第一章绪论
1.1 斜拉桥的发展历史
斜拉桥起源于吊桥,从斜拉桥的发展历程可以看出，很久以前，人们就已经掌握了将斜拉索悬挂在塔架上来支承梁的技术。史书记载我国在春秋战国时期就已经出现了吊桥，到目前为止已经有了将近五千年的历史。我国古代在建设城堡的时候都会在城墙周围挖一条护城河作为对外军事防御系统的一部分，同时在城门口的地方，为了方便行人的出入，都会在城门口架设一座拉索系在城墙上的吊桥，在遇见突发事件时候，就会拉动绳索，将吊桥提起来，切断交通。这种吊桥的拉索并不承担荷载，只在拉起放下桥面过程中传递拉力。对于这种在护城河上架设的活动吊桥，其受力特征与现代斜拉桥很相似，但是由于古代科学技术没有发展到现在的高度，因此其跨径一般都很小，仅仅用来作为一种城池防御的工具。在热带地区，由于气候炎热、常年多雨、河流较多、水源充足，很多地方都生长着大量的滕竹，当地人就用这种滕竹作为拉索建造了很多类似现代斜拉桥的桥梁。比如在老挝地区就有一座以滕竹为拉索系在两岸的大树上，竹板为桥面板的人行桥。在印度尼西亚爪哇地区也有一座用椰子树干作为桥塔，竹子作为桥面板和拉索的斜拉桥，这种桥型的布置与现代的斜拉桥很相似[1]。1671 年，意大利工程师 Verantius 用几根斜拉铁链作为承重结构，木板作为桥面板建造了一座斜拉桥。这座桥是欧洲历史上最早有文献记录的拉索桥[2]。1784年，德国工程师 C.J. Loscher 用木拉杆作为传力构件，将其上部锚固在桥塔上，下部锚固在桥面板上，建造了一座 32m 跨径的木质板桥[3]。这座桥是人类历史上第一次将拉杆应用于桥梁结构中，是现代斜拉桥发展的开端。1821 年，法国建筑师帕耶特历史上首次将这种斜拉结构进行了详细的研究。在这个结构里，他设想将一排铁拉杆的一端锚固在一个很高的桥塔上，另一端成扇形锚固在桥面板上，将桥面板悬吊在半空中。在接下来的几年里，法国工程师那韦耶对斜拉桥结构进行了详细的研究并发表了对其研究的相关论文。1824 年，德国工程师用锻铁作为拉杆，木材作为桥面板在尼斯保的撒呐河上建造了一座跨径为 78m 的斜拉桥。1855年美国工程师将悬索体系和斜拉体系组合起来，在尼雅佳那河上建造了一座跨径达到 250m 的公铁合用桥。但是由于当时对斜拉桥的理论研究还不成熟，在随后的三四十年里并没有得到进一步的发展。
..........
