斜拉桥拉索覆冰型式研究.docx

斜拉桥拉索覆冰型式研究摘要：在高原冻雨地带，以及一些寒冷气候区域修建大跨径索桥时，桥上会结冰。覆冰物改变索桥的拉索的截面形状，形成不稳定的气动外形，引发桥梁的风致振动，威胁大跨索桥的安全。因此，对覆冰索桥抗风特性的研究非常必要。本文对斜拉索的覆冰型式进行研究，查阅国内外覆冰研究的相关文献资料，了解覆冰现象的研究现状；以哇加滩大桥为实例做结冰试验，采集、分析数据；总结出拉索三种主要的结冰型式：A型覆冰；B型覆冰；C型覆冰。关键词：覆冰，气动力，三分力系数，数值模拟1研究背景及意义风致振动是威胁大跨径索桥安全的重要因素：在冰冻气候下，覆冰物改变拉索的截面形状，形成不稳定的气动外形，引发桥梁的颤振，涡振，抖振和驰振等风致振动。这些风致振动如不加以研究，并采取有效的抑振措施，会严重威胁桥梁的安全，因此对覆冰索桥的气动力特性，以及由此可能引发的风致振动进行研究非常必要。2国内外研究现状及发展趋势目前覆冰型式的研究主要集中于输电线路导线的覆冰现象，桥梁方面鲜有研究，已有研究者对斜拉桥拉索的驰振特性进行研究，拉索覆冰研究文献相对较少。但拉索的外形和导线相似，所以拉索的研究也可以借鉴导线覆冰的一些成果。导线结冰分类：1.按冰的表现特性分类：雨淞、雾淞、混合淞、积雪。2.按冰的形式机理分类：降水覆冰、云中覆冰、升华覆冰。3.按冰在导线表面的增长过程分类：干增长覆冰过程、湿增长覆冰过程。4.按冰在导线上的横截面形状分类：圆形或椭圆形覆冰、新月形、扇形、D形。3.斜拉索覆冰型式的试验研究3.1试验背景为了解斜拉索的常见覆冰型式，以青海哇加滩大桥为实例，进行本次斜拉索结冰试验。试验需要统计出各种覆冰型式的几何特征尺寸，然后总结出几种常见的分类及其几何特征，为桥梁的抗风性能研究提供必要的参数。3.2试验模型和试验工况拉索的表面材料特性对结冰特性有较大的影响，试验选材为和拉索表面材料同性质的PE管材，表面较为光滑洁净，用简易的支架支撑起来，拉索试验模型为1:1的节段模型，模型照片如图2.1所示。斜拉索覆冰试验每次降雨持续8小时，重复3次，记录测量覆冰特征参数，统计分析得到覆冰的基本特征。由于试验设备所限，试验仅模拟了一种降雨量，24小时降雨量约为7mm，相当于气象学上的小到中雨降雨级别。拉索直径选用了常用的索径，120mm和160mm两种。拉索的倾角为30°和35°。3.3试验过程简介（1）在桥位处挖两个50cm深的洞，竖直插入两根杆，并覆土压实，使其垂直固定于地面上，用第三根木杆采用钢丝横向连接，形成框架结构，人工降雨器架立在框架上。（2）切割泡沫板，切割一个100cm×50cm的矩形板，两个50cm×20cm的矩形板和两个40×30cm的直角三角形板。用泡沫胶把两个三角形板的直角边和三个矩形板垂直的粘在一起，如图2.1.2所示。（3）把已粘好的泡沫板移到框架下，并在泡沫下加重物固定其位置，打入地角螺栓固定泡沫板，如图2.1.2示。（4）把塑料套筒倾斜成需要的角度后，打开人工降雨器，持续模拟在降雨的环境中8个小时，观察并记录实验结果。上述实验在相同地点、相似条件下均重复进行三次。3.4试验结果3.4.1斜拉索覆冰的类型通过斜拉索覆冰试验，总结出斜拉索的三种主要覆冰型式：A型覆冰，离散冰棱；B型覆冰，非均匀扩径；C型覆冰，类似轴向流冰分布。分别如下图2.2所示：3.4.2覆冰的特征尺寸I.A型覆冰的特征尺寸：根据试验可以回归出的与的函数关系：（覆冰长度，是覆冰根部的直径，D是套筒的直径）。II.B型覆冰的特征尺寸：取最厚的厚度与套筒直径的比值，最薄的厚度与套筒直径的比值，横向的厚度和套筒直径的比值为该模型的关键几何特征值。在覆冰的最上缘有棱状凸起，记录棱状凸起的宽度s和高度h。（a）关于B型覆冰截面上的冰层的几何特征大致分为两种，一种是较厚的冰层，并在套筒上缘有棱状凸起的，命名为B1型覆冰；另外一种是没有棱状凸起，且冰层较薄，命名为B2型覆冰。（b）B1型覆冰的，，各自平均值分别是0.39、0.11、0.17，s平均值是2.375cm，h平均值是0.585cm。（c）B1型覆冰的，，各自平均值采取第三次试验结果，分别是0.18,0.09,0.11。III.C型覆冰的特征尺寸：C型覆冰外形酷似一种‘肋骨’，如图2.5.3所示。冰肋从套筒的侧面开始，大致与顺索向成30°角。并且C型覆冰只有在第二次试验中出现。如下表2.17，选取冰肋的高度H和套筒直径D比值作为几何特征参数。通过分析，得出结论：H/D的平均值为0.20。3.4.3试验结论试验发现拉索覆冰的型式主要有三种型式，如上图2.2所示。分别是A型覆冰，离散冰棱；B型覆冰，非均匀扩径；C型覆冰，类似轴向流冰布。为了方便建立CFD模型，将覆冰图示进一步简化，如下图2.5所示。3.5小结本文以青海哇加滩大桥为