劉志文 沈靜思 陳政清 王敬民 馮良平

摘要： 針對(duì)大跨度斜拉橋拉索在常遇風(fēng)速下的渦激振動(dòng)問題，以蘇通長(zhǎng)江公路大橋?yàn)檠芯繉?duì)象，首先對(duì)斜拉索風(fēng)致振動(dòng)響應(yīng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，然后分別針對(duì)表面凹坑和表面光滑纏繞小直徑螺旋線拉索進(jìn)行了節(jié)段模型風(fēng)洞試驗(yàn)，研究了不同阻尼比、不同螺旋線參數(shù)對(duì)拉索渦振的控制效果，最后對(duì)推薦采用的螺旋線措施進(jìn)行了表面凹坑拉索模型測(cè)力試驗(yàn)。結(jié)果表明：在低阻尼比條件下，表面凹坑拉索和表面光滑纏繞小直徑（和，為拉索直徑）雙螺旋線拉索存在明顯的渦振現(xiàn)象;增加阻尼比或設(shè)置線徑為、螺距為的雙、三螺旋線可有效減小拉索渦振振幅;設(shè)置線徑為、螺距為的雙、三螺旋線時(shí)，表面凹坑拉索阻力系數(shù)分別比不設(shè)置螺旋線時(shí)表面凹坑拉索阻力系數(shù)增大30.8%?48.0%和60.7%?80.6%，而表面凹坑拉索豎向力系數(shù)根方差較不設(shè)置螺旋線時(shí)表面凹坑拉索豎向力系數(shù)根方差分別降低53.2%?83.7%和56.6%?80.2%，從而可有效抑制表面凹坑拉索渦振響應(yīng)幅值。

關(guān)鍵詞： 斜拉橋; 渦激共振; 風(fēng)洞試驗(yàn); 表面凹坑拉索

中圖分類號(hào)： U448.27? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A? ? 文章編號(hào)： 1004-4523（2021）03-0441-11

DOI：10.16385/j.cnki.issn.1004-4523.2021.03.001

引 言

大跨度斜拉橋拉索具有質(zhì)量輕、固有阻尼低、在各種激勵(lì)條件下極易發(fā)生振動(dòng)的特點(diǎn)。斜拉索風(fēng)致振動(dòng)現(xiàn)象主要有風(fēng)雨振、渦振、干索馳振與尾流馳振等。近年來，部分學(xué)者在研究拉索風(fēng)雨振時(shí)觀測(cè)到了渦振現(xiàn)象。Hikami等[1]對(duì)日本Meiko?Nishi橋進(jìn)行了為期5個(gè)月的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)。實(shí)測(cè)表明：拉索風(fēng)雨振幅值遠(yuǎn)大于渦振幅值。Main等[2]對(duì)美國(guó)Fred Hartman橋斜拉索振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行了實(shí)測(cè)。結(jié)果表明：在不同風(fēng)速和雨量條件下，部分拉索不僅存在風(fēng)雨振，還存在高階渦振現(xiàn)象。王修勇等[3]對(duì)洞庭湖大橋斜拉索A12號(hào)索（長(zhǎng)121.9 m，直徑119 mm）進(jìn)行振動(dòng)監(jiān)測(cè)，結(jié)果表明，拉索存在經(jīng)典渦振和高折減風(fēng)速渦振現(xiàn)象。儲(chǔ)彤[4]以金塘大橋?yàn)楸尘斑M(jìn)行了斜拉索風(fēng)致振動(dòng)響應(yīng)實(shí)測(cè)與試驗(yàn)研究。結(jié)果表明：監(jiān)測(cè)期間該橋CAC20號(hào)斜拉索加速度最大值達(dá)到6.5 m/s2，且該索發(fā)生了多階振動(dòng)，不同時(shí)段斜拉索振動(dòng)頻率不同，主要為5?15 Hz。吳廣潤(rùn)[5]對(duì)濱州黃河公路大橋N22號(hào)索（長(zhǎng)190 m，直徑186 mm）進(jìn)行渦振模擬計(jì)算，計(jì)算結(jié)果表明該拉索在風(fēng)速2?7 m/s時(shí)會(huì)發(fā)生顯著的渦振現(xiàn)象。Chen等 [6]進(jìn)行了不同風(fēng)速剖面下拉索渦振試驗(yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)果表明：在不同風(fēng)速剖面下，拉索發(fā)生了單模態(tài)或多模態(tài)渦振現(xiàn)象。單模態(tài)渦振幅值比多模態(tài)振動(dòng)幅值大，而且拉索面內(nèi)振動(dòng)響應(yīng)比面外振動(dòng)響應(yīng)大。Denoel等[7]對(duì)一通信天線的斜拉索進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，最長(zhǎng)索（長(zhǎng)291.5 m，直徑42 mm）的基頻約為0.3 Hz。觀測(cè)結(jié)果表明：在大氣邊界層中，由于流動(dòng)不穩(wěn)定，斜拉索的渦激振動(dòng)是以隨機(jī)振動(dòng)的形式出現(xiàn)的。拉索發(fā)生高階振動(dòng)時(shí)面內(nèi)的加速度峰值可達(dá)0.5g，且面內(nèi)加速度比面外大的多，最長(zhǎng)索的振動(dòng)主頻為33.3 Hz。綜上可知，工程實(shí)踐中部分大橋的拉索存在渦振問題，且拉索渦振響應(yīng)較為復(fù)雜。

