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1、 ICS 77.140.65 CCS H 49 34安徽省地方标准 DB34/T 37052020 斜拉桥钢绞线拉索减振设计指南 Vibration reduction design guide for strand stay cable of cable-stayed bridge 2020-11-27 发布 2020-12-27 实施安徽省市场监督管理局 发 布DB34/T 37052020 I 前言 本文件按照 GB/T 1.12020标准化工作导则 第1部分：标准化文件的结构和起草规则的规定起草。请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。本文件由安徽省交
2、通控股集团有限公司提出。本文件由安徽省交通运输厅归口。本文件起草单位：安徽省交通控股集团有限公司、同济大学、安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司、桥梁结构健康与安全国家重点实验室。本文件主要起草人：胡可、曹光伦、刘志权、马祖桥、石雪飞、王胜斌、马如进、刁凯、窦巍、王波、袁助、程磊科、宋军、侯宇航、陈维平、李鸿博、赵金磊、杨大海、李东超、曹新垒、吴红波、许垒、丁亮、王欢、王杰钊。DB34/T 37052020 1 斜拉桥钢绞线拉索减振设计指南 1 范围 本文件规定了斜拉桥钢绞线拉索减振设计的振动控制目标、振动计算、减振设计、减振阻尼器设计技术要求。本文件适用于斜拉桥钢绞线拉索减振设计，其他拉索
3、结构可参照执行。2 规范性引用文件 下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。GB/T 30826 斜拉桥钢绞线拉索技术条件 JT/T 1038 斜拉索外置式黏滞阻尼器 JTG/T 3360-01 公路桥梁抗风设计规范 JTG/T 3365-01 公路斜拉桥设计规范 3 术语和定义 下列术语和定义适用于本文件。3.1 钢绞线拉索 strand stay cable 由若干根直径相同、平行排列的单根 PE（Polyethylene 聚乙烯）防护钢绞线集束，
4、通过两端锚具组件固定，承受结构静动荷载的受拉构件。3.2 驰振 galloping 振动的拉索通过气流的反馈作用不断吸取能量，横向弯曲振幅逐步增大的发散性自激振动失稳现象。3.3 尾流驰振 wake galloping 一定距离内的并列钢绞线拉索在风的上游拉索尾流诱发下，风的下游拉索产生的一种驰振现象。3.4 涡激共振 vortex resonance 风经过结构时产生漩涡脱落，当漩涡脱落频率与钢绞线拉索的自振频率接近或相等时，由涡激力所激发出的钢绞线拉索的一种共振现象。3.5 风雨激振 rain-wind induced vibration 拉索在风和雨共同作用下发生的一种驰振现象。3.6
5、线性内部共振 linearly internal resonance oscillation 桥面或桥塔在垂直于拉索弦长方向的小幅振动引起的一种钢绞线拉索横向振动放大现象。DB34/T 37052020 2 3.7 参数共振 parameter oscillation 当钢绞线拉索索端沿索弦长方向的振动激励频率接近拉索固有频率的 2 倍时，引起的一种钢绞线拉索横向振动放大现象。3.8 内置阻尼器 Interior damper 设置于拉索端部钢套筒内的弹性支承体，为一种控制拉索振动的装置。3.9 外置阻尼器 External damper 设置于钢绞线拉索索导管外部支架上的阻尼器，为拉索提供附
6、加阻尼。4 振动控制目标 4.1 一般规定 4.1.1 钢绞线拉索可根据拉索的计算长度 l 不同划分为中短索（l 250 m）、中长索（250 m l 450 m）及超长索（l 450 m）。4.1.2 钢绞线拉索的抗风性能目标等级及要求应符合表 1 的规定。表1 钢绞线拉索抗风性能目标等级及要求 等级 损伤特点 生命安全性能 结构使用性能 可修复性能 结构功能完好 拉索振幅小，不发生疲劳破坏 风致振动下功能完好 不必修复 发生可修复损伤 拉索振幅可控，不发生疲劳破坏 风致振动产生损伤，但可快速修复 可修复 发生难以修复损伤 拉索不发生过大振幅，拉索不发生断裂 风致振动产生功能破坏，无法正常使
