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Abstract

本发明涉及一种能抵抗气动失稳的斜拉桥拉索。它包括中心钢丝索和包裹住中心钢丝索的表面护套，表面护套的外围套罩着一个波浪形开孔外罩。该外罩的孔洞会漏入雨水，阻断外罩表面雨线的形成，波浪形开孔外罩还能破坏拉索尾流区卡门涡脱的规律性以及轴向流和轴向涡的规律性，从而可避免发生拉索风雨激振和破坏干索驰振的发生条件，提高拉索的安全性。

Description

能抵抗气动失稳的斜拉桥拉索
技术领域
本发明涉及一种斜拉桥拉索，特别是能抵抗气动失稳的斜拉桥拉索。
背景技术
斜拉桥的造型美观、跨越能力大，是大跨桥梁的主要形式之一。斜拉索是斜拉桥的主要承重构件，具有自重小、柔度大、阻尼低等特点，在风荷载作用下或风雨共同作用下极易发生气动失稳现象，导致拉索发生风致振动。斜拉索的大幅振动会引起拉索的疲劳、在索锚接合处产生疲劳裂纹、造成拉索防腐系统的破坏等，严重危害斜拉桥的安全性，并造成行人的心理恐慌。
斜拉桥拉索会发生多种形式的气动失稳现象，发生的机理各不相同。其中振动幅度最大、危害最严重的两种气动失稳现象是拉索的风雨激振和干索驰振。拉索的风雨激振是在风和雨共同作用下发生的大幅低频振动，在过去20多年里被各国学者广泛关注和研究。而拉索的干索驰振则是在有风无雨天气下发生大大振幅气动失稳现象，这是最近才在实际斜拉桥上发现的一种新的拉索振动形式
对于斜拉索的气动失稳现象，常用振动控制方法主要有三种：机械控制措施、结构控制措施和空气动力学控制措施。
机械控制措施是一种通过在拉索上附加阻尼器来提高拉索结构阻尼的减振方法。但由于拉索风雨激振和干索驰振是大幅低频振动，因而传统阻尼器的减振效果不大。并且随着拉索长度的增加，传统阻尼器的相对效率也将越来越低。
典型的结构控制措施是采用辅助索将不同拉索联结。辅助索的作用是减小索的有效长度，提高索的固有频率，使拉索之间产生动力耦合，从而达到降低拉索振动的目的。辅助索能减小拉索的振幅，却没有消除拉索发生气动失稳的发生条件，因而无法避免拉索产生气动失稳现象，因此经常会发生辅助索疲劳破坏的事故。
空气动力学控制措施主要通过对拉索表面进行特殊处理来改善拉索的空气动力学性能，被认为是一种经济有效的控制措施。目前常用的空气动力学措施是在拉索表面设置轴向凸起、在拉索表面单向缠绕凸起螺旋线以及在拉索表面设置凹坑。
上述拉索空气动力学控制措施主要是为抑制拉索的风雨激振而设计的。然后，表面设置轴向凸起虽可抑制风雨激振的发生，但在高风速下会发生新的气动失稳现象，因此现在在实际工程中很少应用。表面单向缠绕凸起螺旋线的拉索可减小在拉索上表面形成的雨线，干扰雨线在拉索表面的振荡，降低拉索发生风雨激振的可能性。但在降雨强度较大的天气下，这种缠绕螺旋线的拉索仍有可能在螺旋线之间产生雨线，并导致拉索的振动。
在拉索表面设置凹坑增大了拉索的表面粗糙度，会改变拉索表面边界层内的流体分离，破坏雨线在拉索上表面的形成和振荡，降低拉索发生风雨激振的可能性。尽管如此，有研究表明：这种表面带凹坑的拉索有时仍会发生风雨激振。并且，最近的研究表明：这种表面带凹坑的斜拉索会在有风无雨的天气下发生大幅干索驰振；在某些情况下，拉索表面的凹坑反而会增大拉索发生干索驰振的可能性。
综上所述，斜拉索的风雨激振和干索驰振是拉索风致振动中振幅最大、危害最严重的两种气动失稳现象。但目前的气动减振措施还不能同时抑制这两种气动失稳现象的发生，因此有必提出新的气动减振措施，开发能同时抑制干索驰振和风雨激振现象的斜拉索。
发明内容
本发明的目的在于针对已有技术存在的缺陷提供一种能抵抗气动失稳的斜拉桥拉索，这种拉索通过其表面的气动减振措施来抑制大幅干索驰振和风雨激振的发生，避免拉索发生大幅度振动，提高拉索和斜拉桥的安全性。
为了达到上述目的，本发明的构思是：本发明是在斜拉索表面护套外再增加一个开孔外罩，开孔外罩沿拉索轴向方向呈波浪形，波浪形开孔外罩与斜拉索之间有一定的间隙，并沿拉索轴向每隔一定距离固定在拉索表面护套上。
波浪形开孔外罩的厚度为1～3mm左右，材质可以但不局限于金属和高分子聚合物，每隔200～500mm固定在斜拉索表面护套上，波浪形开孔外罩内侧与拉索表面护套之间的间距10～30mm。波浪形开孔外罩上的孔洞形状可以是但不局限于圆形、椭圆形和矩形。本发明中，波浪形开孔罩上的孔洞采用圆形开孔，孔洞率为30%～60%。连接件的宽度为波浪形开孔外罩内侧与拉索表面护套之间的净间距，厚度为10～15mm，并使之与拉索和外罩相连接。
