缆索局部振动对千米级跨径斜拉桥颤振特性的影响

斜拉桥的三维颤振有限元分析一般将缆索视为单根链杆，全桥模型风洞试验也不模拟缆索局部振动的振型。事实上，当跨径增大后斜拉桥的斜拉索在颤振运动过程中很难保持直线，缆索作为张力弦自身的振型会表现出来。缆索的局部振动引起的缆索气动弹性作用对大跨度，特别是千米级跨径斜拉桥的颤振行为会产生显著影响。为此，本项目第一步建立反映缆索自身振型的有限元模型，并计及缆索自激气动力，采用全模态直接求解方法，提取颤振运动方程的特征值，得到颤振模态，从而建立反映缆索自身振型的桥梁三维颤振分析方法，从有限元分析的角度考察缆索局部振动对桥梁颤振特性的影响。第二步设计专门的可以反映缆索局部振动振型的全桥模型，通过风洞试验的方法考察缆索振型对颤振特性的影响，验证有限元分析的结果。运用理论分析和风洞试验两种途径探讨缆索局部振动引起的气动弹性作用对千米级跨径斜拉桥颤振行为影响的程度和机理，为此类大跨度跨海桥梁的抗风设计提供依据。

缆索的局部振动对斜拉桥颤振特性的影响程度和影响机理，是大跨径斜拉桥颤振考察不可回避的问题。处于风场中的缆索，作为张力弦局部振动的理论计算和风洞实验模拟一直是桥梁风工程难以解决的问题。本项目引入了缆索的多链杆模型，计入几何刚度，建立可反映缆索局部振动的缆索模型。采用线性阻尼模拟结构主要振型的阻尼，针对不同建筑材料的桥梁实现全桥结构阻尼的有限元模拟。利用全桥三维颤振分析的通用有限元程序方法，考察主跨600m级跨径斜拉桥、主跨1000m级跨径斜拉桥、主跨2x600m级三塔斜拉桥的动力特性和颤振特性，以及缆索局部振动对动力特性和颤振特性的影响。..对于主跨600m级跨径的斜拉桥，缆索局部振动对全桥动力特性有明显影响，大量缆索局部振动模态出现在全桥主要模态中，一阶和二阶缆索正弦半波以索面同相位振动出现在全桥整体模态中。缆索局部振动对动力特性的固有频率有一定幅度的影响。对于不同的主要模态，幅度达1-10%。颤振临界风速对固有频率的敏感性体现在小幅的固有频率的改变将导致较大的颤振临界风速的变化。全桥的三维颤振分析揭示了缆索局部振动对600m级跨径桥梁的颤振特性有显著的影响。计入缆索局部振动可使主跨600m级跨径斜拉桥颤振临界风速提高超过20%。颤振形态中缆索主要出现的是一阶正弦半波的局部振动。影响机理表现为缆索局部振动通过改变全桥整体振动的频率和局部振动振型参与的气动弹性作用对桥梁整体颤振临界状态产生影响。..通过对主跨1000m级跨径双塔斜拉桥的计算，发现桥梁整体固有模态中出现了较多高阶正弦半波的缆索局部振动。颤振形态中有二阶正弦半波缆索局部振动出现。同时颤振分析的迭代计算中模态的跟踪很困难，特征值的提取亦较困难，须要反复更改频率搜索范围，才能得到结果，且不能排除特征值遗漏情形。对于主跨2x600m级的三塔斜拉桥，固有模态和颤振模态相对于双塔斜拉桥呈现出不同的特征，颤振形态为反对称扭转为主。在此基础上，构造了边中塔高比作为影响因素的不同的工况，籍以反映边中塔高比在斜拉桥立面方案设计中的合理变化范围，并保持双主跨跨径不变。对此模型系列进行计算，讨论了三塔斜拉桥边中塔高比对桥梁动力特性以及颤振特性的影响。..探讨了通过风洞试验模拟缆索局部振动对颤振特性影响的技术途径，认为在现有风洞试验条件下，全桥风洞试验在模拟全桥整体动力特性的时候，很难同时模拟缆索的张力和质量分布，张力模拟和质量