7、用 需更换 4.1.3 在设计基准期内，各类钢绞线拉索的抗风性能目标等级不应低于表 2 的规定。表2 各类钢绞线拉索的抗风性能目标等级 性能等级 拉索类别 中短索 中长索 超长索 作用类别 W1 风作用 W2 风作用 注：W1 风作用、W2 风作用分别为 JTG/T 3360-01 中规定的重现期 10 年和重现期 100 年的风作用。4.2 振幅 4.2.1 各类钢绞线拉索的抗风性能目标等级为级时，振幅限值不应超过 l/1700。4.2.2 各类钢绞线拉索的振幅不宜超过表 3 的规定值。DB34/T 37052020 3 表3 各类钢绞线拉索的振幅限值 振幅限值 拉索类别 中短索 中长索 超
8、长索 性能等级 l/1700 l/(6.5l+75)l/3000 l/1000 l/(2l+500)l/1800 l/700/5 振动计算 5.1 风速计算 5.1.1 斜拉桥钢绞线拉索风速参数的选取与计算应符合 JTG/T 3360-01 的有关规定。5.1.2 确定设计基准风速时，钢绞线拉索的基准高度可取斜拉索的平均高度距水面或地面的距离。5.2 频率估算 5.2.1 钢绞线拉索的振动可分为索平面外振动与索平面内振动两种形式。其中，索平面内振动又可分为索平面内对称振动和索平面内反对称振动两种形式。5.2.2 钢绞线拉索发生索平面外振动时，其振动频率 fop可按式（1）计算：op2nFflm
9、 (1)式中：fop 钢绞线拉索的第n阶面外模态频率（Hz）；n 振型阶数，可取 1、2、3.；l 钢绞线拉索的计算长度（m）；F 钢绞线拉索的索力（N）；m 钢绞线拉索及套管的单位长度总质量（kg/m）。5.2.3 钢绞线拉索发生索平面内对称振动时，其振动频率 fip可按式（2）式（4）计算：ip2 Fflm (2)20.00170.12543.14441=0.00539.423935nnnn (3)23ccos/EA mglF (4)式中：fip 钢绞线拉索的第n阶面内模态频率（Hz）；n 振型阶数，可取 1、3、5、7、9.；DB34/T 37052020 4 与振动阶数有关的系数，按式
10、（3）计算；与拉索状态有关的系数，按式（4）计算；A 钢绞线拉索截面面积（m2）；c 钢绞线拉索的倾角（）；E 钢绞线拉索的弹性模量（Pa）；l 钢绞线拉索的计算长度（m）；F 钢绞线拉索的索力（N）；m 钢绞线拉索及套管的单位长度总质量（kg/m）。5.2.4 钢绞线拉索发生索平面内反对称振动时，其振动频率 fip可按式（5）计算：ip2nFflm (5)式中：fip 钢绞线拉索的第n阶面内模态频率（Hz）；n 振型阶数，可取 2、4、6、8、10.；l 钢绞线拉索的计算长度（m）；F 钢绞线拉索的索力（N）；m 钢绞线拉索及套管的单位长度总质量（kg/m）。5.3 阻尼 5.3.1 钢绞线
11、拉索的阻尼比 s应根据实测数据结果确定；缺少实测数据且钢绞线拉索未安装外置阻尼器时，其固有阻尼比可取为 0.300.40。5.3.2 钢绞线拉索的梁端与塔端同时安装阻尼器时，拉索的附加阻尼值应考虑梁端与塔端阻尼器效应的叠加。5.4 驰振 5.4.1 当钢绞线拉索断面的驰振力系数Cg0，或钢绞线拉索受积冰、积雪影响时，应进行驰振稳定性检验。驰振稳定性检验应符合 JTG/T 3360-01 的有关规定。5.4.2 驰振稳定性临界风速Ucg可按式（6）计算：b1scgg4mUC D (6)式中：Ucg 驰振稳定性临界风速（m/s）；b1 钢绞线拉索一阶弯曲圆频率（rad/s），b1=2fb1；fb1