1.2 斜拉桥风雨激振问题的工程背景
当斜拉索长时间处于这种振动状态下时，会引起拉索的疲劳破坏，一根拉索的疲劳会造成其他拉索破坏，进而造成全桥的破坏，最终造成斜拉桥的垮塌。在现代桥梁史上这种因为拉索的持续振动造成的斜拉桥的垮塌已经有过惨痛的教训，因此，国内外专家学者对于这种威胁也都非常的关注。随着近年来，大量斜拉桥的开工建设，对于这种处于风雨共同影响下斜拉桥的振动的防治措施研究变得极其重要。风雨对斜拉桥的动力作用是一个十分复杂的问题，受到多方面因素的影响，目前为止研究人员并没有完全揭开这种影响的作用机理。斜拉索的风雨激振是拉索在风雨的共同作用下发生的大幅振动现象，这种现象是法国工程师在观察布鲁东纳斜拉桥拉索振动时首次发现的[15]，是目前发现的最厉害的风致振动现象。1984年，日本工程师在修建名港西桥的时候也发现了斜拉索曾发生了大幅度的雨振现象，而且还观测到当风速在 14m/s 的情况下，拉索振幅能够达到最大值 55cm。Wleneeki 等对斜拉桥斜拉索风雨振的研究揭开了斜拉索风雨激振研究的序幕。当雨水附着于拉索表面，就会引起拉索形状的改变，从而改变了拉索受到的气动力，引起拉索的振动。这是早期研究人员提出的风雨激振的致振机理。实际上，Hikami 在对名港西桥进行观察时就曾发现拉索表面水路的作用，他发现在下雨的时候，那些倾斜向下且顺风向的拉索会发生这种现象[16]。名港西大桥是主跨为 405m，边跨为 176.5m 的对称双塔双索面斜拉桥，它的斜拉索采用的是外包聚乙烯的平行钢绞线。Hikami 从降雨量、风向和水路等方面对拉索风雨激振影响进行了详细的考察，并对发生风雨激振的拉索振动特性进行了详细的研究。这是近代工程师首次对风雨激振的问题进行系统的研究。研究结果表明：在风速、风向相同的条件下，有雨和没有雨拉索的振动幅度相差很大，在有雨的情况下拉索发生的振动幅度远远大于没有雨的情况，而且还发现那些在有雨情况下发生大幅振动的拉索都是顺风向且向下的拉索。同时还观测到，这种现象只有当风速在 6-15m/s的情况下才会发生，当风速超过这个范围，又观察不到这种现象的发生。还曾发现在一定风速作用情况下，斜拉索下表面形成的水路会在拉索表面随拉索的振动做环向运动。该现象的发现，使工程师们很容易联想到拉索下表面及被风侧水路的形成很可能是斜拉索发生风雨激振现象的关键因素。
..........
第二章斜拉索风雨振动发振机理的研究
1984 年，在日本名港西大桥建设过程中，工程师发现拉索在风的作用下会发生大幅度摆动，并且测出了风速在 14m/s 的时候振幅达到最大值 55cm。从其特性(发振风速、振幅和振动频率)上来研究，发现其并不是涡振，也不是抖振。经过研究人员长时间观测发现，这种振动只有在下雨的时候才会发生。也就是说在其它条件都相同的情况下，如果没有下雨，就不会发生这种大幅度振动。因此研究人员认为，斜拉索发生的这种大幅度振动只在风雨共同作用下才会发生，于是人们便把这种特殊的大幅度振动称为风雨振动。在斜拉桥拉索的几种常见的风致振动的影响中，风雨共同作用下的影响是最大的。根据目前研究人员对斜拉索风雨振动的研究成果，发现这种形式的大幅度振动的振动机理与涡振、驰振等是不同的。随着社会经济与科学技术的进一步发展，越来越多的大跨径斜拉桥开通运营，因此越来越多的斜拉桥拉索都会面临这种风雨激振的影响。研究这种风雨激振的致振机理并设计合理的减振装置已经成为了研究人员亟待解决的难题。本章首先从拉索风雨振动的振动特性出发，建立拉索风雨振动的空间力学模型，计算水线运动及拉索运动的特性，分析风速、阻尼等因素对水线及拉索运动特性的影响。最后得出与风雨振动致振机理有关的结论。
2.1 斜拉索风雨激振的振动特性简介
