【摘 要】
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随着跨径的不断增长,桥梁特别是缆索承重桥梁对风荷载的作用越来越敏感。近年来,人们在苏通长江公路大桥、荆岳长江大桥等斜拉桥上观测到了斜拉索的高阶涡激振动现象,造成了套筒和阻尼器等附属设施的破坏,产生了很大的经济损失,这超出了人们对桥梁索结构涡激共振现象的认识。我国在建的甬舟铁路西堠门公铁两用大桥（简称“西堠门公铁两用大桥”）是一座边跨无吊索的斜拉悬索协作体系桥梁,边跨主缆长达727m,可能会发生振幅
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随着跨径的不断增长,桥梁特别是缆索承重桥梁对风荷载的作用越来越敏感。近年来,人们在苏通长江公路大桥、荆岳长江大桥等斜拉桥上观测到了斜拉索的高阶涡激振动现象,造成了套筒和阻尼器等附属设施的破坏,产生了很大的经济损失,这超出了人们对桥梁索结构涡激共振现象的认识。我国在建的甬舟铁路西堠门公铁两用大桥（简称“西堠门公铁两用大桥”）是一座边跨无吊索的斜拉悬索协作体系桥梁,边跨主缆长达727m,可能会发生振幅明显的涡激共振甚至高阶涡振现象。为此,本文以西堠门公铁两用大桥边跨无吊索主缆为工程背景,设计了适用于斜索的三维连续气弹模型。采用风洞试验的方法,研究了西堠门公铁两用大桥边跨主缆的涡激振动响应特征及其抑振措施。本文的主要工作内容和成果如下:（1）采用ANSYS有限元软件对西堠门大桥的全桥及边跨主缆进行了动力特性分析。结果表明:全桥的1阶横弯频率0.0893Hz、1阶反对称竖弯频率0.1291Hz、1阶正对称竖弯频率0.1418Hz、1阶扭转频率0.2645Hz。边跨主缆的1阶面内和面外频率分别为0.202Hz和0.184Hz,前5阶面内频率高于对应的面外频率值。（2）考虑垂度效应的影响,将一种新型的吊索三维气弹模型设计方法推广到斜索。以西堠门公铁两用大桥边跨主缆为背景,研究了垂跨比对边跨主缆动力特性的影响规律。采用理论分析方法对比研究了原型结构和气弹模型的涡振响应。探究了该模型设计方法推广到斜索的适用条件。以此为基础,确定了模型的长度缩尺比及直径缩尺比,设计并制作了西堠门公铁两用大桥的边跨无吊索主缆的三维气弹模型。结果表明:短模型的垂跨比随几何缩尺比的增大而增大,在几何缩尺比1:20时与原型结构接近;短模型的频率计算结果均高于长模型;短模型在几何缩尺比高于1:20不发生明显振动,几何缩尺比大于等于1:20响应与长模型接近。本文设计的三维气弹模型几何缩尺比采用1:20。（3）以西堠门公铁两用大桥边跨无吊索主缆为背景,进行了三维气弹模型测振风洞试验。研究了风向角、风速等对边跨主缆涡激共振响应的影响规律。结果表明:边跨无吊索主缆在风向角0°、+10°、-10°、+50°、-50°、+60°、-60°下发生涡激共振;最大涡激共振响应出现在-50°,加速度响应的均方根值为5.2m/s~2,振幅为0.8mm,对应实际桥梁的振幅为16mm;在0°风向角下,4.8～6.6m/s风速范围下内,发生涡激共振的模态高达第16阶。（4）采用三维气弹模型风洞试验方法,研究了西堠门大桥边跨无吊索主缆涡激振动的抑振措施。在-50°风向角下分别研究了阻尼比和缠绕螺旋线对该主缆涡激共振的影响规律。结果表明:当模型的阻尼比达到0.25%时,西堠门大桥边跨无吊索主缆的涡激共振响应得到有效抑制;当螺旋线直径为0.0714D、缠绕间距为12D时,该主缆的涡激共振也可得到有效抑制。
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