斜拉橋鋼絞線拉索減振設(shè)計(jì)指南

#斜拉橋鋼絞線拉索減振設(shè)計(jì)指南1范圍本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了斜拉橋鋼絞線拉索減振設(shè)計(jì)的術(shù)語和定義、符號(hào)、振動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)、振動(dòng)計(jì)算、減振設(shè)計(jì)計(jì)算、減振阻尼器技術(shù)要求等。本標(biāo)準(zhǔn)適用于斜拉橋鋼絞線拉索的減振設(shè)計(jì)，其他拉索結(jié)構(gòu)可參照?qǐng)?zhí)行。2規(guī)范性引用文件下列文件對(duì)于本文件的應(yīng)用必不可少。凡是注日期的引用文件，僅所注日期的版本適用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改單）適用于本文件。GB/T30826斜拉橋鋼絞線拉索技術(shù)條件JT/T1038斜拉索外置式黏滯阻尼器JTG/T3360-01公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范3術(shù)語和定義下列術(shù)語和定義適用于本文件。3.1鋼絞線拉索StrandStaycable由若干根直徑相同、平行排列的單根PE防護(hù)鋼絞線集束，通過兩端錨具組件固定于斜拉橋結(jié)構(gòu)，承受結(jié)構(gòu)靜動(dòng)荷載的受拉構(gòu)件。3.2馳振galloping振動(dòng)的鋼絞線拉索通過氣流的反饋?zhàn)饔貌粩辔∧芰?，橫風(fēng)向彎曲振幅逐步增大的發(fā)散性自激振動(dòng)失穩(wěn)現(xiàn)象。3.3尾流馳振Wakegalloping一定距離內(nèi)的并列鋼絞線拉索在上游鋼絞線拉索的尾流誘發(fā)下，下游鋼絞線拉索產(chǎn)生的一種馳振現(xiàn)象。3.4渦激共振VQrteXresonance風(fēng)經(jīng)過結(jié)構(gòu)時(shí)產(chǎn)生漩渦脫落，當(dāng)漩渦脫落頻率與鋼絞線拉索的自振頻率接近或相等時(shí)，由渦激力所激發(fā)出的鋼絞線拉索的一種共振現(xiàn)象。3.5風(fēng)雨激振rain-windinducedVibratiQn鋼絞線拉索在風(fēng)和雨共同作用下發(fā)生的一種馳振現(xiàn)象。3.6線性內(nèi)部共振IinearIyinternalresonanceoscillation橋面或橋塔在垂直于鋼絞線拉索弦長方向的小幅振動(dòng)引起的一種鋼絞線拉索橫向振動(dòng)放大現(xiàn)象。3.7參數(shù)共振Parameteroscillation橋面或橋塔在鋼絞線拉索弦長方向的小幅振動(dòng)引起的一種鋼絞線拉索橫向振動(dòng)放大現(xiàn)象。4符號(hào)下列符號(hào)適用于本文件。A鋼絞線拉索截面面積（m2）；B鋼絞線拉索斷面的特征寬度（m）;Cg鋼絞線拉索斷面的馳振力系數(shù)；CD鋼絞線拉索斷面阻力系數(shù)；Cij安全系數(shù)，一般可取為2.3CL鋼絞線拉索斷面升力系數(shù)的斜率；CWg常數(shù)，當(dāng)沿風(fēng)向上下游索中心距26倍索直徑時(shí)取25,610倍索直徑時(shí)取40,1020倍索直徑時(shí)取80,拉索直徑按照外套管尺寸取值；D鋼絞線拉索斷面的特征高度（m）；DC鋼絞線拉索的直徑（m）;E鋼絞線拉索的彈性模量（Pa）;F鋼絞線拉索的索力（N）;L鋼絞線拉索長度（m）；Lm斜拉橋主跨跨徑（m）；SCSCrUtOn數(shù)；St—StrOUha數(shù)，對(duì)于圓柱形構(gòu)件一般取0.2UCg馳振穩(wěn)定