斜拉索風雨激振問題研究綜述

2024年3月12日發(作者：業精于勤的意思是什么)

斜拉索風雨激振問題研究綜述

摘要：從現場觀測、風洞試驗、理論分析和CFD數值模擬四個方面對斜拉

橋拉索風雨激振問題的研究現狀進行了概括和總結，分析了已有的研究成果，對

今后的研究方向提出展望，供相關研究人員參考。

關鍵字：斜拉橋，拉索，風雨激振

1.引言

斜拉橋是一種由三種基本承載構件，即梁（橋面）、塔和兩端分別錨固在塔

和梁上的拉索共同承載的結構體系，以其結構受力性能好、跨越能力強、結構造

型多姿多彩、抗震能力強及施工方法成熟等特點，而成為現代橋梁工程中發展最

快、最具有競爭力的橋型之一，在橋梁工程中得到了越來越多的應用。

由于斜拉索質量、剛度和阻尼都很小，隨著斜拉橋跨度的增大，拉索振動問

題的影響日益顯著。在各種振動情況中，風雨激振是拉索風致振動中最強烈的一

種，且風雨激振的起振條件容易滿足，振幅極大，對橋梁的危害最為嚴重，因而

關于斜拉橋拉索風雨激振的研究得到了國內外學者的廣泛重視。

風雨激振是指干燥氣候下氣動穩定的圓形截面的拉索，在風雨共同作用下，

由于水線的出現，改變了拉索的截面形狀，使其在氣流中失去穩定性，由此發生

的一種大幅振動。

2.研究現狀

2.1.現場實測

現場觀測是最早用于研究風雨激振的手段。它可以獲得拉索風雨激振最準確

的特征，為驗證風洞試驗和理論分析研究結果的真實性、可靠性提供寶貴的資料。

Hikami等[1]對日本名港西(MeikoNishi)大橋的實測。20世紀80年代，在日

本建造名港西大橋的過程中，發現了比較嚴重的風雨激振現象，Hikami等選取

了其中24根索進行實測，對該橋進行了為期5個月的現場實測，實測內容包括

索面的拉索振幅。

Main和Jone[3]對美國Fred Hartman橋的斜拉索風雨激振記錄。進行了16

個月的現場監測，分析了記錄的5000組5分鐘時程的斜拉索加速度和氣象資料。

陳政清[4]等對洞庭湖大橋的實測。自2001年1月至2004年4月，陳政清

在國家自然科學基金資助下，與香港理工大學合作，在岳陽洞庭湖大橋上進行了

連續4年的風雨激振觀測研究。

通過研究國內外專家對風雨激振現場觀測的結果，得出了一些結論：(1) 與

拉索振動形態的關系。進入穩定的大幅振動后，其波形猶如甩鞭狀，拉索表面會

形成振蕩的水線，表現為低階振型。(2) 與環境參數的關系。風雨激振存在起振

振動，只在一定風速范圍內發生；在無雨情況下，很少觀測到風雨激振，而且雨

量為小到中雨情況觀測到風雨激振次數最多。(3) 與拉索本身參數的關系。風雨

激振的振幅大小與拉索的表面材料、長度、風偏角和傾斜方向等參數有關。

2.2.風洞試驗

按照水線的模擬方法，研究風雨激振的風洞試驗可分為兩種類型：人工降雨

試驗和人工水線試驗。

1. 人工降雨試驗

人工降雨試驗是在風洞內通過人工模擬降雨，提供與實際拉索發生風雨激振

相類似的風雨條件，對通過彈簧懸掛在固定支架上的拉索節段模型進行的一種試

驗形式。

2. 人工水線試驗

人工水線試驗是在風洞內對帶有人工水線的拉索節段模型進行的一種試驗

形式。根據人工水線與拉索的連接形式和試驗的測量內容的不同，人工水線試驗

可分為：固定人工水線測振試驗、固定人工水線測力試驗、固定人工水線測壓試

驗和運動人工水線測振試驗。

2.3.理論分析

目前關于斜拉索的風雨激振問題形成機理大致可分為如下幾類觀點：

1. 馳振機理

日本的Hikami與Shiraishi[1]1985年在橋最先觀測到風雨激振

現象。隨后他們通過一系列的人工降雨風洞實驗再現了這一現象。他們在實驗的

基礎上初步分析了風雨振的發生機理，認為風雨激振可能有兩種機理：一種是

Den Hartog馳振機理；另一種是彎扭兩個自由度馳振機理。

2. 上水線振蕩誘發機理

chi[6]認為單自由度Den Hartog馳振理論不能解釋風雨振的形成機

理水線是風雨激振不可缺少的條件，當水線的振蕩頻率接近于拉索的自振頻率

時，水線與拉索之間的相互作用導致斜拉索產生負阻尼，引發斜拉索發生大幅振