拉索風(fēng)致振動(dòng)的控制措施主要有阻尼措施、結(jié)構(gòu)措施和氣動(dòng)措施三大類。工程實(shí)踐中一般采用多種控制措施組合的方式進(jìn)行拉索振動(dòng)控制。氣動(dòng)措施是斜拉索風(fēng)致振動(dòng)控制的一種重要措施，比如在拉索表面設(shè)置凹坑、縱向肋和螺旋肋等[8?11]。Katsuchi等[12]、Yagi等[10]的試驗(yàn)結(jié)果表明：在低雷諾數(shù)情況下表面凹坑拉索會(huì)發(fā)生干索馳振現(xiàn)象，而在拉索表面設(shè)置螺旋肋會(huì)明顯減小拉索旋渦脫落展向相關(guān)長(zhǎng)度，從而有效控制拉索振動(dòng)。Kleissl等[13]對(duì)圓柱渦激振動(dòng)控制措施的發(fā)展應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)綜述，表明拉索表面設(shè)置凹坑和螺旋線是兩種各具優(yōu)點(diǎn)的氣動(dòng)控制措施。Hung等[14]針對(duì)表面光滑拉索分別設(shè)置螺旋肋、平行肋和表面凹坑時(shí)的振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行了試驗(yàn)研究。結(jié)果表明，表面凹坑和帶平行肋拉索在無雨情況下均存在限幅振動(dòng)，而特定風(fēng)偏角和螺距的螺旋肋（4，6，12根螺旋肋）可以有效抑制拉索風(fēng)雨振和干索馳振。Katsuchi等[15]進(jìn)行了不同風(fēng)偏角和螺旋肋尺寸對(duì)拉索振動(dòng)影響的試驗(yàn)研究。結(jié)果表明，螺旋肋在各種風(fēng)偏角下對(duì)拉索風(fēng)雨振和干索馳振均有較好的抑振效果;設(shè)置直徑為2 mm螺旋線的拉索仍然會(huì)發(fā)生較大振動(dòng)，而采用直徑為5 mm螺旋線時(shí)，抑振效果明顯。Christiansen等[16]采用幾何縮尺為1∶1的斜拉索節(jié)段模型進(jìn)行螺旋肋抑振效果試驗(yàn)研究。研究表明，拉索周圍的流場(chǎng)為層流到湍流的過渡，這種過渡在局部形成并沿著軸線傳播。在距離平衡位置40°?130°之間時(shí)，螺旋線主導(dǎo)著流場(chǎng)的狀態(tài)，而在平衡位置附近，拉索表面的不規(guī)則對(duì)流場(chǎng)影響占主導(dǎo)地位。綜上可知，表面凹坑斜拉索存在風(fēng)雨振和干索馳振的可能性，采用合適的螺旋線可有效控制拉索風(fēng)雨振和干索馳振。至于螺旋線對(duì)斜拉索渦振的影響還少有研究說明。