性臨界風(fēng)速（m/s）；Ud鋼絞線拉索的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速（m/s）；UWg尾流馳振臨界風(fēng)速（m/s）；C阻尼器的阻尼系數(shù)；f51—鋼絞線拉索一階頻率（HZ）；fi鋼絞線拉索第i階振動(dòng)頻率（HZ）；fip鋼絞線拉索的第n階面外模態(tài)頻率（HZ）；fop鋼絞線拉索的第n階面內(nèi)模態(tài)頻率（HZ）；ks阻尼器安裝支架的剛度（N/m）；l鋼絞線拉索的計(jì)算長度（m）；m鋼絞線拉索及套管的總單位長度質(zhì)量（kg/m）；n振型階數(shù)，可取1、2、3...；ymax渦激共振振幅（m）；XC阻尼器安裝位置距較近索端的距離（m）；α鋼絞線拉索的傾角（°）；Cγg尾流馳振穩(wěn)定性分項(xiàng)系數(shù)，取為1?2Y阻尼器安裝支架的無量綱剛度；ε由阻尼器安裝支架剛度而使模態(tài)阻尼比損失的百分比限值;η—系數(shù)；ζ阻尼器提供的第n階振型阻尼比；Z鋼絞線拉索的阻尼比；K無量綱的阻尼器阻尼參數(shù)；λ系數(shù)；P空氣密度（kg∕m3）,—般取為1.25kg/m；升力系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差，對(duì)于圓柱形構(gòu)件一般取0.45CLω01拉索第一階模態(tài)圓頻率（rad/S；ωb1鋼絞線拉索一階彎曲圓頻率（rad/S。5振動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)5.1一般規(guī)定鋼絞線拉索可根據(jù)拉索長度L不同劃分為中短索（L<250m）、中長索（250m<L<450m）及超長索（L>450m）。鋼絞線拉索的抗風(fēng)性能目標(biāo)等級(jí)及要求應(yīng)符合表的規(guī)定。表鋼絞線拉索抗風(fēng)性能目標(biāo)等級(jí)及要求等-Γ-τ?性能描述生命安全性結(jié)構(gòu)使用性短期可修復(fù)性長期可修復(fù)性級(jí)結(jié)構(gòu)功能完好如確保拉索不發(fā)風(fēng)轉(zhuǎn)振動(dòng)功1初，不必修復(fù)即可生過大振幅、風(fēng)致振動(dòng)下功不必修復(fù)只需輕微修復(fù)連續(xù)使用疲勞的破壞允許有限局部損確保拉索不發(fā)風(fēng)致振動(dòng)產(chǎn)生可采用應(yīng)急措比擴(kuò)六易、井廠2傷，修復(fù)后可繼續(xù)生過大振幅、損傷可快速修施恢復(fù)使用功比復(fù)容易進(jìn)仃使用疲勞的破壞復(fù)能拉索破壞且不能修復(fù)，但要求不影確保拉索不發(fā)風(fēng)致振動(dòng)產(chǎn)生采用應(yīng)急措施女占南祐仁...考慮更換拉3響其它拉索或橋生過大振幅、功能破壞恢復(fù)不能恢復(fù)使用索重新、幾、+梁構(gòu)件乃至橋梁疲勞的破壞困難功能索'重新設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的功能在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)，各類鋼絞線拉索的抗風(fēng)性能目標(biāo)等級(jí)不應(yīng)低于表5.1.3的規(guī)定。表各類鋼絞線拉索的最低抗風(fēng)性能目標(biāo)等級(jí)性能等級(jí)拉索類別J中短索中長索超長索作用類別大概率風(fēng)致作用111小概率強(qiáng)風(fēng)作用3225.2振幅5.2.1各類鋼絞線拉索的抗風(fēng)性能目標(biāo)等級(jí)為1級(jí)時(shí)，振幅限值不應(yīng)超過各類鋼絞線拉索的振幅限值宜符合表的規(guī)定。