大跨斜拉橋拉索安全性能加固方案
2015-07-02
前言
拉索振動影響著斜拉索使用的持續(xù)時間，長時間拉索的大幅振動會使由單根鋼絲組成的拉索產(chǎn)生反復(fù)應(yīng)力變化從而導(dǎo)致其因疲勞而斷裂，由于組成拉索的單根鋼絲都會相互交疊，對于兩個接觸的面來說，小振幅的相對滑動有可能會發(fā)生微動損傷，其損傷方式有可能是微動腐蝕、微動摩損或者微動疲勞，斜拉索所采用的高強(qiáng)度鋼絲對微動的損傷十分敏感，也會使其疲勞壽命迅速減少。
一、大跨徑斜拉橋拉索致振的原因
大跨徑斜拉橋的拉索由于其自身阻尼較小且相對比較細(xì)長，非常容易產(chǎn)生各種形式的振動。現(xiàn)今，人們對拉索典型的振動形式的理解有以下四種：
1.尾流馳振
斜拉橋在施工過程中常常會減少每一根拉索的張拉力來方便施工，由距離很近并且互相平行的2根或更多拉索共同構(gòu)成的拉索組，因為上風(fēng)向的拉索尾流作用導(dǎo)致下風(fēng)向的拉索會產(chǎn)生更強(qiáng)的風(fēng)致振動，這種振動叫做“尾流馳振”。因為2排拉索固有的頻率大致相同，這時候后排的拉索將受會到前排拉索的尾流而激發(fā)，會形成不穩(wěn)定的馳振區(qū)在其尾流區(qū)域，如果后排的拉索恰巧處于馳振的區(qū)域,那么共振幅度會不斷的增大，大到一個極限程度為止。此外，拉索之間的距離在10～20倍拉索的直徑這樣一個范圍內(nèi)，是可以看到尾流顫振的振動現(xiàn)象。通常認(rèn)為將拉索的對數(shù)衰減率達(dá)到0. 05以上就可以抑制拉索的尾流馳振。
2.渦激振動
拉索的一種常見的振動形式是“渦激振動”，由于渦激振動的發(fā)振所需風(fēng)速較低，所以使拉索很容易產(chǎn)生長時間連續(xù)不斷的振動，這樣拉索的使用壽命就會大大縮短。研究表明，作為帶有自激性質(zhì)的一種強(qiáng)迫振動，渦激振動有以下特征：是在較低風(fēng)速區(qū)發(fā)生的一種有限振幅的振動；響應(yīng)對斷面形狀的微小變化很敏感；在某一風(fēng)速區(qū)域內(nèi)發(fā)生，并會產(chǎn)生一種“鎖定”現(xiàn)象；最大振幅對阻尼有很大的依賴性等。橋梁工程師認(rèn)為要想取得相對較好的減震效果，就需要要將拉索的對數(shù)衰減率控制到到0. 01～0. 015范圍內(nèi)。
3.參數(shù)振動
拉索在橋梁以總體彎曲頻率振動并且該頻率與某根拉索固有頻率成一定倍數(shù)關(guān)系的時候會產(chǎn)生參數(shù)振動。理論上來看，這是因為拉索端部以拉索固有頻率倍數(shù)振動時，給拉索相當(dāng)于附加一個負(fù)阻尼力。當(dāng)拉索自身的初始阻尼不能消耗負(fù)阻尼力提供的能量時，拉索就會產(chǎn)生發(fā)散的不穩(wěn)定自激振動。
4.風(fēng)雨振動
風(fēng)雨振動的模態(tài)從1階到4階，且振動頻率為1. 0～3. 0 Hz。斜拉索的風(fēng)雨振動不僅跟風(fēng)量和雨量的大小有關(guān)，而且還與風(fēng)向?qū)τ谛崩靼l(fā)的位置有很大的關(guān)系。當(dāng)拉索順風(fēng)向下傾斜的時候，而且風(fēng)速達(dá)到特定值的時侯，受到空氣力的影響，雨水克服重力以及索表面產(chǎn)生的摩擦力之后會到達(dá)斜索的上表面，在與索頂面成一夾角的地方形成上水路。根據(jù)研究顯示，拉索的截面形式的改變受到上水路形成的影響，使得拉索轉(zhuǎn)化成氣動的不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。由于風(fēng)力的影響，拉索會形成大幅的振動，拉索產(chǎn)生風(fēng)雨振動的基本條件是形成上水路。應(yīng)對風(fēng)雨振動的措施：
?。?）通過改變拉索表面的形式來防止形成上水路；
?。?）將拉索的對數(shù)衰減率調(diào)控到0. 02～0. 03，可以取得很好的減振效果。
二、大跨徑斜拉橋拉索制振方法與措施
1.制振方法
世界各國采取的實橋控制拉索的振動的主要方法有以下三種 :