鑒于海洋立管與斜拉索存在較多相似之處，比如均為長(zhǎng)徑比較大的柔性結(jié)構(gòu)，阻尼比都較低（一般為0.1%），且都處于不均勻來流中，容易發(fā)生多階、高階渦振現(xiàn)象，海洋立管渦振氣動(dòng)控制措施研究成果對(duì)于斜拉索渦振氣動(dòng)控制措施研究具有較好借鑒意義。Jones等[17]指出螺旋線是海洋立管渦振控制最有效的氣動(dòng)措施，這緣于螺旋線干擾了海洋立管旋渦脫落的展向相關(guān)性。Trim 等[18]研究了不同類型螺旋線對(duì)海洋立管渦激振動(dòng)的抑制作用，并發(fā)現(xiàn)增大螺旋線在立管上的覆蓋率可以有效抑制振動(dòng)。Lubbad 等[19]進(jìn)行了圓截面螺旋線的振動(dòng)抑制效果的試驗(yàn)研究。結(jié)果表明：無論選取何種螺距和直徑的螺旋線，三螺旋線都可以很有效地抑制振動(dòng)。Quen等[20]進(jìn)行了不同螺距和螺旋線高度對(duì)海洋立管渦振控制效果影響的試驗(yàn)研究。結(jié)果表明，螺旋線螺距對(duì)海洋立管渦振控制效果的影響不大，但是螺距越大，海洋立管渦振鎖定區(qū)風(fēng)速越大;隨著螺旋線高度的增大，螺距對(duì)海洋立管渦振控制效果的影響變得明顯。Gao等[21]的試驗(yàn)研究表明，螺旋線高度對(duì)海洋立管渦激振動(dòng)幅值控制效果影響較螺距的影響大。綜上可知，采用螺旋線進(jìn)行海洋立管渦激振控制的應(yīng)用較為廣泛，其渦振控制效果主要取決于螺旋線高度，且三螺旋線和四螺旋線最有效。

綜上所述，工程實(shí)踐中部分大跨度斜拉橋由于阻尼器性能退化而導(dǎo)致拉索在運(yùn)營(yíng)期出現(xiàn)了較為明顯的風(fēng)雨振和渦激振動(dòng)問題，其中關(guān)于風(fēng)雨振問題已有大量的研究成果，而拉索渦振的氣動(dòng)控制措施研究則相對(duì)較少，如何有效控制拉索的渦振響應(yīng)值得進(jìn)一步研究。本文以蘇通長(zhǎng)江公路大橋?yàn)楸尘斑M(jìn)行斜拉索渦振特征和氣動(dòng)控制措施試驗(yàn)研究。

1 實(shí)橋拉索振動(dòng)響應(yīng)特征分析

蘇通長(zhǎng)江公路大橋?yàn)橹骺?088 m的斜拉橋，大橋共有272根斜拉索，最長(zhǎng)索長(zhǎng)度為，直徑為0.161 m。大橋于2008年建成通車，通車運(yùn)營(yíng)十多年來，部分拉索阻尼器存在性能退化問題，發(fā)生了較為明顯的風(fēng)雨振和高階振動(dòng)現(xiàn)象。為了進(jìn)一步研究拉索振動(dòng)特征，在大橋部分拉索（NA9U，NA18U，NA29U，NA30U及NA31U）上距離橋面約8 m高度處安裝了加速度傳感器，進(jìn)行拉索面內(nèi)、面外振動(dòng)響應(yīng)短期監(jiān)測(cè)，加速度傳感器采樣頻率為。蘇通大橋風(fēng)速儀及短期監(jiān)測(cè)拉索布置如圖1所示。限于篇幅，僅介紹NA30U拉索風(fēng)致振動(dòng)響應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。NA30U拉索長(zhǎng)度為493.72 m，拉索傾角為24.93o，拉索規(guī)格為PES7?241，對(duì)應(yīng)的拉索直徑為0.14 m，拉索長(zhǎng)徑比為3476.9，拉索單位長(zhǎng)度質(zhì)量為78.5 kg/m，拉索1階振動(dòng)頻率為0.2618 Hz。