12、 钢绞线拉索一阶频率（Hz）；s 钢绞线拉索的阻尼比；空气密度（kg/m3），一般取为 1.25 kg/m3；Cg 钢绞线拉索断面的驰振力系数，gLDBCCCD，一般可通过风洞试验或虚拟风洞试验方法获取；断面外形尺寸应按照套管外形尺寸取值；当典型断面的形状如图1 所示时，可取为-1.0；B 钢绞线拉索断面的特征宽度（m），断面外形尺寸应按照套管外形尺寸取值；DB34/T 37052020 5 LC 钢绞线拉索断面升力系数的斜率，断面外形尺寸应按照套管外形尺寸取值；CD 钢绞线拉索断面阻力系数，断面外形尺寸应按照套管外形尺寸取值；D 钢绞线拉索断面的特征高度（m），断面外形尺寸应按照套管外形尺寸
13、取值。tDt=0.06D积冰 D索上有积冰积冰 图中：t 积冰厚度；D 拉索断面特征高度。图1 受积冰影响的钢绞线拉索典型断面形状 5.5 尾流驰振 5.5.1 当钢绞线拉索的中心距介于 220 倍直径时，宜进行尾流驰振检验。尾流驰振检验应符合 JTG/T 3360-01 的有关规定。5.5.2 钢绞线拉索的尾流驰振临界风速Uwg可按式（7）计算，也可通过模拟阻尼条件下的节段模型振动试验或气动弹性模型试验直接获得。节段模型振动试验或气动弹性模型试验应符合 JTG/T 3360-01的有关规定。swgwgic2cmUCf DD (7)式中：Uwg 尾流驰振临界风速（m/s）；Cwg 与拉索中心距
14、有关的常数，当沿风向上下游索中心距 26 倍索直径时取 25，610 倍索直径时取 40，1020 倍索直径时取 80，拉索直径按照外套管尺寸取值；fi 钢绞线拉索第i阶振动频率（Hz）；Dc 钢绞线拉索的直径（m），按照外套管尺寸取值。5.5.3 尾流驰振稳定性检验应满足式（8）的要求：wgwgdUU (8)式中：Ud 钢绞线拉索的设计基准风速（m/s）；wg 尾流驰振稳定性分项系数，取为 1.2。5.5.4 当尾流驰振稳定性检验不满足要求时，可按本文件及 JTG/T 3360-01 的有关规定选择适宜的振动控制措施，进行减振设计计算。5.6 涡激共振 5.6.1 钢绞线拉索的基频小于 5H
15、z 时，应进行涡激共振检验。涡激共振检验应符合 JTG/T 3360-01 的有关规定。DB34/T 37052020 6 5.6.2 钢绞线拉索的涡激共振振幅ymax可按式（9）近似计算：Lmaxc2tc0.008CyDS S (9)式中：ymax 涡激共振振幅（m）；LC 升力系数标准差，对于圆柱形构件一般取 0.45；St Strouhal 数，St=fDc/U，对于圆柱形构件一般取 0.2；Sc Scruton 数，Sc=ms/(Dc2)；f 拉索基频；U 涡激共振风速；s 拉索阻尼比；Dc 拉索外套管直径；空气密度（kg/m3），一般取为 1.25 kg/m3。5.6.3 涡激共振检
16、验宜在均匀流场、0.25 倍设计紊流强度流场、桥址设计紊流强度流场中进行，测定涡激共振起振风速、锁定区间以及振动振幅，并以 0.25 倍设计紊流强度流场作为最终涡激共振评价依据。5.6.4 涡激共振风洞试验的模型应准确模拟钢绞线拉索的气动外形。5.6.5 当钢绞线拉索的涡激共振不满足检验要求时，可通过改变基本气动外形、附加气动措施或阻尼措施予以改善。5.7 风雨激振 5.7.1 钢绞线拉索应检验发生风雨激振的可能性，在缺乏试验条件时，钢绞线拉索不发生风雨激振的条件可按式（10）式（11）进行判断：光圆表面拉索 c10S (10)使用有效表面处理的拉索 c5S (11)5.7.2 当钢绞线拉索的
17、风雨激振检验不满足要求时，可采取气动措施或增设阻尼措施予以改善，外套管表面处理可采用以下方式：a)在钢绞线拉索外套管表面沿轴向开设凹槽或凸起肋条；b)对钢绞线拉索外套管表面进行凹坑处理；c)在钢绞线拉索外套管表面沿轴向螺旋状加设带状结构或间隔缠绕带状物。5.8 线性内部共振与参数共振 5.8.1 当钢绞线拉索垂直于弦长方向的索端激励与拉索固有频率接近或一致时，应进行钢绞线拉索线性内部共振响应检验。a)发生线性内部共振时，拉索索端垂直弦长方向的运动引起的钢绞线最大振动响应主要为相应的面内振动，见图 2。其第一阶面内振动的最大振幅为：DB34/T 37052020 7 B1maxsyy (12)式