表各類鋼絞線拉索的振幅限值振幅限值拉索類別1性能等級(jí)23中短索L/17L/10L/7中長索L/23L/14/超長索L/30L/18τ6振動(dòng)計(jì)算6.1風(fēng)速計(jì)算斜拉橋鋼絞線拉索風(fēng)速參數(shù)的選取與計(jì)算應(yīng)符合JTG/T3360-01的有關(guān)規(guī)定。計(jì)算設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速時(shí)，鋼絞線拉索的基準(zhǔn)高度可取斜拉索的平均高度距水面或地面的距離。6.2頻率估算6.2.1鋼絞線拉索的振動(dòng)可分為索平面外振動(dòng)與索平面內(nèi)振動(dòng)兩種形式。其中，索平面內(nèi)振動(dòng)又可分為索平面內(nèi)對(duì)稱振動(dòng)和索平面內(nèi)反對(duì)稱振動(dòng)兩種形式。其振動(dòng)頻率fw其振動(dòng)頻率fw可按式（1）計(jì)算:n21(.1.)f(.1.)op式中：fθp鋼絞線拉索的第n階面外模態(tài)頻率（HZ）;n振型階數(shù)，可取1、2、3???;l鋼絞線拉索的計(jì)算長度（m）;F鋼絞線拉索的索力（N）;m鋼絞線拉索及套管的單位長度總質(zhì)量（kg/m）。鋼絞線拉索發(fā)生索平面內(nèi)對(duì)稱振動(dòng)時(shí)，其振動(dòng)頻率fip可按式（2計(jì)算:⑵. fip洞⑵. 式中:fip鋼絞線拉索的第n階面內(nèi)模態(tài)頻率（Hz）,n為1、3、5、7、9..;.η系數(shù)，按式（3計(jì)算：0.1720.12543.1444n1=0.539.4239n3.3）nπn5入系數(shù)，按式（4）計(jì)算：EAmglCQS2/F3（.4.）CA鋼絞線拉索截面面積（m2）；α鋼絞線拉索的傾角（°）；CE鋼絞線拉索的彈性模量（Pa）O鋼絞線拉索發(fā)生索平面內(nèi)反對(duì)稱振動(dòng)時(shí)，其振動(dòng)頻率fip可按式（5計(jì)算:(.5.)fip宗F(.5.)式中：fip鋼絞線拉索的第n階面內(nèi)模態(tài)頻率（HZ）,n為2、4、6、8..6.3阻尼鋼絞線拉索的阻尼比Z應(yīng)根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果確定；缺少實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果且鋼絞線拉索未安裝阻尼器時(shí)，其固有阻尼比可取為0.20%0.25%°6.3.2鋼絞線拉索多個(gè)位置同時(shí)安裝阻尼器時(shí)，拉索所能得到的阻尼值為各個(gè)阻尼器所提供的阻尼值之和。6.4馳振6.4.1鋼絞線拉索斷面的馳振力系數(shù)C<0,或鋼絞線拉索受積冰、積雪影響時(shí)，g應(yīng)進(jìn)行馳振穩(wěn)定性檢驗(yàn)。馳振穩(wěn)定性檢驗(yàn)應(yīng)符合JTG/T3360-01的有關(guān)規(guī)定。當(dāng)馳振力系數(shù)Cg<0時(shí)，馳振穩(wěn)定性臨界風(fēng)速UCg可按式（6計(jì)算:UCg<6)UCg<6) b1-CDg式中:UCg馳振穩(wěn)定性臨界風(fēng)速（m/s）;ωb1鋼絞線拉索一階彎曲圓頻率（rad/S,ωb1=2τξ1;f51鋼絞線拉索一階頻率（HZ）;Z鋼絞線拉索的阻尼比；P空氣密度（kg∕m3）,—般取為1.25kg/m；.RC鋼絞線拉索斷面的馳振力系數(shù)，C—CC,一般可通過風(fēng)洞ggDLD試驗(yàn)或虛擬風(fēng)洞試驗(yàn)方法獲取；典型斷面的馳振力系數(shù)可參照J(rèn)TG/T3360-01的有關(guān)規(guī)定進(jìn)行取值；斷面外形尺寸應(yīng)按照套管外形尺寸取值；B鋼絞線拉索斷面的特征寬度（m）,斷面外形尺寸應(yīng)按照套管外形尺寸取值；C鋼絞線拉索斷面升力系數(shù)的斜率，斷面外形尺寸應(yīng)按照套管外形L尺寸取值；CD鋼絞線拉索斷面阻力系數(shù)，斷面外形尺寸應(yīng)按照套管外形尺寸取值；D鋼絞線拉索斷面的特征高度（m）,斷面外形尺寸應(yīng)按照套管外形尺寸取值。