圖2所示為2018年8月15日NA30U號(hào)拉索振動(dòng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。由圖2（a）?（b）可知，2018年8月15日0：00?6：00時(shí)段，跨中橋面以上2.28 m高度處風(fēng)速為8.0 m/s左右、風(fēng)向角接近垂直于橋軸線，NA30U號(hào)索發(fā)生了明顯的振動(dòng)現(xiàn)象，面內(nèi)振動(dòng)加速度響應(yīng)幅值接近，面外振動(dòng)加速度響應(yīng)幅值接近。由圖2（c）?（d）可知，在拉索最大振動(dòng)響應(yīng)時(shí)段（3：00?4：00）內(nèi)，斜拉面內(nèi)、面外振動(dòng)響應(yīng)卓越頻率均為，為該索第47階振動(dòng)模態(tài)。由圖2（e）?（f）可知，拉索面內(nèi)、外的大幅振動(dòng)鎖定在風(fēng)速為6?10 m/s的范圍內(nèi)，且風(fēng)向角約為80o（0o為正北方向，90o為正東方向），即接近垂直于橋軸線從下游吹向上游。另外可以看出，拉索面內(nèi)加速度根方差遠(yuǎn)大于面外加速度。根據(jù)拉索振動(dòng)頻率和對(duì)應(yīng)風(fēng)速范圍特征，可初步判斷該振動(dòng)為拉索高階渦振。

2 拉索模型與試驗(yàn)裝置

2.1 拉索模型

為了對(duì)該拉索高階振動(dòng)進(jìn)行研究，在湖南大學(xué)風(fēng)工程試驗(yàn)研究中心HD?2風(fēng)洞第一試驗(yàn)段進(jìn)行拉索節(jié)段模型試驗(yàn)研究，該試驗(yàn)段長(zhǎng)17 m，寬3 m，高2.5 m，試驗(yàn)段風(fēng)速在0?58 m/s范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。當(dāng)風(fēng)速大于2.0 m/s時(shí)空風(fēng)洞紊流度低于0.5%，風(fēng)偏角小于0.2o。為了盡量減小斜拉索斷面雷諾數(shù)效應(yīng)的影響，試驗(yàn)?zāi)Ｐ头謩e采用蘇通大橋拉索原型模型——表面凹坑拉索（模型A）和工程中常用的“表面光滑+2 mm（）線徑螺旋線”拉索（模型B），試驗(yàn)拉索模型均由江蘇法爾勝纜索有限公司提供。拉索模型長(zhǎng)度，外徑，均采用不銹鋼外包PE組成，拉索模型外形如圖3所示。試驗(yàn)中拉索模型阻塞率為5.6%，加螺旋線之后的最大阻塞率為6.4%，與已有文獻(xiàn)拉索模型阻塞率大致相當(dāng)：Benidir 等[22]研究螺旋線對(duì)干索馳振的影響時(shí)拉索模型阻塞率為6.2%，劉慶寬等[23]在進(jìn)行螺旋線對(duì)高雷諾數(shù)下風(fēng)致振動(dòng)的影響的試驗(yàn)研究中，拉索模型阻塞率為5.45%。

2.2 試驗(yàn)裝置

由蘇通大橋橋面風(fēng)速和拉索振動(dòng)響應(yīng)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可知，當(dāng)橋面處風(fēng)向?yàn)榇怪庇跇蜉S線時(shí)，部分長(zhǎng)斜拉索容易發(fā)生高階渦振現(xiàn)象，且拉索高階渦振以面內(nèi)振動(dòng)為主。為此，暫不考慮風(fēng)偏角和拉索傾角的影響，進(jìn)行水平拉索橫風(fēng)向風(fēng)致振動(dòng)響應(yīng)試驗(yàn)研究。拉索模型兩端分別用4根彈簧支承，單根彈簧剛度為。采用澳大利亞TFI公司的眼鏡蛇探針進(jìn)行風(fēng)速測(cè)試，試驗(yàn)風(fēng)速范圍為，對(duì)應(yīng)雷諾數(shù)。在拉索節(jié)段模型兩端分別布置加速度傳感器和激光位移計(jì)進(jìn)行拉索橫風(fēng)向振動(dòng)響應(yīng)測(cè)試，采用DH5920多通道信號(hào)采集系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采樣頻率為，采樣時(shí)間為。為減小模型端部三維繞流效應(yīng)，在模型端部設(shè)置了直徑為（即為）、厚度為的ABS圓板作為端板。彈性懸掛水平拉索節(jié)段模型如圖4所示。

