大跨度缆索悬索桥的风致振动分析与防控关键技术研究

大跨度缆索悬索桥的风致振动分析与防控关键技术研究

陈明禹

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摘要: 随着跨度的不断增大,风致振动问题已经成为制约大跨度缆索悬索桥设计和施工的关键因素之一。本文针对大跨度缆索悬索桥在服务期内可能遭遇的风致振动问题,重点研究了振动响应分析方法、减振控制技术等防振关键技术。通过理论分析、数值模拟和实际工程案例,探讨了风致振动的成因机理、计算模型和防控措施,为大跨度缆索悬索桥的风振防控提供了技术支撑。

关键词: 大跨度;缆索悬索桥;风致振动;振动分析;减振控制

引言: 随着人类对大型基础设施的需求不断增长,大跨度悬索桥建设成为桥梁工程领域的重要发展方向。大跨度悬索桥具有结构跨度大、挑空比高等特点,在服务期内面临各种复杂的风场作用,极易引发风致振动问题。风致振动不仅影响车辆通行舒适性,而且在极端情况下可能导致结构损坏甚至全面性能失效。因此,对大跨度缆索悬索桥进行风致振动分析与防控具有重要的理论意义和工程应用价值。

1. 大跨度缆索悬索桥风致振动问题分析

大跨度缆索悬索桥因其结构特点,在服役期间极易受到风场激励而产生风致振动问题。这些风致振动主要包括垂直扭曲振动、点阵振动和涡振动、偏振动和轻卡振动以及桥面跳舞振动等类型。

垂直扭曲振动是由于桥面扭转变形和垂直位移偶合而引起的,通常发生在大跨度斜拉桥上。当风速达到一定临界值时,扭转变形和垂直振动会相互耦合、相互加强,导致剧烈振动甚至发散失稳。点阵振动主要发生在斜拉索上,是由于来流形成规则波动涡街与斜拉索的共振引起的。而涡振动则是由于桥面结构或桁架产生周期性涡流而导致的强迫振动现象。

偏振动主要发生在主缆上,是由于主缆的结构特性和气动力的不对称性引起的。轻卡振动则是主缆或斜拉索在较小风速作用下产生小幅振动的现象。由于桥面结构及力学特性的原因,当受到横向风力作用时,会产生桥面扩大的跳舞振动响应,这种振动会严重影响行车舒适性。

2. 风致振动响应分析方法

理论分析方法是基于力学理论和气动力学原理,利用解析或半解析方法求解风致振动响应。这种方法具有物理概念清晰、计算效率高的优点,但需要对实际问题作出一定理想化假设,分析模型的精度受到一定限制。常见的理论分析方法包括单自由度振动方程法、多自由度振动方程法、经验公式法等。

数值模拟方法是利用计算机技术,对风致振动问题进行数值模拟求解。这种方法可以考虑结构的几何非线性、材料非线性等复杂因素,获得高精度的分析结果。常用的数值模拟软件包括有限元分析软件、计算流体动力学分析软件等。数值模拟需要构建高质量的几何模型和计算网格,且计算成本较高,是该方法的主要缺陷。

半解析分析方法是将理论分析方法与数值模拟方法相结合的一种新型分析手段。这种方法利用理论分析公式描述结构力学响应,采用数值模拟方法计算作用于结构上的风载荷,从而达到提高分析精度和降低计算量的目的。常用的半解析方法有非常规积分方程法、HFBB方法等。

3. 大跨度缆索悬索桥的减振控制技术

主动控制技术是利用外加的可控制力或力矩对结构进行主动调控,抑制或减小振动响应。常见的主动控制装置包括主动质量阻尼器、主动驱动系统等。这些装置可根据实时监测到的振动信号,通过闭环反馈控制系统发出相应的控制指令,从而产生相位相反的控制力,达到减振目的。主动控制技术具有控制效果好、适应性强的优点,但系统相对复杂、维护成本较高。

