桥梁斜拉索涡激振动特征研究

毛仁杰

摘要：桥梁工程中，斜拉索涡激振动是一项常见但挑战性的问题，可能对结构安全和稳定性产生重大影响。了解涡激振动的特征和影响因素，并采取有效的控制措施，对于保障桥梁结构的正常运行至关重要。本文探讨桥梁斜拉索涡激振动的特征，分析了不同风速、风向等因素对涡激振动特征的影响，并探讨了减振措施。

关键词：桥梁斜拉；索涡激振动；特征

桥梁斜拉索涡激振动是结构工程领域一个重要而复杂的问题，涉及结构动力学、空气动力学等多个学科的知识。随着桥梁设计和建设的发展，涡激振动对桥梁结构的影响越来越受到关注。本文旨在通过研究涡激振动的特征，分析其形成机理和影响因素，探讨减振措施对涡激振动的控制效果，为提高桥梁结构的抗风能力和安全性提供参考。

1、涡激振动的形成机理和影响因素

涡激振动的形成机理是由流体经过物体表面时产生的涡流引起的。这种现象主要受到流体动力学的影响，包括物体形状、表面粗糙度、流体速度等因素。当流体流经物体时，流体的流动会在物体表面形成涡流，这些涡流会产生变化的压力分布，从而导致物体发生振动[1]。特别是在空气等流体高速流动的情况下，湍流运动更容易形成复杂的涡流结构，引发涡激振动现象。

涡激振动的影响因素涵盖了多个方面。首先是流体的特性，如密度、粘性、速度等，不同流体特性会影响涡流结构的形成和强度，进而影响涡激振动的频率和振幅。其次是物体本身的特性，包括形状、横截面设计、表面处理等，这些因素会直接影响涡流形态和涡激振动的强度。另外，外部环境条件也是影响涡激振动的重要因素，如气流条件、地形结构等会对流体流动产生影响，进而影响涡激振动的形成和特征。综合考虑这些影响因素可以更全面地理解涡激振动的产生机制及其影响。

2、桥梁结构中斜拉索涡激振动的特点

桥梁结构中斜拉索涡激振动具有独特的特点。第一，斜拉索的长、细形状使其更易受到空气流动影响，促发涡激振动。斜拉索通常为较长且细的结构，在风等流体经过时，容易形成强烈的涡流结构，进而引发涡激振动。第二，斜拉索的自然频率与涡激振动频率相近，易发生共振现象。斜拉索的自然频率通常与涡激振动频率接近，这使得在特定条件下，容易发生共振，增强振幅。第三，斜拉索涡激振动具有非线性和随机性特征，振幅和频率变化不确定。这种不确定性增加了振动的复杂性，使得结构受到的影响更加难以预测和控制。第四，斜拉索涡激振动对桥梁结构可能造成疲劳损伤和舒适性影响。长期涡激振动易导致斜拉索疲劳损伤，需定期检测维护；同时，振动也可能影响桥梁使用者的舒适性，需要在设计和施工中考虑其影响。

3、不同风速、风向等因素对涡激振动特征的影响

3.1 风速

风速是对斜拉索涡激振动特征影响最显著的因素之一。随着风速的增加，涡激振动的振幅和频率通常会显著增加。较低风速下，振动相对平稳，但随着风速逐渐增加，涡流结构变得更加复杂和强烈，导致结构受到的激励增加，振动幅值随之增大。特别是在风速接近或超过结构固有频率时，容易出现共振现象，进一步增强了振动的幅值和频率。因此，风速对涡激振动的影响是非常显著的，需要在设计和管理中充分考虑，采取相应的控制措施来减轻涡激振动对结构安全性的影响。

3.2 风向

风向对斜拉索涡激振动特征也有着显著影响。当风向与斜拉索方向垂直时，涡流与结构的交互作用最强，导致涡激振动的振幅和频率显著增加。这种情况下，风与结构的相对运动会引发更为复杂的涡流结构，进而加剧了振动的程度。而当风向与斜拉索方向平行时，涡流与结构的相互作用相对较弱，导致涡激振动的特征相对较弱。因此，风向的变化对涡激振动特征有着明显的影响，这需要在设计和管理中加以考虑，以确保结构的稳定性和安全性[2]。