斜拉索风雨振的发生有其特定的条件，即只在下雨的时候才会发生。但是对于斜拉索风雨振动的产生仍然有很多其他的影响因素，比如风速的大小、风向的角度、斜拉索的材料、降雨量的大小、斜拉索本身的阻尼等。为了研究风雨振动的发振机理并设计有效减振方法，研究人员通过对实桥进行观测并做了大量的风洞试验，得出了很多关于斜拉索振动特性的研究资料。目前仅有少数几个国家进行了斜拉桥拉索风雨振的现场实测，但由于没有一个成熟的理论和技术做支撑，因此每个国家得到的测试结果都不一样。日本工程师Hikami 在分析明港西桥的现场实测数据的过程中发现，在其他诸如风速、风向等影响因素都一样的情况下，只有在下雨的情况下拉索才会发生大幅度的振动，而且还发现这些发生大幅度振动的拉索都是那些顺风向且倾斜向下的拉索。然而在之后 MatSumoto 等的观测中发现即使在没有下雨的情况下，拉索也会发生大幅度的振动，而且发现这个振动在桥塔两侧相反方向的拉索上同时发生。N.P.Jones 等美国专家从 1997 年开始对德克萨斯州的 FredHartman 桥进行了为期数年的现场观测，在对观测数据进行分析后发现，风速越大拉索的振幅就越大，且那些发生大幅度振动的拉索都是那种顺风且向下倾斜的拉索，这一项分析跟 Hikami 的研究很相似。然而从收集到的观测数据中也可以看到，有一些拉索在其他风向条件下也会发生大幅度的振动，这又与 MatSumot 等的研究不谋而合。由于影响斜拉索发生大幅风雨激振的影响因素有很多，既有自身特性的影响，又有外界环境的影响，且目前还不能得到足够详尽和准确的反映该现象的现场实测数据。因此目前建立的几种关于雨振理论分析的模型仍不能完全准确的反映实际，足够精确的理论模型仍在艰难的探索之中。
...........
2.2 斜拉索及水线运动方程的建立
基于一定的假设，运用数学及力学理论建立拉索及水线的运动微分方程，为振动的分析提供理论依据。根据现场实测数据可知，拉索面内、面外都会发生风雨振动，但以面内振动为主。所以本文的研究只考虑拉索面内的振动。建立如图 2.2 所示的拉索空间位置模型。为了研究的方便本文对拉索做出如下假设：(1)不考虑拉索的抗弯、抗扭、抗剪刚度；(2)拉索在变形过程中服从虎克定律；(3)不考虑拉索因变形而产生的轴向位移；(4)不考虑桥面和桥塔的振动对拉索的影响；(5)不考虑下水线对振动的影响；(6)忽略湍流和轴向流的作用。首先对模型组合一进行研究，取平均风速为 12m/s，将水线振动幅度为 50、100、200、300分别代入拉索的振动微分方程，通过求解器可得到如图 2.6 所示的各种情况下的拉索面内振动的幅频曲线。从图中可以看出不同的水线偏移位置对拉索振动的振幅影响很大，对拉索振动频率的影响很小。通过对模型二进行分析，可以得到同样的结论，这里不做详细赘述。
............
第三章斜拉桥及拉索动力特性分析..........27
3.1 斜拉桥简介.....27
3.2 斜拉桥的动力特性分析............29
3.3 拉索的动力特性分析.......36
3.4 本章小结..........46
第四章拉索减振器的设计及减振效果的评价 .....47
4.1 常见拉索减振方法介绍............47
4.2 阻尼减振的原理......48
4.2.1 阻尼的概念...........48
4.2.2 阻尼减振原理.......49
4.3 高阻尼橡胶减振器特点及其应用.....52
4.4 高阻尼橡胶减振装置的设计....55
4.4.1 高阻尼橡胶圈的特性分析.....55
4.4.2 拉索减振装置的设计....58
4.5 拉索减振装置减振效果的研究.........59
4.5.1 研究内容......59
4.5.2 拉索减振装置减振效果的分析......60
4.6 本章小结.........62
第五章结论与展望 .......64
5.1 主要研究结论..........64
5.2 进一步展望.....65
