大跨度斜拉桥拉索高阶涡振现象及气动控制措施研究

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大跨度斜拉桥拉索由于具有刚度小、质量轻和阻尼比低等特点,当在桥梁施工期拉索尚未安装阻尼器时或在桥梁运营期拉索阻尼器性能已退化或失效时,尽管拉索采用了用于风雨振的气动控制措施,如拉索表面设置凹坑或缠绕小直径螺旋线,部分大跨度斜拉桥拉索仍存在风致振动问题。如近年来部分大跨度斜拉桥如苏通长江公路大桥、荆岳长江大桥等已发生了明显的拉索高阶振动现象。拉索高阶振动具有振动位移小、加速度响应大及频率高的特点,若不能有效控制,则会在拉索锚固区附近引起疲劳问题,从而影响拉索使用寿命,为桥梁结构的安全运营带来隐患。随着斜拉桥跨度的进一步增大,最长拉索的长度将从目前近580m左右增加至750~800m左右,超长拉索的高阶振动问题已成为制约大跨度斜拉桥发展的关键技术瓶颈之一。目前,大跨度斜拉桥拉索高阶振动问题已经受到国内外部分学者关注。本文以苏通长江公路大桥为工程依托,结合“超长拉索高阶振动机理与控制措施研究”子课题二(江苏苏通大桥有限公司委托),采用现场实测与风洞试验相结合的方法对拉索高阶振动现象及其气动控制措施进行了研究。论文主要研究内容如下:(1)以苏通长江公路大桥为依托,对苏通大桥5根拉索(即NA31U、NA30U、NA29U、NA18U和NA09U)风致振动响应短期监测数据进行处理与分析,对拉索加速度响应时程、加速度响应根方差随风速、风向的变化特征等进行了分析。(2)基于苏通大桥NA30U号索高阶振动现象,以该拉索为原型进行了水平拉索节段模型横风向单自由度涡激共振试验研究。首先,分别进行了表面凹坑、表面光滑+小直径螺旋线(d=2mm、3.5mm)拉索涡振试验研究;然后,对表面凹坑拉索和表面光滑拉索分别进行了不同阻尼比条件下拉索涡振试验研究;最后,对表面凹坑拉索进行了不同螺旋线参数气动控制措施风洞试验研究。(3)考虑拉索倾角、风偏角对拉索涡振响应的影响,开发了弹性悬挂两自由度倾斜拉索节段模型试验专用装置,可以进行拉索倾角和风偏角的方便调节。采用该试验装置进行了不同倾角、不同风偏角条件下表面凹坑拉索涡振响应和气动控制措施试验研究;最后,验证了特定参数的螺旋线对各种风偏角下的倾角拉索的涡振控制效果。(4)考虑到螺旋线的设置改变了拉索的气动外形,从而改变了拉索的气动力。为进一步研究螺旋线对拉索的气动力的影响情况和分析螺旋线减振的机理,进行了风洞测力试验。试验最终表明,螺旋线在很大程度上降低了拉索受到的横风向气动力,从而达到减振的效果。
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