一種斜拉橋用帶表面氣動(dòng)措施的波浪形斜拉索的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種斜拉橋用帶表面氣動(dòng)措施的波浪形斜拉索，在斜拉索外表面每隔2D~5D固定安裝沿拉索軸線方向呈波浪形變化的外罩，其中D為波浪形外罩的平均直徑，波浪形外罩內(nèi)側(cè)與斜拉索外表面的間距為0～30mm之間。本發(fā)明斜拉索通過(guò)其截面尺寸的變化和表面氣動(dòng)措施來(lái)抑制大幅干索馳振和風(fēng)雨激振的發(fā)生，提高斜拉索和斜拉橋的安全性。
【專利說(shuō)明】一種斜拉橋用帶表面氣動(dòng)措施的波浪形斜拉索

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種斜拉橋用帶表面氣動(dòng)措施的波浪形斜拉索。

【背景技術(shù)】
[0002] 斜拉橋的造型美觀、跨越能力大，是大跨橋梁的主要形式之一。斜拉索是斜拉橋的 主要承重構(gòu)件，具有自重小、柔度大、阻尼低等特點(diǎn)，在風(fēng)荷載作用下或風(fēng)雨共同作用下極 易發(fā)生氣動(dòng)失穩(wěn)現(xiàn)象，導(dǎo)致拉索發(fā)生風(fēng)致振動(dòng)。斜拉索的大幅振動(dòng)會(huì)引起拉索的疲勞、在索 錨接合處產(chǎn)生疲勞裂紋、造成拉索防腐系統(tǒng)的破壞等，嚴(yán)重危害斜拉橋的安全性，并造成行 人的心理恐慌。
[0003] 斜拉橋拉索會(huì)發(fā)生多種形式的氣動(dòng)失穩(wěn)現(xiàn)象，發(fā)生的機(jī)理各不相同。其中振動(dòng)幅 度最大、危害最嚴(yán)重的兩種氣動(dòng)失穩(wěn)現(xiàn)象是拉索的風(fēng)雨激振和干索馳振。拉索的風(fēng)雨激振 是在風(fēng)和雨共同作用下發(fā)生的大幅低頻振動(dòng)，在過(guò)去20多年里被各國(guó)學(xué)者廣泛關(guān)注和研 究。而拉索的干索馳振則是在有風(fēng)無(wú)雨天氣下發(fā)生大大振幅氣動(dòng)失穩(wěn)現(xiàn)象，這是最近才在 實(shí)際斜拉橋上發(fā)現(xiàn)的一種新的拉索振動(dòng)形式。
[0004] 對(duì)于斜拉索的氣動(dòng)失穩(wěn)現(xiàn)象，常用振動(dòng)控制方法主要有三種：機(jī)械控制措施、結(jié)構(gòu) 控制措施和空氣動(dòng)力學(xué)控制措施。
[0005] 機(jī)械控制措施是一種通過(guò)在拉索上附加阻尼器來(lái)提高拉索結(jié)構(gòu)阻尼的減振方法。 但由于拉索風(fēng)雨激振和干索馳振是大幅低頻振動(dòng)，因而傳統(tǒng)阻尼器的減振效果不大。并且 隨著拉索長(zhǎng)度的增加，傳統(tǒng)阻尼器的相對(duì)效率也將越來(lái)越低。
[0006] 典型的結(jié)構(gòu)控制措施是采用輔助索將不同拉索聯(lián)結(jié)。輔助索的作用是減小索的有 效長(zhǎng)度，提高索的固有頻率，使拉索之間產(chǎn)生動(dòng)力耦合，從而達(dá)到降低拉索振動(dòng)的目的。輔 助索能減小拉索的振幅，卻沒有消除拉索發(fā)生氣動(dòng)失穩(wěn)的發(fā)生條件，因而無(wú)法避免拉索產(chǎn) 生氣動(dòng)失穩(wěn)現(xiàn)象，因此經(jīng)常會(huì)發(fā)生輔助索疲勞破壞的事故。
[0007] 空氣動(dòng)力學(xué)控制措施主要通過(guò)對(duì)拉索表面進(jìn)行特殊處理來(lái)改善拉索的空氣動(dòng)力 學(xué)性能，被認(rèn)為是一種經(jīng)濟(jì)有效的控制措施。目前常用的空氣動(dòng)力學(xué)措施是在拉索表面單 向纏繞凸起螺旋線以及在拉索表面設(shè)置凹坑。
[0008] 上述拉索空氣動(dòng)力學(xué)控制措施主要是為抑制拉索的風(fēng)雨激振而設(shè)計(jì)的。表面纏繞 凸起螺旋線的拉索可減小在拉索上表面形成的雨線，干擾雨線在拉索表面的振蕩，降低拉 索發(fā)生風(fēng)雨激振的可能性。在拉索表面設(shè)置凹坑增大了拉索的表面粗糙度，會(huì)改變拉索表 面邊界層內(nèi)的流體分離，破壞雨線在拉索上表面的形成和振蕩，降低拉索發(fā)生風(fēng)雨激振的 可能性。然后工程實(shí)踐表明：這些表面纏繞螺旋線或帶凹坑的拉索仍會(huì)發(fā)生風(fēng)雨激振現(xiàn)象。 并且，最近風(fēng)洞試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)：表面帶凹坑的斜拉索會(huì)在有風(fēng)無(wú)雨的天氣下發(fā)生干索馳振 現(xiàn)象；并且，在某些情況下，拉索表面的凹坑反而會(huì)增大拉索發(fā)生干索馳振的可能性。
[0009] 綜上所述，目前的氣動(dòng)減振措施還不能同時(shí)抑制風(fēng)雨激振和干索馳振這兩種氣動(dòng) 失穩(wěn)現(xiàn)象，有必開發(fā)新的能同時(shí)抑制干索馳振和風(fēng)雨激振現(xiàn)象的斜拉索。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種斜拉橋用帶表面氣動(dòng)措施的 波浪形斜拉索，通過(guò)其截面尺寸的變化和表面氣動(dòng)措施來(lái)抑制大幅干索馳振和風(fēng)雨激振的 發(fā)生，提高斜拉索和斜拉橋的安全性。