考慮到實(shí)際拉索單位長(zhǎng)度的質(zhì)量為，在進(jìn)行拉索模型試驗(yàn)時(shí)拉索模型單位長(zhǎng)度質(zhì)量取為，對(duì)應(yīng)質(zhì)量比為。關(guān)于拉索高階振動(dòng)模態(tài)阻尼比的實(shí)測(cè)研究相對(duì)較少。Argentini等[24]給出荷蘭Hovenring橋拉索（長(zhǎng)53 m，直徑50 mm）的前9階阻尼比在范圍內(nèi)。黃方林等[25]對(duì)洞庭湖大橋第11號(hào)斜拉索（長(zhǎng)度為）的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)果表明該拉索前3階阻尼比為。Yamaguchi等[26]對(duì)幾座斜拉橋拉索阻尼比的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)拉索阻尼比較低，1階模態(tài)阻尼對(duì)數(shù)衰減率約為0.01（對(duì)應(yīng)拉索阻尼比為0.16%），且隨著拉索振動(dòng)模態(tài)階數(shù)的增加其模態(tài)阻尼比有進(jìn)一步減小的趨勢(shì)，當(dāng)頻率為5 Hz左右時(shí)，拉索的模態(tài)阻尼對(duì)數(shù)衰減率約為0.002（對(duì)應(yīng)阻尼比為0.03%）。綜上可知，斜拉索高階振動(dòng)模態(tài)阻尼比總體較小且缺乏足夠的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。本文暫假定實(shí)橋拉索高階振動(dòng)模態(tài)阻尼比為0.01%?0.05%，對(duì)應(yīng)實(shí)橋拉索的斯克拉頓數(shù)為

式中 為拉索單位長(zhǎng)度質(zhì)量（kg/m）;為拉索阻尼比;為空氣密度（kg/m3），取。

拉索節(jié)段模型及實(shí)橋拉索參數(shù)如表1所示?？紤]到蘇通大橋?qū)嶋H拉索情況和目前工程中常用的拉索情況，分別對(duì)表面凹坑拉索、表面光滑拉索+螺旋線（線徑（），3.5 mm（））進(jìn)行不同阻尼比和不同氣動(dòng)措施風(fēng)洞試驗(yàn)研究，具體試驗(yàn)工況如表2所示。不同螺旋線規(guī)格如圖5所示，配置不同螺旋線拉索的風(fēng)洞試驗(yàn)照片如圖6所示。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 阻尼比的影響

圖7所示為不同阻尼比條件下表面凹坑拉索面內(nèi)振動(dòng)響應(yīng)根方差隨折減風(fēng)速的變化曲線。由圖7可知，當(dāng)阻尼比，即拉索的斯克拉頓數(shù)，折減風(fēng)速（其中：為試驗(yàn)來流風(fēng)速（m/s）;為彈性懸掛拉索節(jié)段模型的面內(nèi)振動(dòng)頻率（Hz）），表面凹坑拉索節(jié)段模型發(fā)生了明顯渦振現(xiàn)象，最大無量綱振動(dòng)響應(yīng)根方差。隨著拉索阻尼比的增加，拉索渦振鎖定區(qū)起振風(fēng)速不變，而拉索渦振鎖定區(qū)結(jié)束點(diǎn)風(fēng)速減小，且最大無量綱振動(dòng)響應(yīng)根方差也變小。

根據(jù)《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG/T 3360?01?2018）規(guī)定[27]，斜拉索渦振振幅可按下式近似計(jì)算

表3給出了拉索渦振響應(yīng)幅值的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、風(fēng)洞試驗(yàn)及采用文獻(xiàn)推薦公式得到的計(jì)算值。實(shí)橋拉索發(fā)生的渦激振動(dòng)時(shí)，對(duì)應(yīng)橋面高度處風(fēng)速區(qū)間為。由圖2可知，橋塔處的風(fēng)速較橋面風(fēng)速偏大約，則橋面風(fēng)速為6 m/s時(shí)對(duì)應(yīng)拉索跨中處來流風(fēng)速約為，即實(shí)橋拉索的無量綱起振風(fēng)速。由表3可知，拉索實(shí)測(cè)起振風(fēng)速與試驗(yàn)結(jié)果接近，各試驗(yàn)工況下拉索渦振振幅試驗(yàn)值略小于按文獻(xiàn)[27]得到的計(jì)算值，但與按文獻(xiàn)[28]得到的計(jì)算值較接近。

圖8所示為不同阻尼比條件下表面光滑+2 mm（）螺旋線（螺距）拉索橫風(fēng)向振動(dòng)響應(yīng)根方差隨折減風(fēng)速變化曲線。由圖8可知，當(dāng)阻尼比，即拉索斯克拉頓數(shù)時(shí)，折減風(fēng)速時(shí)，表面光滑+2 mm（0.014D）螺旋線拉索模型發(fā)生了明顯的渦振現(xiàn)象，最大無量綱振動(dòng)響應(yīng)根方差。當(dāng)阻尼比，即拉索斯克拉頓數(shù)時(shí)，表面光滑+2 mm線徑（）螺旋線（螺距）拉索面內(nèi)渦振現(xiàn)象明顯減小。

