相似，但气动阻力增大，不适于很长的拉索。目前日本已经在HigashiKobe斜拉桥拉索上采用带凹槽的拉索，有较好的风雨激振减振效果，但实用中也发现在37ms的高风速下，直径为016m的拉索的振动幅值突然增大到025m。拉索空气动力学减振措施是一个新的研究课题，目前对减振措施的作用机理还无法进行理论分析，各种减振方案的提出和细节设计都需要试验验证。在提出减振措施的初步方案后，需要对拉索本身以及拉索与水线的组合外形在多种工况下作详细的气动稳定性试验研究，确保在紊流场、各种来流角度、环境的污染、周边结构和拉索相互之间干扰、各种风速等现实环境中可能出现的各种因素作用下减振作用的有效性，尤其要
21、注意避免产生其它不稳定振动。拉索发生风雨激振的风速范围较小，且风速较低，但拉索外形改变后，在高风速下却可能出现其它气动不稳定，因此减振措施的风速测试范围较风雨激振试验的风速范围要大。空气动力学减振措施应用、维修保养简便，不需附加其它设备，效果明显费用较低，是拉索减振措施的重点发展方向之一。6第1章绪论142机械减振措施机械减振措施主要有以下几种6Rn：(1)辅助索或称二次索方法在主要的拉索之间用高强度细绳连接，其作用是减小索的有效长度，提高索的固有频率，另外使各索之间产生藕合、牵制作用。这种方法的结构较复杂，辅助索和主索之间联接扣受力大，容易疲劳损坏。另外这一方法有碍美观。虽然此方法已在一些大
22、桥上投入实用，但其分析方法尚待完善。(2)索锚处加装橡胶阻尼器这是目前国内最常用的方法。由于橡胶阻尼器所能提供的模态阻尼不大，这种方法只能起有限的减振作用。这一方法可以限制索根部的运动，保护索不与桥面摩擦而损坏。(3)索的根部和桥面之间加装油阻尼器这种方法己有很多大桥采用，有较好的效果。通常为提高阻尼，阻尼器在拉索上的支点距离桥面有一定距离，影响美观。(4)主动控制方法主动控制有两个方向：模态控制和波控制。波控制可以避免信号溢出，这个问题在模态控制中由于模态截断面存在。然而波控制法的控制力要在索展向作用横向控制力，在力作用点会产生局部弯曲应力，这将导致疲劳问题。对这个问题的有效解决方法就是对索
23、支撑作主动控制。NatoriWujin等用模态控制法所做的理论分析和试验研究显示可用主动刚度控制法有效控制振动，激振器的运动频率是索横向振动频率的两倍。在索端加上激振器，随时间改变索张紧程度，主动控制索张力，从而改变拉索的固有频率、振型以及横向阻尼，控制量可通过能量法得到。试验和分析表明这种方法有较好的效果，但存在设备昂贵、复杂以及可靠性等问题，是否有实用价值还需进一步研究。机械减振措施虽然也存在理论分析上的困难，但与空气动力学减振措施相比已有较多的理论研究基础，因此结合拉索风致振动的风洞试验，可以对减振措施做初步的理论分析。机械减振措施在许多大桥上已有实际应用，目前需要通过进一步理论和试验研
24、究，提高减振措施针对各种拉索振动的通用性。7燕山大学工学硕士学位论文15本文研究的重点内容在引起斜拉索振动的诸多原因当中，本文将研究Karman涡激共振和风雨激振。本文采用一种新的气动方法研究Karman涡激共振，即把流线体的研究方法应用到斜拉索中来，通过改变拉索的截面形状来影响空气的流动情况，改变空气的流场分布，从而能够预防Karman涡激共振并把涡脱产生的振动减到最小，并用CFD软件对理论结果进行验证。对于风雨共振则采取理论分析的方法建立水线的运动方程，对水线的振动频率进行初步计算。第1章为绪论，介绍了本文的研究目的和意义，论述了本论文研究内容现状，最后是全文的主要内容和结构安排。第2章介
25、绍了拉索粘性流场进行数值模拟、空气动力计算的核心Ns方程，并重点阐述了k一占湍流模型。对圆柱绕流中的两种边界条件作了概述。对于数值方法，介绍了目前较为成熟的网格生成技术。第3章介绍了脱涡振动产生的机理，并阐述了流体绕过圆柱体的脱涡特性。本章运用一种新的方法即改变拉索界面形状，建立拉索气动外形的方法来减轻拉索的脱涡振动。在前章的理论基础上，利用双参数椭圆线型，建立了斜拉索的气动外形的几何曲线。第4章运用CFD对前章所得的气动外形的流场进行模拟计算，并把计算结果与传统的圆柱绕流进行比较，从而得知这种方法不仅能够减轻拉索的脱涡振动，还能够减小拉索所受到的风作用力。第5章则对拉索的另一种风致振动风雨共振进行研究，介绍了斜拉索风雨激振的现象特征，从理论上对斜拉索的风雨共振进行了分析与研究，建立了系统运动方程组，对水线的固有振动频率进行了估计。并对斜拉索的脱涡振动和风雨激振进行了比较，并对其危害性进行了分析。8