半主动控制技术是在被动控制装置的基础上,利用可调节的阻尼或刚度元件,根据结构振动的实时反馈信息对这些元件的特性进行实时调节,从而优化控制效果。常见的半主动控制装置有可调阻尼器、可调刚度支座等。与主动控制相比,半主动控制无需提供外部控制力,能量需求较低,系统结构也较为简单,但控制性能稍差。

被动控制技术是通过在结构中设置一些特殊的消能装置,如阻尼器、质量阻尼器、阻尼支座等,利用这些装置的能量消耗特性来抑制结构振动。被动控制装置无需外部功率输入,结构简单、可靠性高、维护便利,是目前应用最广泛的减振措施。但其控制效果受结构参数和激励特性的影响较大,适应性相对较差。

除了采用上述振动控制装置外,结构优化设计也是一种有效的减振手段。主要包括气动优化设计和结构优化设计两个方面:气动优化是通过优化结构外形,改善其气动性能,降低风致激励作用;结构优化则是在满足结构承载力要求的前提下,通过优化结构几何参数和刚度分布,提高结构的抗振动性能。

4. 工程实例分析

秦皇岛长江公路大桥为双塔双缆面钢箱梁斜拉桥,主跨628米,是当今世界上主跨最大的公路斜拉桥。为解决可能出现的风振动问题,采取了多项减振措施:主缆和斜拉索采用空气阻尼装置;桥面系统安装了28对主动质量阻尼器和272对附加阻尼器;主塔顶端加装了4对可调垂直阻尼装置。同时通过数值模拟分析和实测反馈,对各装置参数进行了优化调整,使其发挥最佳减振效果。

苏通长江公路大桥为双层六车道斜拉桥,主跨1092米,是目前世界最大跨径的公路桥梁。为确保桥梁的抗风性能,采取了多种被动减振措施,如在主缆、斜拉索、吊杆上安装阻尼锥、金属阻尼环等;在主塔顶端设置了4组主动质量阻尼器;在索面系统上设置了62对液体阻尼器等。此外,还采用了有限元建模和风洞试验的研究手段,对桥梁气动参数和风致振动规律进行了深入分析。

港珠澳大桥中的大型斜拉桥总长38公里,是目前世界最长的跨海桥梁。由于受到复杂的海上风场影响,风振动问题尤为突出。减振措施包括:采用四分力主缆和双索面系统等气动优化设计;主缆和斜拉索采用多种阻尼装置;桥面系统采用主动质量阻尼器和主动驱动系统等主动控制措施。与此同时,对桥梁的风致振动响应进行了大量实测,并建立了精细的数值分析模型,为减振措施的选择和调整提供了理论依据。

上述工程实例表明,通过理论分析、数值模拟、风洞试验、实测监测等多种技术手段,并综合采用被动、半主动、主动控制技术,充分发挥各自优势,可以有效控制大跨度缆索悬索桥的风致振动问题,确保结构的安全耐久性和使用舒适性。同时,对减振措施的参数优化和运行调节也至关重要。

结语: 风致振动问题是制约大跨度缆索悬索桥发展的关键技术瓶颈之一。本文从振动响应分析和减振控制技术两个方面,系统研究了大跨度缆索悬索桥的风致振动防控问题。理论分析、数值模拟和工程案例表明,合理选择分析方法和防振措施,可以有效控制风致振动响应,确保大跨度悬索桥结构的安全性和舒适性。随着新材料、新理论和新技术的不断发展,相信大跨度缆索悬索桥的风致振动防控水平将得到进一步提高。

参考文献：

[1]陈应高,康佳,唐浩俊,等.高陡山区大跨度钢箱梁悬索桥风致振动试验和气动外形优化[J].振动与冲击,2023,42(18):241-249.DOI:10.13465/j.cnki.jvs.2023.18.027.

[2]柴小鹏,荆国强,吴肖波.大跨度悬索桥吊索风致振动多重调谐阻尼减振技术研究[J].振动与冲击,2023,42(05):200-204+232.DOI:10.13465/j.cnki.jvs.2023.05.025.