CN104264585A - 一种斜拉桥用带开孔镂空外罩的斜拉索 - Google Patents

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杜晓庆
张利平
李俊军
曾静丽
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Abstract

本发明涉及一种斜拉桥用带开孔镂空外罩的斜拉索，由内至外分别由高强度镀锌钢丝、表面护套、螺旋肋和开孔外罩组成；所述高强度镀锌钢丝固定在表面护套内，所述表面护套与开孔外罩为同心圆管，所述开孔外罩与表面护套之间留有一定的间隙，间隙空间内设置至少一条与圆管同轴的螺旋肋，螺旋肋的内外螺旋边分别与表面护套和开孔外罩的管壁固结。本发明沿拉索轴向的开孔外罩可破坏拉索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。

Description

一种斜拉桥用带开孔镂空外罩的斜拉索
技术领域
本发明涉及一种斜拉桥用带开孔镂空外罩的斜拉索。
背景技术
随着现代桥梁朝着大跨径、更轻巧的方向发展，斜拉桥因其本身所具有的特性而成为实现这一目标最为常用的桥梁结构之一，在世界范围内得到了广泛应用。拉索作为斜拉桥的主要承重构件，其质量直接决定了斜拉桥的寿命与安全。由于斜拉桥特殊的工作环境，强风引起的振动是导致斜拉索损坏的主要原因之一。而更换由于振动损坏的斜拉索费用约占全桥成本的 1/4～1/3，因此研发可有效抑制拉索风致振动的控制措施有重大的工程意义。
斜拉桥拉索会发生多种形式的风致振动现象，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。
对于斜拉索的风致振动现象，常用的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。然而，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。但降雨强度较大时，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。
发明内容
针对现有技术存在的缺陷，本发明的目的是提供一种斜拉桥用带开孔镂空外罩的斜拉索，这种斜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，提高斜拉索和斜拉桥的安全性。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种斜拉桥用带开孔镂空外罩的斜拉索，由内至外分别由高强度镀锌钢丝、表面护套、螺旋肋和开孔外罩组成；所述高强度镀锌钢丝固定在表面护套内，所述表面护套与开孔外罩为同心圆管，所述开孔外罩与表面护套之间留有一定的间隙，间隙空间内设置至少一条与圆管同轴的螺旋肋，螺旋肋的内外螺旋边分别与表面护套和开孔外罩的管壁固结。
所述螺旋肋的旋转方向为左螺旋或右螺旋，螺旋肋的数量随着表面护套管径的增大而增大，且螺旋肋的截面为四边形。所述开孔外罩上的孔洞是圆形或条带形；圆形孔洞的直径设置为8～10mm，条带形孔洞的横向宽度设置为5～8mm；圆形孔洞和条带形孔洞均呈螺旋型分布，螺旋为右螺旋或是左螺旋，并与螺旋肋的线型正交，使开孔外罩在使用中受力均匀，环刚性好。所述开孔外罩的厚度为1～3mm，材质为金属或高分子聚合物，开孔外罩的内侧与表面护套之间的净间距为0～20mm。
与现有技术相比，本发明具有如下突出的实质性特点和显著的优点： 
本发明的开孔外罩生产制造更方便；拉索的迎风面积小，静力风荷载低。
开孔外罩上的孔洞沿拉索轴线方向呈螺旋形变化，这可以破坏风荷载的相关性，从而降低作用在拉索上的静力风荷载。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顺着拉索护套与开孔外罩之间的螺旋肋有序流出。这阻断了上雨线的形成，从而避免拉索发生风雨激振。另外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，有助于抑制风雨激振的发生。沿拉索轴向的开孔外罩可破坏拉索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。
附图说明
图1为本发明带圆形开孔外罩的斜拉索示意图。
图2为本发明带条形开孔外罩的斜拉索示意图。
图3为本发明带开孔外罩的斜拉索剖面示意图。
图4为本发明带开孔外罩的斜拉索横截面A-A示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施例作进一步的说明。
如图1至图4所示，一种斜拉桥用带开孔镂空外罩的斜拉索，由内至外分别由高强度镀锌钢丝2、表面护套3、螺旋肋4和开孔外罩5组成；所述高强度镀锌钢丝2固定在表面护套3内，所述表面护套3与开孔外罩5为同心圆管，所述开孔外罩5与表面护套3之间留有一定的间隙，间隙空间内设置至少一条与圆管同轴的螺旋肋4，螺旋肋4的内外螺旋边分别与表面护套3和开孔外罩5的管壁固结。
所述螺旋肋4的旋转方向为左螺旋或右螺旋，螺旋肋4的数量随着表面护套3管径的增大而增大，且螺旋肋4的截面为四边形。
所述开孔外罩5上的孔洞6是圆形或条带形；圆形孔洞的直径设置为8～10mm，条带形孔洞的横向宽度设置为5～8mm；圆形孔洞和条带形孔洞均呈螺旋型分布，螺旋为右螺旋或是左螺旋，并与螺旋肋4的线型正交，使开孔外罩5在使用中受力均匀，环刚性好。
所述开孔外罩5的厚度为1～3mm，材质为金属或高分子聚合物，开孔外罩5的内侧与表面护套3之间的净间距为0～20mm。 

Claims (4)

1.一种斜拉桥用带开孔镂空外罩的斜拉索，其特征在于，由内至外分别由高强度镀锌钢丝（2）、表面护套（3）、螺旋肋（4）和开孔外罩（5）组成；所述高强度镀锌钢丝（2）固定在表面护套（3）内，所述表面护套（3）与开孔外罩（5）为同心圆管，所述开孔外罩（5）与表面护套（3）之间留有一定的间隙，间隙空间内设置至少一条与圆管同轴的螺旋肋（4），螺旋肋（4）的内外螺旋边分别与表面护套（3）和开孔外罩（5）的管壁固结。
2.根据权利要求1所述的斜拉桥用带开孔镂空外罩的斜拉索，其特征在于，所述螺旋肋（4）的旋转方向为左螺旋或右螺旋，螺旋肋（4）的数量随着表面护套（3）管径的增大而增大，且螺旋肋（4）的截面为四边形。
3.根据权利要求1所述的斜拉桥用带开孔镂空外罩的斜拉索，其特征在于，所述开孔外罩（5）上的孔洞（6）是圆形或条带形；圆形孔洞的直径设置为8～10mm，条带形孔洞的横向宽度设置为5～8mm；圆形孔洞和条带形孔洞均呈螺旋型分布，螺旋为右螺旋或是左螺旋，并与螺旋肋（4）的线型正交，使开孔外罩（5）在使用中受力均匀，环刚性好。
4.根据权利要求1所述的斜拉桥用带开孔镂空外罩的斜拉索，其特征在于，所述开孔外罩（5）的厚度为1～3mm，材质为金属或高分子聚合物，开孔外罩（5）的内侧与表面护套（3）之间的净间距为0～20mm。
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WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

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