根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：
一种能够抵抗气动失稳的斜拉桥拉索，包括中心钢丝索和包裹中心钢丝索的表面护套，其特征在于所述表面护套的外围套罩着一个波浪形开孔外罩；该波浪形开孔外罩上开孔的孔洞会使雨水流入波浪形开孔外罩内侧间隙中，阻断波浪形开孔外罩表面雨线的形成，从而避免发生拉索风雨激振；同时，该孔洞提高作用在拉索表面的气流湍流度，也破坏有规律雨水线的形成，抑制风雨激振的发生；所述波浪形开孔外罩能破坏拉索尾流区卡门涡脱的规律性以及轴向流和轴向涡的规律性，破坏干索驰振发生条件；同时该孔洞提高来流湍流度而有利抑制干索驰振。
所述波浪形开孔外罩沿拉索轴向方向呈波浪形，该波浪形开孔外罩内侧与表面护套之间保持有效间隙，适于漏入雨水的流通；沿轴向每隔一段有效距离，通过一个环形带孔连接件与表面护套固定连接。
所述波浪形开孔外罩的厚度为1~3mm，材质为金属或高分子聚合物；沿轴向每隔200~500mm，通过一个环形带孔连接件与表面护套固定连接；波浪形开孔外罩内侧与表面护套之间的间距为10~30mm。
所述环形带孔连接件是一个环形件，其径向尺寸应为波浪形开孔外罩内侧与表面护套之间的间距，沿周向均布着径向螺钉穿越孔，通过螺钉而使波浪形开孔外罩和表面护套固定连接；沿周向均布着靠内侧边的轴向通孔，为流进的雨水提供通道。
本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点： 
1)      波浪形开孔外罩上的孔洞使得在开孔外罩表面不易形成雨线，而部分通过开孔外罩滴落在拉索表面护套上的雨水会在开孔外罩与拉索表面护套的固定处所隔断，从而阻断上雨线的形成，从而避免发生拉索风雨激振。另外波浪形开孔外罩上的孔洞可提高作用在斜拉索表面上的气流湍流度，这也会破坏有规律上雨线的形成，也有助于抑制风雨激振的发生。
2)      沿拉索轴向呈波浪形的开孔外罩可破坏拉索尾流区卡门涡脱的规律性以及轴向流和轴向涡的规律性，降低拉索气动作用力沿拉索轴向的相关性，从而破坏干索驰振发生条件。同时开孔外罩的孔洞对来流湍流度的提高也有利于抑制干索驰振。
附图说明
图1 为以往表面设轴向凸起的拉索照片。
图2 为以往单向缠绕凸起螺旋线的拉索照片。
图3 为以往表面设置凹坑的拉索照片。
图4 为本发明带波浪形开孔外罩的斜拉索三维结构示意图。
图5 为图4中A-A处（开孔处）的剖面图。
图6 为图4中B-B处（非开孔处）的剖面图。
图7 为本发明环形带孔连接件示意图。
具体实施方式
本发明的优选实施例结合附图说明如下：
实施例一：
参见图4、图5和图6，本能抵抗气动失稳的斜拉桥拉索1，包括中心钢丝索2和包裹中心钢丝索的表面护套3，其特征在于所述表面护套3的外围套罩着一个波浪形开孔外罩5；该波浪形开孔外罩5上开孔的孔洞会使雨水流入波浪形开孔外罩5内侧间隙中，阻断波浪形开孔外罩5表面雨线的形成，从而避免发生拉索风雨激振；同时，该孔洞提高作用在拉索表面的气流湍流度，也破坏有规律雨水线的形成，抑制风雨激振的发生；所述波浪形开孔外罩5能破坏拉索尾流区卡门涡脱的规律性以及轴向流和轴向涡的规律性，破坏干索驰振发生条件；同时该孔洞提高来流湍流度而有利抑制干索驰振。
实施例二：
本实施例与实施例一基本相同，特别之处是：
所述波浪形开孔外罩5沿拉索1轴向方向呈波浪形，该波浪形开孔外罩5内侧与表面护套3之间保持有效间隙，适于漏入雨水的流通；沿轴向每隔一段有效距离，通过一个环形带孔连接件4与表面护套3固定连接。
所述波浪形开孔外罩5的厚度为1~3mm，材质为金属或高分子聚合物；沿轴向每隔200~500mm，通过一个环形带孔连接件4与表面护套3固定连接；波浪形开孔外罩5内侧与表面护套3之间的间距为10~30mm。
实施例三：
本实施例与实施例二基本相同，特别之处是：
所述环形带孔连接件4是一个环形件，其径向尺寸应为波浪形开孔外罩5内侧与表面护套3之间的间距，沿周向均布着径向螺钉穿越孔，通过螺钉7而使波浪形开孔外罩5和表面护套3固定连接；沿周向均布着靠内侧边的轴向通孔8，为流进的雨水提供通道。
安装方式为：
参考图4，本实施例带波浪形开孔外罩的斜拉桥拉索，先根据斜拉索1直径和安装间距制作波浪形开孔外罩5，然后将波浪形开孔外罩5套装在拉索1的表面护套3的外表。
所示拉索1有内至外分别为高强度镀锌中心钢丝索2、表面护套3、环形带孔连接件4和波浪形开孔外罩5组装而成。