動。Peil, U.& Nahrath, N[8]認為上水線的運動是導致風雨振的主要原因。Seidel

等[9]指出當風速大于某個限制，流動不存在轉變，這時不會發生風雨激振；發

生風雨激振的速度下限是由風偏角和拉索傾斜角決定的。

3. 上水線特定位置致振機理

顧明和杜曉慶[10]建立了三維拉索風雨激振的準二自由度運動方程，氣動力

系數根據帶人工水線三維拉索模型試驗得到，分析了水線平衡位置和水線振幅的

取值，采用數值求解方法計算了拉索風雨激振振幅，得出了水線特定位置是引起

索結構大幅振動的主要因素的結論。

4. 渦激振動機理

Delong Zuo[11]揭示了風雨激振與高風速下干索渦激振動之間的聯系，認為

風雨激振的內在機理與渦激振動的相同，與降水無關。由于風偏角和拉索傾角的

存在使得這種渦激振動不同于經典卡門渦脫，是一種三維渦激振動。

數值模擬

風工程的研究方法中數值模擬是最近30年在前三種方法的基礎上逐步發展

起來的，下面的介紹為CFD技術在拉索風雨激振方面的相關研究。

陳文禮和李惠[13]提出物理試驗與CFD數值模擬的混合子結構方法，通過

與圓柱渦激振動的流固耦合方法結果進行比較，分析了上水線對繞流場特性的影

響，然后采用有限元程序ANSYS和計算流體動力學程序CFX對考慮風速剖面

的CFRP斜拉索渦激振動進行流固耦合方法的CFD數值模擬。

3.結語與展望

本文參考國內外文獻，對斜拉橋拉索風雨激振問題進行了系統總結, 并對今

后的研究提出展望。總結如下:

在現場觀測和風洞試驗方面，未來的研究應更加關注水線的形成及其在風雨

激振中的作用，精確測量不同拉索運動狀態下的水線形狀和位置，為理論分析和

數值模擬提供基礎。

在理論分析方面，雖然國內外很多學者和專家提出了各種理論模型和數值解

析方法分析風雨激振發生機理，但是迄今為止還是沒有一種大家公認的對斜拉索

風雨激振的發生機理能夠完全解釋清楚的模型，今后的研究應側重于風雨激振的

軸向流、風場與水線間的氣液兩相耦合現象以及風場、水線與拉索間的氣液固三

相耦合現象的研究，對風雨激振機理進行更加深入和精細化的研究。

參考文獻

[1] HIKAMI Y，SHIRAISHI N． Rain-wind-induced vibrations of cables in

cable stayed bridges [J]. Journal ofWind Engineering and Industrial Aerodynamics，

1988，29: 409 － 418．

[2] 顧明，劉慈軍，羅國強. 斜拉橋拉索的風（雨）激振及控制 [J]. 上海力

學, 1998, 12: 281~288.

[3] 陳文禮. 斜拉索風雨激振的試驗研究與數值模擬[D]. 黑龍江：哈爾濱工

業大學，2009.

[4] U. Peil, N. Nahrath, Modeling of rain-wind induced vibration [J], Wind and

Structue, 2003, 6(1), 41~52.

[5] C. Seidel, D. Dinkler. Rain-wind induced vibrations-phenomenology,

mechanical modeling and numerical analysis [J]. Computers and Structures, 2006, 84:

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[6] 顧明,杜曉慶.斜拉橋三維拉索風雨激振準兩自由度模型 [J].力學季

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[7] Zuo, D. Understanding wind- and rain–wind-induced stay cable vibrations

[D]. Johns Hopkins University, Baltimore, Maryland, USA, 2005.