18、中：y1max 第一阶面内振动最大振幅（m）；yB 索端垂直于拉索弦长方向相对运动的幅值（m）。BAyHxxB(t)HyB(t)图2 拉索索端位移引起的线性内部共振 b)当索端激励振幅较大时，可通过数值分析方法获得钢绞线拉索线性内部共振响应最大振幅。5.8.2 当钢绞线拉索沿弦长方向的索端激励为拉索固有频率的 2 倍时，应进行钢绞线拉索参数共振响应检验。a)钢绞线拉索沿着弦长方向的振动引起的索力变化、振动频率和激励位移满足式（13）式（15）时，钢绞线拉索发生参数共振。222max1s12(1)(2)FF (13)b1c=12ff (14)B01s4xX (15)式中：Fmax 索力变化幅值（
19、N）；F 钢绞线拉索索力（N）；1 频率比；fb 外激励频率（Hz）；fc 钢绞线拉索固有振动频率（Hz）；xB 激励振幅（m），激励方向如图2 所示；X0 恒载索力下钢绞线拉索线弹性伸长量（m），可按 X0=Fl/EA 计算；l 钢绞线拉索的计算长度（m）；E 钢绞线拉索的弹性模量（Pa）。b)钢绞线拉索发生参数共振时，其第一阶共振稳态响应最大振幅可近似按式（16）计算：DB34/T 37052020 8 220sB1max124211014411132X lxAX (16)式中：A1max 斜拉索的第一阶共振稳态响应最大振幅（m）。6 减振设计 6.1 一般规定 6.1.1 钢绞线拉索的减
20、振设计除应符合本文件的规定外，尚应符合 GB/T 30826、JTG/T 3360-01 的有关规定。6.1.2 钢绞线拉索振动控制的目标应限制发散振动，应限制拉索出现驰振和尾流驰振。6.1.3 钢绞线拉索振动控制目标应同时限定非发散振动的振动幅值，应控制涡激共振、线性内部共振及参数共振产生的振动幅值。6.1.4 钢绞线拉索的减振设计可采用气动减振措施、附加阻尼装置及附加辅助索减振措施。6.1.5 钢绞线拉索的减振设计措施宜综合考虑桥梁寿命周期内的抗风性能、经济性、耐久性等要求。6.1.6 拉索限幅振动的振幅应符合本文件的第 4.2 节的规定。6.2 气动减振措施 6.2.1 钢绞线拉索可通过
21、附加螺旋线或表面加工等方式避免或降低风雨激振，见图 3。a）附加螺旋线 b）表面凹坑 图3 斜拉索表面气动措施示例 6.2.2 附加螺旋线的基本构造见图 4，螺旋形的几何外形、螺距等相关设计参数应通过风洞试验验证。螺距螺距a）螺旋线布置立面图 b）螺旋线布置横断面图 图4 附加螺旋线的布置示意图 注：螺旋线外形对拉索的风阻系数有较大的影响，不适宜的风雨激振气动控制措施，有可能会使拉索发生驰振等不利振动。因此，对特殊的气动措施通过风洞试验验证是十分必要的。6.3 附加阻尼装置 DB34/T 37052020 9 6.3.1 为满足钢绞线拉索的抗风性能要求，可增设阻尼装置进行控制，见图 5。斜拉索
22、阻尼器支架阻尼器 图5 斜拉索外置阻尼器安装示意图 注：钢绞线拉索随着长度的增加，其刚度与阻尼比显著降低。采用附加阻尼装置的措施可有效提高拉索系统阻尼比、降低风致振动振幅。拉索可以采用内置阻尼和外置阻尼两种方式提供系统阻尼比。常用的附加阻尼器措施包括黏滞性阻尼器、橡胶阻尼器、MR磁流变阻尼器、摩擦型阻尼器、剪切型阻尼器、杠杆质量阻尼器等。6.3.2 钢绞线拉索附加阻尼器后的阻尼比不应小于 0.50。6.3.3 钢绞线拉索附加阻尼器后，应对拉索阻尼比进行抽样测试。测试可参照本文件附录 A 的规定进行。6.3.4 钢绞线拉索附加阻尼器的设计宜综合考虑阻尼器安装位置、阻尼器刚度、阻尼非线性、斜拉索垂
23、度与倾角等因素影响。当采用黏滞性阻尼器时，阻尼系数c可按式（17）和式（18）确定：222/1ncxl (17)c01xcnmll (18)式中：n 阻尼器提供的第n阶振型阻尼比；xc 阻尼器安装位置距较近索端的距离（m），如图6所示；无量纲的阻尼器阻尼参数；c 阻尼器的阻尼系数；01 拉索第一阶模态圆频率（rad/s）；n 拉索模态阶数；l 钢绞线拉索的计算长度（m）；m 钢绞线拉索及套管的单位长度总质量（kg/m）。DB34/T 37052020 10 阻尼器斜拉索clxcxFFm 图6 拉索外置阻尼器原理图 对于线性阻尼器，使拉索达到最大附加模态阻尼比的最优阻尼系数可按式（19）确定：o