3.2 小直徑螺旋線對(duì)拉索渦振控制效果

考慮到蘇通大橋設(shè)計(jì)階段曾進(jìn)行了表面凹坑拉索風(fēng)雨激振減振試驗(yàn)研究，根據(jù)該研究成果可知，直徑（）、螺距、順時(shí)針纏繞的雙螺旋線可有效控制拉索風(fēng)雨振。故分別設(shè)置直徑（）和（）兩種螺旋線，螺距，在阻尼比條件下進(jìn)行拉索渦振試驗(yàn)。拉索無量綱振動(dòng)響應(yīng)根方差隨折減風(fēng)速的變化如圖9所示。由圖9（a）?（b）可知，設(shè)置直徑（）和（）、螺距的雙螺旋線不能有效控制拉索渦振響應(yīng)，隨著螺旋線螺距的減小，拉索渦振響應(yīng)略有減小。

綜合圖8?9可知，在低阻尼比條件下（， ），設(shè)置拉索風(fēng)雨振控制常用的螺旋線不能有效控制斜拉索渦振響應(yīng)。這可能是因?yàn)楸砻姘伎踊蛘咝≈睆铰菪€的存在并沒有很大程度地改變拉索尾流旋渦的強(qiáng)度和展向相關(guān)性。

3.3 大直徑螺旋線對(duì)拉索渦振控制效果

為了進(jìn)一步研究控制拉索渦振的氣動(dòng)控制措施，首先進(jìn)行了直徑（）、螺距的單螺旋、雙螺旋和三螺旋線對(duì)拉索渦振控制效果試驗(yàn)研究，拉索無量綱位移根方差隨折減風(fēng)速的變化曲線如圖10（a）所示。由圖10（a）可知，表面凹坑拉索設(shè)置直徑（）、螺距的單螺旋線，且阻尼比時(shí)，當(dāng)折減風(fēng)速時(shí)出現(xiàn)了明顯的渦振現(xiàn)象，風(fēng)速鎖定區(qū)間較不設(shè)置單螺旋線時(shí)整體增大，最大無量綱振動(dòng)響應(yīng)根方差（，較不設(shè)置單螺旋線拉索最大無量綱振動(dòng)響應(yīng)根方差減小13.8%。表明設(shè)置直徑（）、螺距的單螺旋線無法有效控制拉索渦振響應(yīng)。由圖10（a）可知，表面凹坑拉索在設(shè)置直徑為（）、螺距為的雙、三螺旋線后，拉索渦振響應(yīng)得到明顯的抑制。該試驗(yàn)結(jié)果與Lubbad等 [19]的研究結(jié)論一致，即采用單螺旋線時(shí)，不管采用何種螺距和線徑，其對(duì)渦激振動(dòng)無量綱振幅的影響都很小。主要原因是：?jiǎn)温菪€不足以在整個(gè)圓柱上產(chǎn)生三維流動(dòng)，但卻可以允許圓柱的各個(gè)位置上存在二維旋渦的脫落從而引起渦振。

考慮到螺旋線直徑太大對(duì)拉索阻力系數(shù)可能產(chǎn)生不利的影響，進(jìn)一步對(duì)直徑（）、螺距的雙、三螺旋線拉索渦振控制效果進(jìn)行試驗(yàn)研究，拉索無量綱振動(dòng)響應(yīng)根方差隨折減風(fēng)速的變化曲線如圖10（b）所示。由圖10（b）可知，表面凹坑拉索設(shè)置直徑為（）、螺距的雙、三螺旋線，且阻尼比時(shí)，當(dāng)折減風(fēng)速和時(shí)出現(xiàn)小幅渦激共振現(xiàn)象，最大無量綱振動(dòng)位移根方差和;表面凹坑拉索在設(shè)置直徑、螺距的雙、三螺旋線后，拉索渦激共振現(xiàn)象得到一定的抑制，但并未完全消失，且三螺旋線的控制效果較雙螺線控制效果略差。