[0011] 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案： 一種斜拉橋用帶表面氣動(dòng)措施的波浪形斜拉索，在斜拉索外表面每隔2D~5D固定安裝 沿拉索軸線方向呈波浪形變化的外罩，其中D為波浪形外罩的平均直徑，波浪形外罩內(nèi)側(cè) 與斜拉索外表面的間距為0?30mm之間。
[0012] 所述波浪形外罩的厚度為1?5_，材質(zhì)為高分子聚合物材料或金屬。
[0013] 在波浪形外罩表面纏繞凸起的螺旋線，所述螺旋線的直徑為0. OlD?0. 1D，螺旋 線的纏繞螺距為:T6D，螺旋線為一根或多根。
[0014] 本發(fā)明的原理如下： 波形外罩破壞了風(fēng)荷載沿著拉索軸線方向的相關(guān)性。根據(jù)公式 & =用/f/ (其中泣為StrouhaI數(shù)，在亞臨界雷諾數(shù)下，圓柱的泣為〇. 2 ;/為卡門渦脫頻 率；D為拉索直徑；U為來(lái)流風(fēng)速)，由于波形外罩使得拉索的不同截面的直徑不同，因此不 同截面上的卡門渦脫的頻率不同。這會(huì)使在同一時(shí)刻，不同截面拉索所受到的風(fēng)荷載不相 同，從而破壞了風(fēng)荷載的相關(guān)性，降低拉索發(fā)生干索馳振和風(fēng)雨激振的可行性。
[0015] 螺旋線可破壞上水線在拉索表面的形成。凸起的螺旋線可阻斷上水線沿拉索的流 淌，破壞上水線在拉索表面的規(guī)律性，從一定程度上破壞了風(fēng)雨激振發(fā)生的可能性。螺旋線 破壞了卡門渦脫的規(guī)律性。由于螺旋線的存在，使得拉索表面的流體分離點(diǎn)沿拉索軸線方 向是變化的，這改變了拉索繞流場(chǎng)的流態(tài)結(jié)構(gòu)，干擾了卡門渦脫的周期性，提高了圓柱近尾 流的湍流度，從而可破壞風(fēng)雨激振和干索馳振的發(fā)生條件。
[0016] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下突出的實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著的優(yōu)點(diǎn)： 本發(fā)明斜拉索通過(guò)其截面尺寸的變化和表面氣動(dòng)措施來(lái)抑制大幅干索馳振和風(fēng)雨激 振的發(fā)生，提高斜拉索和斜拉橋的安全性。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0017] 圖1為本發(fā)明未纏螺旋線的帶波浪形外罩斜拉索示意圖。
[0018] 圖2為本發(fā)明纏繞單根螺旋線的帶波浪形外罩斜拉索示意圖。
[0019] 圖3為本發(fā)明纏繞單根螺旋線的帶波浪形外罩斜拉索的最大橫截面示意圖。
[0020] 圖4為本發(fā)明纏繞單根螺旋線的帶波浪形外罩斜拉索的最小橫截面示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0021] 下面結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施例作進(jìn)一步的說(shuō)明。
[0022] 如圖1，圖3和圖4所7]^，一種斜拉橋用帶表面氣動(dòng)措施的波浪形斜拉索，在斜拉索 外表面每隔2D飛D固定安裝沿拉索軸線方向呈波浪形變化的外罩，其中D為波浪形外罩的 平均直徑，波浪形外罩內(nèi)側(cè)與斜拉索外表面的間距為〇?30mm之間。所述波浪形外罩的厚 度為1?5mm，材質(zhì)為高分子聚合物材料或金屬。
[0023] 如圖2所示，在波浪形外罩表面纏繞凸起的螺旋線，所述螺旋線的直徑為0. OlD? 0. 1D，螺旋線的纏繞螺距為3~6D，螺旋線為一根或多根。
【權(quán)利要求】
1. 一種斜拉橋用帶表面氣動(dòng)措施的波浪形斜拉索，其特征在于，在斜拉索外表面每隔 2D、D固定安裝沿拉索軸線方向呈波浪形變化的外罩，其中D為波浪形外罩的平均直徑，波 浪形外罩內(nèi)側(cè)與斜拉索外表面的間距為〇?30mm之間。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的斜拉橋用帶表面氣動(dòng)措施的波浪形斜拉索，其特征在于，所 述波浪形外罩的厚度為1?5_，材質(zhì)為高分子聚合物材料或金屬。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的斜拉橋用帶表面氣動(dòng)措施的波浪形斜拉索，其特征在于，在 波浪形外罩表面纏繞凸起的螺旋線，所述螺旋線的直徑為〇. 01D?0. 1D，螺旋線的纏繞螺 距為:T6D，螺旋線為一根或多根。
【文檔編號(hào)】E01D19/16GK104233956SQ201410473677
【公開日】2014年12月24日 申請(qǐng)日期:2014年9月17日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月17日
【發(fā)明者】杜曉慶, 李俊軍, 孫雅慧, 張利平 申請(qǐng)人:上海大學(xué)