24、pt010.10/cxcmlnl (19)式中：copt 线性阻尼器最优阻尼系数；xc 阻尼器安装位置距较近索端的距离（m）；01 拉索第一阶模态圆频率（rad/s）；n 拉索模态阶数；l 钢绞线拉索的计算长度（m）；m 钢绞线拉索及套管的单位长度总质量（kg/m）。注：阻尼器安装位置、阻尼器刚度、阻尼非线性、拉索垂度与倾角等是影响阻尼器效率的主要因素。将式(17)绘制成通用阻尼器设计曲线如图7所示。由于式中没有考虑阻尼器刚度、阻尼非线性、斜拉索垂度与倾角等因素，阻尼器所能获得的实际模态阻尼比往往小于计算值。因此实际选用式（17）确定阻尼器参数时，阻尼器所能获得的模态阻尼比按 50折减考虑。图
25、7 通用阻尼器设计曲线 0.00.10.20.30.40.50.60.00.20.40.60.81.0/ncxlc01xcnmllDB34/T 37052020 11 6.3.5 为保证钢绞线拉索在安装阻尼器后能达到目标的附加阻尼值，同时兼顾拉索的美观性与施工安装技术的限制，阻尼器安装位置比xc/l宜在 25之间。6.3.6 阻尼器安装支架的无量纲刚度s应满足式（20）要求：scs1ijk xCF (20)式中：s 阻尼器安装支架的无量纲刚度；ks 阻尼器安装支架的刚度（N/m）；Cij 安全系数，一般可取为 1.25；由阻尼器安装支架刚度而使模态阻尼比损失的百分比限值，应基于设计目标要求确定
26、。7 减振阻尼器设计技术要求 7.1 一般规定 7.1.1 钢绞线拉索减振阻尼器的技术要求与安装除应符合本文件的规定外，应符合 JT/T 1038、JTG/T 3365-01 的规定。7.1.2 阻尼器宜设置与健康监测系统相接的接口，可实时记录和跟踪阻尼器的位移、阻尼力、油缸压强、振动频率和速度等参数，以保证阻尼器的工作处于可监控状态。7.1.3 钢绞线拉索设置减振阻尼器时，应考虑检修、维护、更换的要求，并应避免阻尼器发生损坏时对钢绞线拉索造成二次损伤。7.2 阻尼器的设计技术要求 7.2.1 阻尼器的工作环境温度宜为-2065，相对湿度可为 0100。7.2.2 在正常使用和维护的情况下，阻
27、尼器的寿命不应低于 20 年。7.2.3 阻尼器与阻尼器连接件的外观、尺寸、表面涂装等应符合现行国家和行业标准的有关规定。表面涂装的寿命不应低于 20 年。7.2.4 阻尼器及其连接件尺寸应与阻尼器支座尺寸匹配。7.2.5 阻尼器不应出现漏油、涂层剥落、外壳损坏等现象。7.2.6 阻尼器受可变作用产生的变形应满足要求。7.2.7 阻尼器安装前，应按照国家和行业标准的有关规定，进行性能检验与性能试验。7.2.8 阻尼器安装支架宜与钢绞线拉索、钢绞线拉索在桥面上的竖直投影处于同一平面内，且垂直于钢绞线拉索。当钢绞线拉索与桥面的夹角较大时，可根据实际情况调整阻尼器安装支架与钢绞线拉索的夹角，但应保证
28、阻尼效果满足要求。DB34/T 37052020 12 附录A （资料性）钢绞线拉索附加阻尼器后的阻尼比测试方法 A.1 测试抽样 A.1.1 钢绞线拉索附加阻尼器后，应对拉索阻尼比进行抽样测试。A.1.2 阻尼比抽样测试应包括安装阻尼的长索、中等长度索及短索，在不同长度范围内进行随机抽样进行测试。A.2 测试环境 测试应在无明显风致振动和其他外界振动干扰的环境中进行。A.3 测试方法与测试过程 A.3.1 测试前，应检查减振阻尼器与钢绞线拉索连接是否可靠。A.3.2 测试应按以下步骤进行：a)在钢绞线拉索上布置加速度传感器，接通振动采集仪及电脑；b)对钢绞线拉索进行人工或激振器激励，使拉索产生明显振动，采集并记录拉索的自由衰减曲线；c)分析数据，计算钢绞线拉索附加减振阻尼器后的阻尼比。A.3.3 钢绞线拉索的自由衰减曲线采集与记录过程中，应避免拉索的外界激励。A.3.4 每根钢绞线拉索应至少正确测试 3 次。A.4 测试数据与测试报告 A.4.1 钢绞线拉索附加阻尼器后的阻尼比应取多次测试结果的平均值。A.4.2 测试报告应包括以下内容：a)环境温度、测试设备、测试拉索规格、测试输入参数等；b)测试过程及测试结果的描述，应包含钢绞线拉索的自由衰减曲线及测试过程中的异常情况；c)测试现场与测试过程的照片。