考慮到Jones等[17]對(duì)海洋立管渦激振動(dòng)的研究成果，即海洋立管渦振控制的螺旋線最優(yōu)參數(shù)為螺旋線徑、螺距三螺旋或四螺旋線。進(jìn)一步對(duì)直徑（）、螺距的螺旋線控制效果進(jìn)行試驗(yàn)研究。拉索無量綱振動(dòng)響應(yīng)根方差隨折減風(fēng)速的變化曲線如圖10（c）所示。由圖10（c）可知，表面凹坑拉索設(shè)置直徑（）、螺距的雙、三螺旋線，且阻尼比為時(shí)，當(dāng)折減風(fēng)速和時(shí)出現(xiàn)了一個(gè)小幅的渦激共振現(xiàn)象，最大無量綱振動(dòng)位移根方差和。表明采用直徑（）、螺距的雙、三螺旋線均可以有效控制拉索渦振響應(yīng)，雖然控制效果較（），的雙、三螺旋線控制效果略差，但直徑較小對(duì)降低拉索的風(fēng)荷載是有益的。

4 拉索節(jié)段模型測(cè)力試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)裝置和工況

為了進(jìn)一步分析螺旋線對(duì)拉索渦振響應(yīng)控制的機(jī)理，并對(duì)拉索設(shè)置螺旋線后的風(fēng)荷載系數(shù)進(jìn)行評(píng)估，對(duì)設(shè)置直徑（）、螺距的雙、三螺旋線的拉索進(jìn)行測(cè)力試驗(yàn)研究。拉索氣動(dòng)力系數(shù)采用六分量天平進(jìn)行測(cè)試，如圖11（a）所示，X，Z力分量量程為200 N，Y力分量量程為300?400 N，測(cè)試精度<0.5%。在試驗(yàn)前對(duì)桿式天平進(jìn)行標(biāo)定，試驗(yàn)來流風(fēng)速為，采樣頻率為，采樣時(shí)間為。安裝在風(fēng)洞中的拉索測(cè)力試驗(yàn)?zāi)Ｐ驼掌鐖D11（b）所示。

作用在拉索斷面上的氣動(dòng)力可用體軸系中的豎向氣動(dòng)力和橫向氣動(dòng)力來表示，也可以用風(fēng)軸系中的氣動(dòng)阻力和氣動(dòng)升力來表示。

體軸系下的升阻力系數(shù)定義如下所示：

對(duì)于設(shè)置螺旋線的拉索需要考慮風(fēng)向角影響，風(fēng)向角定義以拉索模型頂端斷面為參考標(biāo)準(zhǔn)，拉索風(fēng)向角的定義如圖12所示，風(fēng)向角以逆時(shí)針為正。圖12中風(fēng)沿水平方向吹時(shí)對(duì)應(yīng)風(fēng)向角。雙螺旋線拉索風(fēng)向角試驗(yàn)范圍為，間隔為;三螺旋線拉索風(fēng)向角試驗(yàn)范圍為，間隔為。拉索風(fēng)軸系力系數(shù)與體軸系力系數(shù)之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系如下：

4.2 試驗(yàn)結(jié)果

不同風(fēng)向角條件下各拉索風(fēng)軸下阻力系數(shù)、升力系數(shù)平均值隨風(fēng)向角的變化規(guī)律如圖13?14所示。由圖13可知，表面凹坑拉索阻力系數(shù)均值;設(shè)置直徑（）、螺距雙螺旋線時(shí)，當(dāng)風(fēng)向角時(shí)阻力系數(shù)均值最小，即。當(dāng)風(fēng)向角時(shí)阻力系數(shù)均值最大，即，即設(shè)置雙螺旋線后拉索阻力系數(shù)均值較表面凹坑拉索阻力系數(shù)均值增加約為30.8%?48.0%。設(shè)置直徑（）、螺距三螺旋線時(shí)，當(dāng)風(fēng)向角時(shí)阻力系數(shù)均值最小，即;風(fēng)向角時(shí)，阻力系數(shù)均值最大，即，即設(shè)置三螺旋線后拉索的阻力系數(shù)均值較表面凹坑拉索的阻力系數(shù)均值增加約。

