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土木工程|500 m级拱桥缆索吊施工期间风缆振动特性研究

汉斯出版社

2025-09-26

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导读：

在汉斯出版社《土木工程》期刊上，有论文研究某主跨500 m级特大拱桥缆索吊施工期间风缆振动特性，该桥缆塔通风缆计算跨径长达778.46 m，且跨内无任何对其存在约束作用的横向缆索或竖向吊杆，这类超长缆索在桥梁工程中罕见。

基本信息：

500 m级拱桥缆索吊施工期间风缆振动特性研究

Study on Vibration Characteristics of Wind-Cables during Cable-Hoisting Construction of a 500 m-Class Arch Bridge

作者：

周帅：西南交通大学土木工程学院，四川成都；中国建筑第五工程局有限公司，湖南长沙；于鹏*, 张欢, 王慎：中国建筑第五工程局有限公司，湖南长沙

关键词:

大跨拱桥；缆索吊；超长水平柔性风缆；线性内部共振；参数振动

项目基金：

国家自然科学基金项目(52278497)

中国博士后科学基金项目(2023M33359)

湖南省自然科学基金项目(2023JJ10046, 2024JJ9081)

原文链接：

https://doi.org/10.12677/hjce.2025.149237

内容简介：

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理论模型

本桥主拱肋的总体施工方案采用斜拉扣挂法，即从两岸向跨中分节段悬臂拼装，跨中合龙，其中吊装节段最大重量可达到480 t，为满足施工需要，设置2 × 250 t缆索吊机，起吊拱肋节段时，2组承重索同时横移到上游或下游并相互靠拢共同起吊。缆索吊机布置为3跨，跨径组合为(180 + 782 + 246.3) m，垂跨比1/13.5，两侧均采用岩锚形式。总体布置图如图1所示。

参考相关文献将轴向激励下超长水平柔性风缆的振动简化为图2，推导得水平风缆跨中一阶模态振动微分方程如下：

式(1)中：

其中：v1为一阶横向动位移，H为缆索轴力，m为缆索单位长度质量，g为重力加速度，L为缆索的跨度，u(x)和v(x)分别为缆索的轴向、横向动位移，Ud为激励幅值，cx、cy分别为缆索x向和y向的单位长度粘性阻尼系数；ω0为与缆索同截面A和计算跨径L但不考虑垂度d的标准弦的一阶振动圆频率，ξ1为缆索一阶振动模态阻尼比。

式(1)为常微分方程，可采用龙格–库塔法求解。基于该理论方程模型，可方便分析各设计参数对超长水平柔性风缆振动响应的影响。

实际设计参数下风缆振动响应的求解

针对上述缆索吊的通风缆，以其空缆状态(轴力H = 285 kN)为振动分析的基准工况，此时考虑垂度效应后的风缆一阶自振频率f1 = 0.283 Hz、垂度d = 28.036 m、阻尼比ξ1 = 0.002，按轴向激励幅值Ud = 0.050 m、激励频率Ω∈[0, 1.2] Hz求解式(1)，计算结果如下。

1. Ud = 0.050 m 时，Ω = f1的结果（图3、图4）

2. Ud = 0.050 m时，Ω = 2f1的结果（图5、图6）

3. Ud = 0.050 m时，Ω∈[0, 1.2] Hz的结果（图7、图8）

变更设计参数对风缆振动响应的影响分析

为进一步明确激励幅值Ud、风缆阻尼比ξ1对风缆面内振动响应v的影响，对这些设计参数取不同值的情况进行分析如下，对于垂度的影响则未作分析(因缆索垂度与轴力相关、轴力发生变化时垂度也会相应变化)。

1. Ud = 0.025 m时，Ω = f1和Ω = 2f1的结果（图9、图10）

2. Ud = 0.100 m时，Ω = f1和Ω = 2f1的结果（图11、图12）

3. ξ1 = 0.003时，Ω = f1和Ω = 2f1的结果（图13、图14）

4. ξ1 = 0.004时，Ω = f1和Ω = 2f1的结果（图15、图16）

算例分析

1) 基准工况(轴向激励幅值Ud = 0.050 m、风缆轴力H = 285 kN、阻尼比ξ1 = 0.002)下，在轴向激励频率Ω与一阶固有频率f1的比值为1和2附近时，风缆将出现明显的线性内部共振和参数共振(但参数共振所需的激发时长远大于线性内部共振)，横向动位移振幅分别达5.498 m和2.195 m。

2) 基准工况下，风缆一阶主共振的激振带宽约为Ω∈[0.249, 0.313] Hz，一阶参数振动的激振带宽为Ω∈[0.565, 0.567] Hz，可见参数振动对激振频率非常敏感，这与超长索的自振基频过低有关。

3) 轴向激励幅值Ud对风缆的参数振动有显著影响，激励幅值较小时不足以激发参数共振，激励幅值较大时参数共振的振幅增大、但增速有所放缓。

4) 风缆阻尼比ξ1对风缆的参数振动有显著影响，阻尼比较小(0.002)时不足以抑制参数共振，但适当增大后(增大至0.004)可显著抑制参数共振，这为该类超长风缆的参数振动控制提供了方向指导。