斜拉索风雨激振问题研究综述

2024年3月12日发(作者：业精于勤的意思是什么)

斜拉索风雨激振问题研究综述

摘要：从现场观测、风洞试验、理论分析和CFD数值模拟四个方面对斜拉

桥拉索风雨激振问题的研究现状进行了概括和总结，分析了已有的研究成果，对

今后的研究方向提出展望，供相关研究人员参考。

关键字：斜拉桥，拉索，风雨激振

1.引言

斜拉桥是一种由三种基本承载构件，即梁（桥面）、塔和两端分别锚固在塔

和梁上的拉索共同承载的结构体系，以其结构受力性能好、跨越能力强、结构造

型多姿多彩、抗震能力强及施工方法成熟等特点，而成为现代桥梁工程中发展最

快、最具有竞争力的桥型之一，在桥梁工程中得到了越来越多的应用。

由于斜拉索质量、刚度和阻尼都很小，随着斜拉桥跨度的增大，拉索振动问

题的影响日益显著。在各种振动情况中，风雨激振是拉索风致振动中最强烈的一

种，且风雨激振的起振条件容易满足，振幅极大，对桥梁的危害最为严重，因而

关于斜拉桥拉索风雨激振的研究得到了国内外学者的广泛重视。

风雨激振是指干燥气候下气动稳定的圆形截面的拉索，在风雨共同作用下，

由于水线的出现，改变了拉索的截面形状，使其在气流中失去稳定性，由此发生

的一种大幅振动。

2.研究现状

2.1.现场实测

现场观测是最早用于研究风雨激振的手段。它可以获得拉索风雨激振最准确

的特征，为验证风洞试验和理论分析研究结果的真实性、可靠性提供宝贵的资料。

Hikami等[1]对日本名港西(MeikoNishi)大桥的实测。20世纪80年代，在日

本建造名港西大桥的过程中，发现了比较严重的风雨激振现象，Hikami等选取

了其中24根索进行实测，对该桥进行了为期5个月的现场实测，实测内容包括

索面的拉索振幅。

Main和Jone[3]对美国Fred Hartman桥的斜拉索风雨激振记录。进行了16

个月的现场监测，分析了记录的5000组5分钟时程的斜拉索加速度和气象资料。

陈政清[4]等对洞庭湖大桥的实测。自2001年1月至2004年4月，陈政清

在国家自然科学基金资助下，与香港理工大学合作，在岳阳洞庭湖大桥上进行了

连续4年的风雨激振观测研究。

通过研究国内外专家对风雨激振现场观测的结果，得出了一些结论：(1) 与

拉索振动形态的关系。进入稳定的大幅振动后，其波形犹如甩鞭状，拉索表面会

形成振荡的水线，表现为低阶振型。(2) 与环境参数的关系。风雨激振存在起振

振动，只在一定风速范围内发生；在无雨情况下，很少观测到风雨激振，而且雨

量为小到中雨情况观测到风雨激振次数最多。(3) 与拉索本身参数的关系。风雨

激振的振幅大小与拉索的表面材料、长度、风偏角和倾斜方向等参数有关。

2.2.风洞试验

按照水线的模拟方法，研究风雨激振的风洞试验可分为两种类型：人工降雨

试验和人工水线试验。

1. 人工降雨试验

人工降雨试验是在风洞内通过人工模拟降雨，提供与实际拉索发生风雨激振

相类似的风雨条件，对通过弹簧悬挂在固定支架上的拉索节段模型进行的一种试

验形式。

2. 人工水线试验

人工水线试验是在风洞内对带有人工水线的拉索节段模型进行的一种试验

形式。根据人工水线与拉索的连接形式和试验的测量内容的不同，人工水线试验

可分为：固定人工水线测振试验、固定人工水线测力试验、固定人工水线测压试

验和运动人工水线测振试验。

2.3.理论分析

目前关于斜拉索的风雨激振问题形成机理大致可分为如下几类观点：

1. 驰振机理

日本的Hikami与Shiraishi[1]1985年在桥最先观测到风雨激振

现象。随后他们通过一系列的人工降雨风洞实验再现了这一现象。他们在实验的

基础上初步分析了风雨振的发生机理，认为风雨激振可能有两种机理：一种是

Den Hartog驰振机理；另一种是弯扭两个自由度驰振机理。

2. 上水线振荡诱发机理

chi[6]认为单自由度Den Hartog驰振理论不能解释风雨振的形成机

理水线是风雨激振不可缺少的条件，当水线的振荡频率接近于拉索的自振频率

时，水线与拉索之间的相互作用导致斜拉索产生负阻尼，引发斜拉索发生大幅振

动。Peil, U.& Nahrath, N[8]认为上水线的运动是导致风雨振的主要原因。Seidel

等[9]指出当风速大于某个限制，流动不存在转变，这时不会发生风雨激振；发

生风雨激振的速度下限是由风偏角和拉索倾斜角决定的。

3. 上水线特定位置致振机理

顾明和杜晓庆[10]建立了三维拉索风雨激振的准二自由度运动方程，气动力

系数根据带人工水线三维拉索模型试验得到，分析了水线平衡位置和水线振幅的

取值，采用数值求解方法计算了拉索风雨激振振幅，得出了水线特定位置是引起

索结构大幅振动的主要因素的结论。

4. 涡激振动机理

Delong Zuo[11]揭示了风雨激振与高风速下干索涡激振动之间的联系，认为

风雨激振的内在机理与涡激振动的相同，与降水无关。由于风偏角和拉索倾角的

存在使得这种涡激振动不同于经典卡门涡脱，是一种三维涡激振动。

数值模拟

风工程的研究方法中数值模拟是最近30年在前三种方法的基础上逐步发展

起来的，下面的介绍为CFD技术在拉索风雨激振方面的相关研究。

陈文礼和李惠[13]提出物理试验与CFD数值模拟的混合子结构方法，通过

与圆柱涡激振动的流固耦合方法结果进行比较，分析了上水线对绕流场特性的影

响，然后采用有限元程序ANSYS和计算流体动力学程序CFX对考虑风速剖面

的CFRP斜拉索涡激振动进行流固耦合方法的CFD数值模拟。

3.结语与展望

本文参考国内外文献，对斜拉桥拉索风雨激振问题进行了系统总结, 并对今

后的研究提出展望。总结如下:

在现场观测和风洞试验方面，未来的研究应更加关注水线的形成及其在风雨

激振中的作用，精确测量不同拉索运动状态下的水线形状和位置，为理论分析和

数值模拟提供基础。

在理论分析方面，虽然国内外很多学者和专家提出了各种理论模型和数值解

析方法分析风雨激振发生机理，但是迄今为止还是没有一种大家公认的对斜拉索

风雨激振的发生机理能够完全解释清楚的模型，今后的研究应侧重于风雨激振的

轴向流、风场与水线间的气液两相耦合现象以及风场、水线与拉索间的气液固三

相耦合现象的研究，对风雨激振机理进行更加深入和精细化的研究。

参考文献

[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] 顾明，刘慈军，罗国强. 斜拉桥拉索的风（雨）激振及控制 [J]. 上海力

学, 1998, 12: 281~288.

[3] 陈文礼. 斜拉索风雨激振的试验研究与数值模拟[D]. 黑龙江：哈尔滨工

业大学，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:

1584~1595.

[6] 顾明,杜晓庆.斜拉桥三维拉索风雨激振准两自由度模型 [J].力学季

刊,2004,25(4):496~501.

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

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