（1）使拉索的剛度增加，以及改變其動力的特性，使拉索的基頻提高至不能發(fā)生風(fēng)雨振動的程度，同時讓拉索的大幅振動減小。
（2）通過安裝阻尼器在拉索的端部，來增加其阻尼，使外界提供的負(fù)阻尼小于拉索自身的初始阻尼，從而讓其振動減小。
（3）要防止雨線的產(chǎn)生，避免拉索產(chǎn)生風(fēng)雨振動，就需要改變拉索的截面，這樣還能減弱拉索的渦激振動以及干擾形成交替脫落漩渦。
2.制振措施
上述3種方法的應(yīng)用分別稱為構(gòu)造措施、阻尼器措施和空氣動力學(xué)措施。以下分別對這3種措施在實橋上應(yīng)用的具體形式以及各自特點進(jìn)行簡要的介紹：
?。?）構(gòu)造措施
目前還沒有很好的措施來對長索的振動進(jìn)行有效的控制。通常結(jié)構(gòu)工程師建議采取將若干根斜拉索用輔助索連接起來，或者采取將相互并列的2根索用連接器連接起來的方法，這樣可增加拉索體系整體的剛度、拉索的氣動阻尼和機(jī)械阻尼，提高了拉索各階振型的廣義質(zhì)量以及索的振動頻率，同時由于每根索的振動相位、幅值和頻率不同，因此可使索之間的運動受到制約而達(dá)到一定的減振效果。
（2）阻尼器措施
拉索振動必須滿足兩個條件：頻率吻合以及需要外界來提供充沛的能量。當(dāng)外界產(chǎn)生的激勵力提供的能量大于拉索振動所需要的初始勢能，并滿足拉索在振動過程中拉索自身的結(jié)構(gòu)阻尼所消耗的能量時才能產(chǎn)生“風(fēng)振”。阻尼器方式的目的就是提高拉索的結(jié)構(gòu)阻尼，目前應(yīng)用的阻尼器都是速度依存型的，可以利用復(fù)數(shù)特征值法求解阻尼器所要提供的阻尼。以下簡要介紹幾種經(jīng)常用到的阻尼器裝置。
a高阻尼橡膠阻尼器
高阻尼橡膠阻尼器是在套筒與拉索之間安裝的高阻尼橡膠塊，它利用套筒與拉索之間相對變形的擠壓橡膠塊來耗散能量。這種阻尼器具有安裝方便、結(jié)構(gòu)簡單以及良好的美觀效果，需要注意的是在拉索上同時還安裝上外置式阻尼器，就必須在橡膠阻尼器與拉索之間預(yù)留足夠的空隙，使外置式阻尼器發(fā)揮出最優(yōu)效果。
b油阻尼器
油阻尼器在橋梁上應(yīng)用是源于汽車的減振措施。它由活塞、油缸及節(jié)流孔構(gòu)成，節(jié)流孔的大小決定通過活塞的油量從而確定其所能提供的阻尼力，為了抑制拉索面內(nèi)和面外兩個方向的振動必須安裝2個油阻尼器。為防止在工作中產(chǎn)生漏油和滲油現(xiàn)象，在生產(chǎn)阻尼器時要求具有較高的制作工藝。
c磁流變阻尼器
磁流變阻尼器是通過磁流變液中的鋼棒在運動時切割磁力線的同時與磁流變液的摩擦而產(chǎn)生的阻尼力，從而抑制了斜拉索振動。磁流變阻尼器的特點是其阻尼力不受到環(huán)境溫度的影響，而且會隨著電壓的施加增大其阻尼力也增大。油阻尼器與磁流變阻尼器同樣只提供軸向的阻尼力，為了控制拉索面外和面內(nèi)兩個方向的振動，必須在1根拉索上同時安裝2個阻尼器。
d粘性剪切型阻尼器
采用與拉索同步運動的插板剪切箱體中的粘性材料，拉索的振動能量靠粘性材料產(chǎn)生剪切變形進(jìn)行消耗，來制“粘性剪切型阻尼器”。這種阻尼器的1個粘性剪切型阻尼器可以同時控制拉索面外和面內(nèi)2個方向的振動，而且阻尼器所需提供的阻尼系數(shù)可以很方便地調(diào)節(jié)插板剪切面積的大小來實現(xiàn)。在設(shè)計時必須綜合考慮粘性材料力學(xué)性能受振動頻率和溫度的影響較大等各方面的因素來合理確定插板的剪切面積，從而讓阻尼器達(dá)到最佳的工作狀態(tài)。
?。?）空氣動力學(xué)的措施
a將圓形的拉索表面改成凹槽形式或在拉索的表面打點來增加拉索表面的粗糙度，這都可以用來防止雨水在拉索的表面形成雨線。
b仿造傳統(tǒng)建筑物在拉索表面的螺旋或等間距纏繞一些帶狀物來抵抗風(fēng)振的措施。
結(jié)束語
目前應(yīng)用比較廣泛的是拱吊橋、懸索橋和斜拉橋等大跨度橋梁結(jié)構(gòu)。橋梁纜索系統(tǒng)是拱吊橋、懸索橋和斜拉橋的主要承重結(jié)構(gòu)，也可以說是這類橋梁的“安全生命線”。
