大跨斜拉桥拉索安全性能加固方案
2015-07-02
前言
拉索振动影响着斜拉索使用的持续时间，长时间拉索的大幅振动会使由单根钢丝组成的拉索产生反复应力变化从而导致其因疲劳而断裂，由于组成拉索的单根钢丝都会相互交叠，对于两个接触的面来说，小振幅的相对滑动有可能会发生微动损伤，其损伤方式有可能是微动腐蚀、微动摩损或者微动疲劳，斜拉索所采用的高强度钢丝对微动的损伤十分敏感，也会使其疲劳寿命迅速减少。
一、大跨径斜拉桥拉索致振的原因
大跨径斜拉桥的拉索由于其自身阻尼较小且相对比较细长，非常容易产生各种形式的振动。现今，人们对拉索典型的振动形式的理解有以下四种：
1.尾流驰振
斜拉桥在施工过程中常常会减少每一根拉索的张拉力来方便施工，由距离很近并且互相平行的2根或更多拉索共同构成的拉索组，因为上风向的拉索尾流作用导致下风向的拉索会产生更强的风致振动，这种振动叫做“尾流驰振”。因为2排拉索固有的频率大致相同，这时候后排的拉索将受会到前排拉索的尾流而激发，会形成不稳定的驰振区在其尾流区域，如果后排的拉索恰巧处于驰振的区域,那么共振幅度会不断的增大，大到一个极限程度为止。此外，拉索之间的距离在10～20倍拉索的直径这样一个范围内，是可以看到尾流颤振的振动现象。通常认为将拉索的对数衰减率达到0. 05以上就可以抑制拉索的尾流驰振。
2.涡激振动
拉索的一种常见的振动形式是“涡激振动”，由于涡激振动的发振所需风速较低，所以使拉索很容易产生长时间连续不断的振动，这样拉索的使用寿命就会大大缩短。研究表明，作为带有自激性质的一种强迫振动，涡激振动有以下特征：是在较低风速区发生的一种有限振幅的振动；响应对断面形状的微小变化很敏感；在某一风速区域内发生，并会产生一种“锁定”现象；最大振幅对阻尼有很大的依赖性等。桥梁工程师认为要想取得相对较好的减震效果，就需要要将拉索的对数衰减率控制到到0. 01～0. 015范围内。
3.参数振动
拉索在桥梁以总体弯曲频率振动并且该频率与某根拉索固有频率成一定倍数关系的时候会产生参数振动。理论上来看，这是因为拉索端部以拉索固有频率倍数振动时，给拉索相当于附加一个负阻尼力。当拉索自身的初始阻尼不能消耗负阻尼力提供的能量时，拉索就会产生发散的不稳定自激振动。
4.风雨振动
风雨振动的模态从1阶到4阶，且振动频率为1. 0～3. 0 Hz。斜拉索的风雨振动不仅跟风量和雨量的大小有关，而且还与风向对于斜拉索发的位置有很大的关系。当拉索顺风向下倾斜的时候，而且风速达到特定值的时侯，受到空气力的影响，雨水克服重力以及索表面产生的摩擦力之后会到达斜索的上表面，在与索顶面成一夹角的地方形成上水路。根据研究显示，拉索的截面形式的改变受到上水路形成的影响，使得拉索转化成气动的不稳定结构。由于风力的影响，拉索会形成大幅的振动，拉索产生风雨振动的基本条件是形成上水路。应对风雨振动的措施：
（1）通过改变拉索表面的形式来防止形成上水路；
（2）将拉索的对数衰减率调控到0. 02～0. 03，可以取得很好的减振效果。
二、大跨径斜拉桥拉索制振方法与措施
1.制振方法
世界各国采取的实桥控制拉索的振动的主要方法有以下三种 :
（1）使拉索的刚度增加，以及改变其动力的特性，使拉索的基频提高至不能发生风雨振动的程度，同时让拉索的大幅振动减小。