6.5尾流馳振當(dāng)鋼絞線拉索的中心距介于220倍直徑時(shí)，宜進(jìn)行尾流馳振檢驗(yàn)。尾流馳振檢驗(yàn)應(yīng)符合JTG/T3360-01的有關(guān)規(guī)定。鋼絞線拉索的尾流馳振臨界風(fēng)速UWg可按式（7）計(jì)算，也可通過模擬阻尼條件下的節(jié)段模型振動(dòng)試驗(yàn)或氣動(dòng)彈性模型試驗(yàn)直接獲得。節(jié)段模型振動(dòng)試驗(yàn)或氣動(dòng)彈性模型試驗(yàn)應(yīng)符合JTG/T3360-01的有關(guān)規(guī)定。UCfD：一A（7?）WgWgiC?∣D2C式中：UWg尾流馳振臨界風(fēng)速（m/s）;CWg常數(shù)，當(dāng)沿風(fēng)向上下游索中心距26倍索直徑時(shí)取25,610倍索直徑時(shí)取40,1020倍索直徑時(shí)取80,拉索直徑按照外套管尺寸取值；fi鋼絞線拉索第i階振動(dòng)頻率（HZ）;DC鋼絞線拉索的直徑（m）,按照外套管尺寸取值。6?5?3尾流馳振穩(wěn)定性檢驗(yàn)應(yīng)滿足式⑻的要求：UU⑻WgWgd式中：Ud鋼絞線拉索的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速（m/s）;Yg尾流馳振穩(wěn)定性分項(xiàng)系數(shù)，取為1?26?5?4當(dāng)尾流馳振穩(wěn)定性不滿足要求時(shí)，可按本文件及JTG/T3360-01的有關(guān)規(guī)定選擇適宜的振動(dòng)控制措施，進(jìn)行減振設(shè)計(jì)計(jì)算。6?6渦激共振6?6?1鋼絞線拉索的基頻小于5Hz時(shí)，應(yīng)進(jìn)行渦激共振檢驗(yàn)。渦激共振檢驗(yàn)應(yīng)符合JTG/T3360-01的有關(guān)規(guī)定。6?6?2鋼絞線拉索的渦激共振振幅ymaχ可按式（9）近似計(jì)算：0?8y5CLD（?9?）maxS2SCtC式中：ymax渦激共振振幅（m）;C升力系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差，對(duì)于圓柱形構(gòu)件一般取0?45;CLSt—StrQUha數(shù),St=fDC/U,對(duì)于圓柱形構(gòu)件一般取0?2SCSCrUtQI數(shù),SC=mζs/（PiC2）。6?6?3渦激共振檢驗(yàn)宜在均勻流場(chǎng)、0?25倍設(shè)計(jì)紊流強(qiáng)度流場(chǎng)、橋址設(shè)計(jì)紊流強(qiáng)度流場(chǎng)中進(jìn)行，測(cè)定渦激共振起振風(fēng)速、鎖定區(qū)間以及振動(dòng)振幅，并以0.25倍設(shè)計(jì)紊流強(qiáng)度流場(chǎng)作為最終渦激共振評(píng)價(jià)依據(jù)。渦激共振風(fēng)洞試驗(yàn)的模型應(yīng)準(zhǔn)確模擬鋼絞線拉索的氣動(dòng)外形。當(dāng)鋼絞線拉索的渦激共振不滿足檢驗(yàn)要求時(shí)，可通過改變基本氣動(dòng)外形、附加氣動(dòng)措施或阻尼措施予以改善。6.7風(fēng)雨激振鋼絞線拉索應(yīng)檢驗(yàn)發(fā)生風(fēng)雨激振的可能性，必要時(shí)可采取氣動(dòng)措施或增設(shè)阻尼措施予以改善。