由圖14可知，表面凹坑拉索升力系數(shù)均值，設(shè)置直徑（）、螺距雙、三螺旋線時(shí)拉索升力系數(shù)均值隨風(fēng)向角變化而略有變化。當(dāng)風(fēng)向角時(shí)，設(shè)置雙螺旋線的拉索升力系數(shù)均值最小，即;當(dāng)風(fēng)向角時(shí)，設(shè)置三螺旋線的拉索升力系數(shù)均值最小，即。

不同風(fēng)向角條件下各拉索體軸下水平力系數(shù)和豎向力系數(shù)根方差值隨風(fēng)向角的變化規(guī)律如圖15?16所示。由圖15可知，表面凹坑拉索水平力系數(shù)根方差;設(shè)置直徑、螺距為雙螺旋線時(shí)，拉索水平力系數(shù)根方差范圍;設(shè)置直徑（）、螺距三螺旋線時(shí)，拉索水平力系數(shù)根方差范圍。

由圖16可知，表面凹坑拉索豎向力系數(shù)根方差;設(shè)置直徑（）、螺距雙螺旋線時(shí)，拉索豎向力系數(shù)根方差范圍;設(shè)置直徑（）、螺距三螺旋線時(shí)拉索豎向力系數(shù)根方差范圍。結(jié)果表明，設(shè)置直徑（）、螺距為雙、三螺旋線可有效降低表面凹坑拉索豎向力系數(shù)根方差，較表面凹坑拉索豎向力系數(shù)根方差分別降低和。

結(jié)合圖16和圖10（c）可知，拉索設(shè)置直徑（）、螺距的雙、三螺旋線時(shí)拉索的豎向力系數(shù)根方差接近且均顯著小于原拉索的豎向力系數(shù)根方差，導(dǎo)致兩者拉索渦振振幅接近且顯著小于原拉索的渦振振幅。具體原因?yàn)?，設(shè)置直徑（）、螺距的雙、三螺旋線時(shí)，拉索尾流中旋渦脫落的展向相關(guān)性減弱，表現(xiàn)為靜止拉索豎向力系數(shù)根方差明顯減小，導(dǎo)致作用在拉索上的周期性橫風(fēng)向力幅值減小，從而達(dá)到控制拉索渦振響應(yīng)的效果。

5 結(jié) 論

以蘇通大橋?yàn)橐劳?，采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和風(fēng)洞試驗(yàn)方法對(duì)大跨度斜拉橋拉索風(fēng)致振動(dòng)響應(yīng)特征和氣動(dòng)控制措施進(jìn)行了研究，得到以下主要結(jié)論：

（1）現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)表明，在無雨情況下，當(dāng)橋位風(fēng)近似垂直于橋軸線、橋面高度處風(fēng)速為時(shí)，NA30U拉索發(fā)生了高階渦振現(xiàn)象，拉索面內(nèi)、外振動(dòng)加速度響應(yīng)最大幅值分別達(dá)，。

（2）低阻尼比條件下（，），表面凹坑拉索、表面光滑+小直徑（，）螺旋線拉索在折減風(fēng)速時(shí)均存在明顯的渦振現(xiàn)象;增加阻尼比可有效降低拉索渦振響應(yīng)幅值。

（3）采用通常用于控制拉索風(fēng)雨振的線徑和的雙螺旋線時(shí)不能有效抑制拉索渦振;而設(shè)置線徑、螺距的雙、三螺旋線可有效控制拉索渦振響應(yīng)。主要原因是小直徑螺旋線不足以改變拉索尾流區(qū)較強(qiáng)的旋渦強(qiáng)度和展向相關(guān)性，當(dāng)螺旋線直徑較大時(shí)會(huì)減弱拉索尾流區(qū)旋渦強(qiáng)度和展向相關(guān)性，從而實(shí)現(xiàn)拉索渦振響應(yīng)控制。

（4）設(shè)置直徑、螺距的雙、三螺旋線的表面凹坑拉索阻力系數(shù)較不設(shè)置螺旋線時(shí)表面凹坑拉索的阻力系數(shù)分別增加30.8%?48.0%和，對(duì)應(yīng)的拉索豎向力系數(shù)根方差較不設(shè)置時(shí)拉索的豎向力系數(shù)根方差降低了，表明設(shè)置該參數(shù)螺旋線可顯著減小拉索橫風(fēng)向氣動(dòng)力幅值，從而有效抑制拉索渦振響應(yīng)振幅。

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作者簡(jiǎn)介： 劉志文（1975?），男，副教授。電話：13975880715;E-mail： zhiwenliu@hnu.edu.cn