3.3 其他因素

一方面是是结构特性，包括斜拉索的几何形状和材料特性。例如，较长的斜拉索会增加结构与气流的相互作用时间，使得结构更容易受到涡流的影响，从而增加了振动的强度和频率。此外，结构的刚度、阻尼等参数也会影响涡激振动的特征，不同的结构特性可能导致不同的振动响应。另一方面是空气动力学参数，如空气密度、粘性等。空气密度较大时，风场中产生的涡流更加丰富和复杂，容易引发涡激振动。而空气的粘性则影响了涡流与结构表面的摩擦力，影响涡激振动的能量传递和阻尼效果。这些空气动力学参数的变化会直接影响涡激振动的特征，需要在设计和管理中进行综合考虑，以减轻涡激振动对结构的影响。

4、涡激振动的数值模拟

涡激振动的数值模拟是通过计算流体力学（CFD）方法来模拟结构在流体中的振动行为。其主要步骤包括：

4.1 建立数值模型

首先，需要建立斜拉索结构的数值模型，包括斜拉索和主桥体等关键部件。模型的基本参数包括斜拉索长度L、结构的质量m、弹性系数k、振动阻尼c等。结构的受力平衡可以通过下面的公式表示：

其中，是结构的加速度，是速度，是位移，是风载荷。

4.2 网格划分和边界条件设定

对结构及其周围的流场进行网格划分，并设定流体和结构的边界条件。流体方程可以用雷诺平均的Navier-Stokes方程表示：

其中，是流体密度，是速度向量，是压力，是动力粘性系数，是外部体积力。

4.3 数值计算和求解

利用数值方法（如有限元法或有限体积法）求解流体动力学方程和结构动力学方程，模拟结构在不同风速和风向下的涡激振动响应。这需要考虑到流体-结构相互作用、涡流生成和传输以及振动响应等因素。

4.4 结果分析

分析数值模拟结果，包括振幅、频率、共振情况等。对振动特征的分析可以通过频谱分析、模态分析等手段来完成，以评估涡激振动对结构安全性和稳定性的影响。

5、涡激振动的控制与减缓措施

5.1 结构设计优化

在结构设计阶段，可以通过优化设计减小结构对风的敏感性，从而有效减缓涡激振动的影响。这包括采用减振措施，如增加阻尼器、调整结构刚度等，以降低结构的振动幅度。此外，合理设计结构的气动外形也是关键之一，可以通过减小结构的空气动力学截面积，改善气动外形，减少风对结构的激励，进而降低涡激振动的影响。通过这些设计优化措施，可以提高结构的抗风能力，确保结构在风场中的稳定性和安全性。

5.2 防风措施

在斜拉索结构设计中，采取防风措施是一项关键的工作。通过设置防风设施，如护栏、挡风墙（改成螺旋线、表面挖孔措施）等，可以有效减少风对斜拉索结构的影响，降低涡激振动的幅度和频率。这些防风设施能够改变风场的流线，减小风对斜拉索的激励，从而降低结构受到的振动力，保障斜拉索结构的安全性和稳定性。采取合适的防风措施对于减轻斜拉索结构受风影响的程度具有重要意义，为结构的正常运行提供了有力保障。

5.3 涡激振动监测

涡激振动监测是一项关键的措施，通过安装涡激振动监测系统，可以实时监测结构的振动情况，及时发现异常振动并采取相应措施。监测系统通常包括加速度传感器、位移传感器、应变传感器等设备，用于监测结构的振动幅度、频率以及可能的共振情况。

监测系统的数据可以通过实时监测和记录，对结构的振动特征进行全面分析和评估。一旦发现结构出现异常振动，监测系统可以及时发出警报，并通知相关管理人员进行进一步的调查和处理。根据监测数据，可以分析涡激振动的发生原因，评估对结构的影响程度，采取相应的措施进行调整或加固，以确保结构的安全性和稳定性。

结语：

通过对桥梁斜拉索涡激振动特征的研究，深入了解了涡激振动的形成机理和影响因素，探讨了不同减振措施对涡激振动的控制效果。这对于提高桥梁结构的抗风能力和安全性具有重要意义。

参考文献：

[1]孙强.大跨径斜拉索风致限幅振动可靠度分析[D].大连海事大学,2023.

[2]孙一飞,刘庆宽,王仰雪,常幸,邵林媛.O型套环对斜拉索涡激振动影响的试验研究[J].工程力学,2023,40(07):239-248.