條文說明鋼絞線拉索氣動(dòng)減振措施主要通過改變拉索的斷面形狀、防止雨線的形成，使其空氣動(dòng)力學(xué)性能得到改善。為改進(jìn)鋼絞線拉索在風(fēng)或風(fēng)雨共同作用下的動(dòng)力行為，對(duì)鋼絞線拉索表面進(jìn)行的處理方式有：（1）在鋼絞線拉索套管表面沿軸向開設(shè)凹槽或凸起肋條；（2）鋼絞線拉索表面凹坑處理；（3）在鋼絞線拉索表面沿軸向螺旋狀加設(shè)帶狀結(jié)構(gòu)或間隔纏繞帶狀物。在缺乏試驗(yàn)條件時(shí)，鋼絞線拉索不發(fā)生風(fēng)雨激振的條件可按式（10）式（11）進(jìn)行判斷：光圓表面拉索SC10（10）使用有效表面處理的拉索SC5.1?1?）6.8線性內(nèi)部共振與參數(shù)共振當(dāng)鋼絞線拉索索端激勵(lì)與拉索固有頻率接近或一致時(shí)，應(yīng)進(jìn)行鋼絞線拉索線性內(nèi)部共振響應(yīng)檢驗(yàn)。條文說明假設(shè)鋼絞線拉索索端垂直于弦長方向的相對(duì)運(yùn)動(dòng)：yB（t）=yBSinWt在外界激勵(lì)下鋼絞線拉索索力的變化使其產(chǎn)生橫向振動(dòng)，如圖1所示。HH(t)y圖1拉索索端位移引起的線性內(nèi)部共振根據(jù)強(qiáng)迫振動(dòng)原理，當(dāng)激勵(lì)頻率與鋼絞線拉索面內(nèi)振動(dòng)頻率之比接近于1時(shí)，其最大振動(dòng)響應(yīng)成分主要為相應(yīng)的面內(nèi)振動(dòng)。以一階面內(nèi)振動(dòng)為例，最大振幅為:yyW(?1?2?)1maxπS式中：y1max第一階面內(nèi)振動(dòng)最大振幅(m)；yB索端垂直于拉索弦長方向相對(duì)運(yùn)動(dòng)的幅值(m)。該公式是在小振幅線性模型基礎(chǔ)之上得到的。當(dāng)索端激勵(lì)振幅較大時(shí)，鋼絞線拉索垂度效應(yīng)的作用較為明顯，用上述公式計(jì)算的結(jié)果偏大很多，失去真實(shí)性，此時(shí)可以通過數(shù)值分析方法獲得鋼絞線拉索線性內(nèi)部共振響應(yīng)最大振幅。6?8?2當(dāng)鋼絞線拉索索端激勵(lì)為拉索固有頻率的2倍時(shí)，應(yīng)進(jìn)行鋼絞線拉索參數(shù)共振響應(yīng)檢驗(yàn)。條文說明當(dāng)斜拉橋以其總體彎曲基頻￡作簡(jiǎn)諧振動(dòng)時(shí)，鋼絞線拉索將以f；=f；/2的橫向振動(dòng)頻率與之相適應(yīng)，此時(shí)將可能發(fā)生鋼絞線拉索的參數(shù)共振。當(dāng)索端發(fā)生沿拉索弦長方向的相對(duì)運(yùn)動(dòng)滿足XB(t)=XBSin(2ωt,且索力變化、頻率以及激勵(lì)位移滿足式(13)?(15)時(shí)，鋼絞線拉索會(huì)發(fā)生參數(shù)共振：(?1?3?)F::(?1?3?)一ma^2v'(12)2(2)2F%1S1f

—b-

f

—b-

2fC(.14)4X0(15)式中:索力變化幅值（N索力變化幅值（N）;maxF鋼絞線拉索索力（N）;Q頻率比；f外激勵(lì)頻率（HZ）;fC鋼絞線拉索固有振動(dòng)頻率（HZ）;XB激勵(lì)振幅（m）,激勵(lì)方向如圖1所示；X0恒載索力下鋼絞線拉索線彈性伸長量（m）,可按X0=Fl/EA計(jì)算;l鋼絞線拉索的計(jì)算長度（m）;E鋼絞線拉索的彈性模量（Pa）。此時(shí)鋼絞線拉索的第一階共振穩(wěn)態(tài)響應(yīng)最大振幅可近似按式（16）計(jì)算:A1maxΠ胃A1maxΠ胃1(1.6.).式中:AImaX斜拉索的第一階