第四章拉索减振器的设计及减振效果的评价
为了降低风雨振动对斜拉桥的影响，保证斜拉桥的运营安全，我们就需要对拉索的振动采取有效的措施进行控制。本章主要根据上文对斜拉桥风雨振动致振机理的研究成果以及奉节长江大桥斜拉桥全桥及拉索的动力特性的分析结果，设计一个合理有效的减振装置，并对设计的减振装置进行效果评价。
4.1 常见拉索减振方法介绍
对于结构的减振问题，通常是从结构的刚度、质量、初始阻尼三个方面来考虑。通过改变结构的这些动力特性，从而达到降低结构振动的目的[32]。下面简单介绍一下这些减振方法的原理与效果。1、提高结构的刚度来降低结构振动的振幅当提高结构的刚度，结构的固有频率将会增大，从而达到提高临界风速和减小振幅的目的。然而对于柔性的大跨度桥梁结构，增加主梁的刚度来满足抗风要求有时是不经济的，有时也会带来恶化气动外形的后果。2、增加结构的质量来降低结构振动的振幅当增加了结构的质量，是可以减小一些风致振动的振幅，但同时也使固有频率降低，带来不利的因素。3、提高结构的初始阻尼来降低结构振动的振幅除了古典颤振以外，其他各种峰值振动都可以通过提高结构的初始阻尼来达到提高抗风稳定性或减小振幅的目的。然而结构本身的阻尼是有限的，为了间接提高结构的阻尼，常用的方法就是在结构中安装阻尼器。对于阻尼器，它的减振机理是将主结构的振动能量传递到频率相近的阻尼器上，然后加以耗散，从而达到减小振幅的目的。这里我们结合工程实际，通过对比各种减振措施的优缺点，如表 4.1、4.2 所示，决定选用高阻尼橡胶剪切型阻尼器作为本文的拉索减振装置。
...........
结论
目前常用的拉索减振方法主要有四种:一是通过减小外界输入到拉索的能量，比如在拉索表面开孔、打点、缠丝等的空气动力措施。二是用连接器将两根或多根拉索连接起来，增大拉索的刚度，提高拉索的固有频率的辅助索措施。三是在拉索与桥面连接处设置各种阻尼器，以减小其振动幅度的附加阻尼器措施。四是对拉索施加外部能源的主动和半主动措施。这些方法对于拉索的减振都有一定的效果，而且在实桥中都有所应用。而对于设置阻尼器的方法，由于其易于安装，减振效果也比较明显，因此得到了最为广泛的应用。本文主要针对斜拉索在风雨激励作用下产生的风雨振动进行研究。首先对风雨振动的发振机理进行理论分析，然后利用有限元软件建立有限元模型对斜拉桥及拉索的动力特性进行分析，最后借助上述分析结论设计出一款以高阻尼橡胶为构件的减振装置并通过建立有限元模型对其减振效果进行仿真分析。在论文完成的同时，总结相关专家学者及本文的研究工作，可以得出以下结论：
（1）针对风雨振动的致振机理，建立拉索风雨振动的空间力学模型，通过分析计算水线特性对拉索振动特性的影响，可以发现水线振动幅度与拉索振动幅度成正比；水线振动频率与拉索固有频率接近时，拉索振动幅度达到最大；拉索只在一定的风速范围内才会发生风雨振动现象，这种振动现象随风速的增大先增大后迅速减小，同时也发现拉索倾角为 300，风向角为 350时，最容易发生风雨振动现象。
（2）将借助工程实例建立的有限元模型计算的斜拉桥全桥各阶固有频率与斜拉桥全桥实测结果相比，发现两者结果相差不大，说明该有限元模型能够较准确的反映工程实际。将借助工程实例拉索建立的有限元模型计算的斜拉桥拉索各阶固有频率与解析方法算出的斜拉桥拉索固有频率相比，发现两者结果相差也不大，说明该拉索有限元模型也能够较准确的模拟拉索的振动。
（3）通过对比几种常用的拉索减振方法的优劣，我们选用了高阻尼橡胶剪切型阻尼器作为本文研究的拉索的减振装置。在综合分析了斜拉桥、拉索及橡胶圈固有频率的基础上，为了避免产生共振，我们设计出了 A、B、C 三种型号的减振装置。然后利用有限元程序，建立了各种拟定的减振模型，对比分析了各种选用的减振装置的减振效果，可以发现 C 型减振装置具有最佳的减振效果。
..........
参考文献（略）