大跨斜拉橋拉索安全性能加固方案
2015-07-02
前言
拉索振動(dòng)影響著斜拉索使用的持續(xù)時(shí)間，長(zhǎng)時(shí)間拉索的大幅振動(dòng)會(huì)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(huì)相互交疊，對(duì)于兩個(gè)接觸的面來說，小振幅的相對(duì)滑動(dòng)有可能會(huì)發(fā)生微動(dòng)損傷，其損傷方式有可能是微動(dòng)腐蝕、微動(dòng)摩損或者微動(dòng)疲勞，斜拉索所采用的高強(qiáng)度鋼絲對(duì)微動(dòng)的損傷十分敏感，也會(huì)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(duì)比較細(xì)長(zhǎng)，非常容易產(chǎn)生各種形式的振動(dòng)?，F(xiàn)今，人們對(duì)拉索典型的振動(dòng)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(huì)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?yàn)樯巷L(fēng)向的拉索尾流作用導(dǎo)致下風(fēng)向的拉索會(huì)產(chǎn)生更強(qiáng)的風(fēng)致振動(dòng)，這種振動(dòng)叫做“尾流馳振”。因?yàn)?排拉索固有的頻率大致相同，這時(shí)候后排的拉索將受會(huì)到前排拉索的尾流而激發(fā)，會(huì)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(huì)不斷的增大，大到一個(gè)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(gè)范圍內(nèi)，是可以看到尾流顫振的振動(dòng)現(xiàn)象。通常認(rèn)為將拉索的對(duì)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(dòng)
拉索的一種常見的振動(dòng)形式是“渦激振動(dòng)”，由于渦激振動(dòng)的發(fā)振所需風(fēng)速較低，所以使拉索很容易產(chǎn)生長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)不斷的振動(dòng)，這樣拉索的使用壽命就會(huì)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(dòng)，渦激振動(dòng)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(dòng)；響應(yīng)對(duì)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(huì)產(chǎn)生一種“鎖定”現(xiàn)象；最大振幅對(duì)阻尼有很大的依賴性等。橋梁工程師認(rèn)為要想取得相對(duì)較好的減震效果，就需要要將拉索的對(duì)數(shù)衰減率控制到到0. 01～0. 015范圍內(nèi)。
3.參數(shù)振動(dòng)
拉索在橋梁以總體彎曲頻率振動(dòng)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(shí)候會(huì)產(chǎn)生參數(shù)振動(dòng)。理論上來看，這是因?yàn)槔鞫瞬恳岳鞴逃蓄l率倍數(shù)振動(dòng)時(shí)，給拉索相當(dāng)于附加一個(gè)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(shí)，拉索就會(huì)產(chǎn)生發(fā)散的不穩(wěn)定自激振動(dòng)。
4.風(fēng)雨振動(dòng)
風(fēng)雨振動(dòng)的模態(tài)從1階到4階，且振動(dòng)頻率為1. 0～3. 0 Hz。斜拉索的風(fēng)雨振動(dòng)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(shí)候，而且風(fēng)速達(dá)到特定值的時(shí)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(huì)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(dòng)的不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。由于風(fēng)力的影響，拉索會(huì)形成大幅的振動(dòng)，拉索產(chǎn)生風(fēng)雨振動(dòng)的基本條件是形成上水路。應(yīng)對(duì)風(fēng)雨振動(dòng)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(duì)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(guó)采取的實(shí)橋控制拉索的振動(dòng)的主要方法有以下三種 :
?。?）使拉索的剛度增加，以及改變其動(dòng)力的特性，使拉索的基頻提高至不能發(fā)生風(fēng)雨振動(dòng)的程度，同時(shí)讓拉索的大幅振動(dòng)減小。
?。?）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(dòng)減小。
（3）要防止雨線的產(chǎn)生，避免拉索產(chǎn)生風(fēng)雨振動(dòng)，就需要改變拉索的截面，這樣還能減弱拉索的渦激振動(dòng)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(dòng)力學(xué)措施。以下分別對(duì)這3種措施在實(shí)橋上應(yīng)用的具體形式以及各自特點(diǎn)進(jìn)行簡(jiǎn)要的介紹：
?。?）構(gòu)造措施
目前還沒有很好的措施來對(duì)長(zhǎng)索的振動(dòng)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(dòng)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(dòng)頻率，同時(shí)由于每根索的振動(dòng)相位、幅值和頻率不同，因此可使索之間的運(yùn)動(dòng)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(dòng)必須滿足兩個(gè)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(lì)力提供的能量大于拉索振動(dòng)所需要的初始勢(shì)能，并滿足拉索在振動(dòng)過程中拉索自身的結(jié)構(gòu)阻尼所消耗的能量時(shí)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(jiǎn)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(duì)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(jiǎn)單以及良好的美觀效果，需要注意的是在拉索上同時(shí)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(gè)方向的振動(dòng)必須安裝2個(gè)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(shí)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(yùn)動(dòng)時(shí)切割磁力線的同時(shí)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(dòng)。磁流變阻尼器的特點(diǎn)是其阻尼力不受到環(huán)境溫度的影響，而且會(huì)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(gè)方向的振動(dòng)，必須在1根拉索上同時(shí)安裝2個(gè)阻尼器。
d粘性剪切型阻尼器
采用與拉索同步運(yùn)動(dòng)的插板剪切箱體中的粘性材料，拉索的振動(dòng)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(gè)粘性剪切型阻尼器可以同時(shí)控制拉索面外和面內(nèi)2個(gè)方向的振動(dòng)，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(shí)現(xiàn)。在設(shè)計(jì)時(shí)必須綜合考慮粘性材料力學(xué)性能受振動(dòng)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(dòng)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(diǎn)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(yǔ)
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”。
