覆冰斜拉索尾流馳振研究現(xiàn)狀與不足

(武漢理工大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院 湖北 武漢 430070)

風(fēng)經(jīng)過位于上游的圓柱后，在一定范圍內(nèi)，其尾流會激發(fā)位于下游的圓柱，導(dǎo)致下游圓柱的振動振幅不斷加大至在某一幅值下穩(wěn)定振動，即尾流馳振。在濕冷環(huán)境下，斜拉索表面有冰附著后，更容易發(fā)生馳振。

一、覆冰機(jī)理

在寒冷的天氣中，冷空氣與暖空氣發(fā)生碰撞，暖濕空氣中的水分會變成固態(tài)冰晶或液態(tài)的過冷卻水滴。小型過冷卻水滴在下落過程中不易與塵埃等結(jié)合，故當(dāng)?shù)袈湓谳^低溫度結(jié)構(gòu)物表面時，迅速地從中吸收能量，改變了水滴不穩(wěn)定的狀態(tài)，凝結(jié)成冰附著于結(jié)構(gòu)物表面。經(jīng)觀測發(fā)現(xiàn)，覆冰現(xiàn)象常出現(xiàn)在輸電導(dǎo)線上，也會出現(xiàn)在橋梁拉索上[1]?，F(xiàn)行拉索的覆冰類型多借鑒輸電導(dǎo)線，包括：新月形、D形、扇形等。

二、馳振機(jī)理

結(jié)構(gòu)發(fā)生馳振失穩(wěn)的理論主要有三種，即橫風(fēng)向馳振理論、扭轉(zhuǎn)馳振理論和慣性耦合失穩(wěn)理論。現(xiàn)行研究中多用橫風(fēng)向馳振理論，根據(jù)Den Hartog理論[2]，當(dāng)結(jié)構(gòu)形成氣動負(fù)阻尼時，從外界吸收能量，振動幅度不斷增大后達(dá)到穩(wěn)定。

三、研究方法

對于橋梁的抗風(fēng)研究，主要的方法有：現(xiàn)場實測、風(fēng)洞試驗、數(shù)值模擬。

現(xiàn)場實測是最直接、最準(zhǔn)確的方法，但需要耗費大量人力、財力，不具良好經(jīng)濟(jì)性；風(fēng)洞試驗較接近實際，效率高、成本低，但也存在一定局限性；數(shù)值模擬因其不需要實體模型，節(jié)省人力物力，如今計算機(jī)技術(shù)的成熟使其能夠模擬很多復(fù)雜的流體問題，是較好的選擇。

四、研究現(xiàn)狀

斜拉索是斜拉橋的最主要的受力構(gòu)件之一，隨著發(fā)展變得越來越長，其安全問題受到重視，國內(nèi)外學(xué)者開始研究斜拉索的氣動力特性。

(一)關(guān)于光滑斜拉單索馳振現(xiàn)象的研究

溫曉光[3]用數(shù)值模擬方法對三維斜拉索干索進(jìn)行繞流模擬，得到其氣動力特性并進(jìn)行馳振分析。

(二)關(guān)于覆冰斜拉單索馳振現(xiàn)象的研究

國內(nèi)外學(xué)者用風(fēng)洞試驗及數(shù)值模擬方法對不同情況下的覆冰斜拉單索的馳振特性進(jìn)行研究。Demartino[4]使用風(fēng)洞試驗對覆冰拉索進(jìn)行氣動力特性研究。黃貽鳳等[5]用數(shù)值模擬方法分析了覆冰類型及覆冰尺寸對拉索馳振特性的影響。李壽英等[6,7]運用風(fēng)洞試驗及數(shù)值模擬方法，分析不同類型覆冰斜拉索的氣動力系數(shù)及馳振特性，證明其可能發(fā)生馳振，還研究了覆冰物的長度對引起拉索馳振的臨界風(fēng)速的影響。譚冬梅等[8-10]對覆冰斜拉索進(jìn)行三維數(shù)值模擬，分析覆冰類型、風(fēng)攻角、風(fēng)速等因素對覆冰斜拉索馳振的影響。

(三)關(guān)于斜拉索尾流馳振現(xiàn)象的研究

近些年來，不少學(xué)者對并列拉索的尾流馳振現(xiàn)象開展了研究。Tanaka[11]對不同間距的并列拉索進(jìn)行尾流馳振研究，指出尾流馳振在近距區(qū)域和遠(yuǎn)距區(qū)域內(nèi)均有可能發(fā)生。陳志華等[12]對認(rèn)為斜拉橋的拉索間距為1.5D～6D時較易發(fā)生尾流馳振。李永樂[13]對斜拉橋遠(yuǎn)距失穩(wěn)區(qū)并列雙索進(jìn)行風(fēng)洞試驗，研究了拉索間距、風(fēng)攻角等對拉索的影響。馬如進(jìn)等[14]采用數(shù)值風(fēng)洞，模擬風(fēng)荷載作用于中間索面斜拉橋中兩索面上并列的兩根斜拉索，并研究了尾流馳振的特點，分析了不同風(fēng)攻角下的氣動力特性。譚冬梅等[15]研究了拉索間距對雙索尾流馳振的影響。

總的來說，針對覆冰斜拉索尾流馳振的研究還比較少，現(xiàn)有的研究多集中于研究覆冰形狀、風(fēng)速、風(fēng)攻角、拉索間距等因素對尾流馳振的影響。

五、現(xiàn)有研究的不足

(一)覆冰類型的選擇

現(xiàn)有研究中拉索的覆冰類型多是借鑒輸電導(dǎo)線，但拉索與輸電導(dǎo)線存在較大差異，應(yīng)進(jìn)一步研究拉索的覆冰類型，使其更符合實際情況。

(二)數(shù)值模擬方法

現(xiàn)有研究中多選用二維數(shù)值模擬，斜拉索的繞流具有三維性，三維數(shù)值模擬計算單元數(shù)量多，耗費時間，需對數(shù)值模擬方法進(jìn)一步優(yōu)化，選擇具有效率和精準(zhǔn)的數(shù)值模擬方法。

(三)研究對象的選擇

現(xiàn)有研究多選擇并列的平行雙索進(jìn)行尾流馳振分析，可考慮同一索面上不平行的雙索以及群索的尾流馳振現(xiàn)象研究。