（2）通过安装阻尼器在拉索的端部，来增加其阻尼，使外界提供的负阻尼小于拉索自身的初始阻尼，从而让其振动减小。
（3）要防止雨线的产生，避免拉索产生风雨振动，就需要改变拉索的截面，这样还能减弱拉索的涡激振动以及干扰形成交替脱落漩涡。
2.制振措施
上述3种方法的应用分别称为构造措施、阻尼器措施和空气动力学措施。以下分别对这3种措施在实桥上应用的具体形式以及各自特点进行简要的介绍：
（1）构造措施
目前还没有很好的措施来对长索的振动进行有效的控制。通常结构工程师建议采取将若干根斜拉索用辅助索连接起来，或者采取将相互并列的2根索用连接器连接起来的方法，这样可增加拉索体系整体的刚度、拉索的气动阻尼和机械阻尼，提高了拉索各阶振型的广义质量以及索的振动频率，同时由于每根索的振动相位、幅值和频率不同，因此可使索之间的运动受到制约而达到一定的减振效果。
（2）阻尼器措施
拉索振动必须满足两个条件：频率吻合以及需要外界来提供充沛的能量。当外界产生的激励力提供的能量大于拉索振动所需要的初始势能，并满足拉索在振动过程中拉索自身的结构阻尼所消耗的能量时才能产生“风振”。阻尼器方式的目的就是提高拉索的结构阻尼，目前应用的阻尼器都是速度依存型的，可以利用复数特征值法求解阻尼器所要提供的阻尼。以下简要介绍几种经常用到的阻尼器装置。
a高阻尼橡胶阻尼器
高阻尼橡胶阻尼器是在套筒与拉索之间安装的高阻尼橡胶块，它利用套筒与拉索之间相对变形的挤压橡胶块来耗散能量。这种阻尼器具有安装方便、结构简单以及良好的美观效果，需要注意的是在拉索上同时还安装上外置式阻尼器，就必须在橡胶阻尼器与拉索之间预留足够的空隙，使外置式阻尼器发挥出最优效果。
b油阻尼器
油阻尼器在桥梁上应用是源于汽车的减振措施。它由活塞、油缸及节流孔构成，节流孔的大小决定通过活塞的油量从而确定其所能提供的阻尼力，为了抑制拉索面内和面外两个方向的振动必须安装2个油阻尼器。为防止在工作中产生漏油和渗油现象，在生产阻尼器时要求具有较高的制作工艺。
c磁流变阻尼器
磁流变阻尼器是通过磁流变液中的钢棒在运动时切割磁力线的同时与磁流变液的摩擦而产生的阻尼力，从而抑制了斜拉索振动。磁流变阻尼器的特点是其阻尼力不受到环境温度的影响，而且会随着电压的施加增大其阻尼力也增大。油阻尼器与磁流变阻尼器同样只提供轴向的阻尼力，为了控制拉索面外和面内两个方向的振动，必须在1根拉索上同时安装2个阻尼器。
d粘性剪切型阻尼器
采用与拉索同步运动的插板剪切箱体中的粘性材料，拉索的振动能量靠粘性材料产生剪切变形进行消耗，来制“粘性剪切型阻尼器”。这种阻尼器的1个粘性剪切型阻尼器可以同时控制拉索面外和面内2个方向的振动，而且阻尼器所需提供的阻尼系数可以很方便地调节插板剪切面积的大小来实现。在设计时必须综合考虑粘性材料力学性能受振动频率和温度的影响较大等各方面的因素来合理确定插板的剪切面积，从而让阻尼器达到最佳的工作状态。
（3）空气动力学的措施
a将圆形的拉索表面改成凹槽形式或在拉索的表面打点来增加拉索表面的粗糙度，这都可以用来防止雨水在拉索的表面形成雨线。
b仿造传统建筑物在拉索表面的螺旋或等间距缠绕一些带状物来抵抗风振的措施。
结束语
目前应用比较广泛的是拱吊桥、悬索桥和斜拉桥等大跨度桥梁结构。桥梁缆索系统是拱吊桥、悬索桥和斜拉桥的主要承重结构，也可以说是这类桥梁的“安全生命线”。