Claims (4)

1.一种能够抵抗气动失稳的斜拉桥拉索，包括中心钢丝索(2)和包裹中心钢丝索的表面护套(3)，其特征在于所述表面护套(3)的外围套罩着一个波浪形开孔外罩(5)；该波浪形开孔外罩(5)上开孔的孔洞会使雨水流入波浪形开孔外罩(5)内侧间隙中，阻断波浪形开孔外罩(5)表面雨线的形成，从而避免发生拉索风雨激振；同时，该孔洞提高作用在拉索表面的气流湍流度，也破坏有规律雨水线的形成，抑制风雨激振的发生；所述波浪形开孔外罩(5)能破坏拉索尾流区卡门涡脱的规律性以及轴向流和轴向涡的规律性，破坏干索驰振发生条件；同时该孔洞提高来流湍流度而有利抑制干索驰振。
2.根据权利要求1所述的能抵抗气动失稳的斜拉桥拉索，其特征在于所述波浪形开孔外罩(5)沿拉索轴向方向呈波浪形，该波浪形开孔外罩(5)内侧与表面护套(3)之间保持有效间隙，适于漏入雨水的流通；沿轴向每隔一段有效距离，通过一个环形带孔连接件(4)与表面护套(3)固定连接。
3.根据权利要求2所述的能抵抗气动失稳的斜拉桥拉索，其特征在于所述波浪形开孔外罩(5)的厚度为1~3mm，材质为金属或高分子聚合物；沿轴向每隔200~500mm，通过一个环形带孔连接件(4)与表面护套(3)固定连接；波浪形开孔外罩(5)内侧与表面护套(3)之间的间距为10~30mm。
4.根据权利要求2或3所述的能抵抗气动失稳的斜拉桥拉索，其特征在于所述环形带孔连接件(4)是一个环形件，其径向尺寸应为波浪形开孔外罩(5)内侧与表面护套(3)之间的间距，沿周向均布着径向螺钉穿越孔，通过螺钉(7)而使波浪形开孔外罩(5)和表面护套(3)固定连接；沿周向均布着靠内侧边的轴向通孔(8)，为流进的雨水提供通道。
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