斜拉桥拉索覆冰型式研究

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实例，进行斜拉索覆冰试验。

通过试验，总结出斜拉索三种主
要覆冰形式：A型覆冰，离散冰棱；B型覆冰，非均匀扩径；C型覆冰，类似轴向流冰布；同时统计各种形式的几何特征尺寸，分析出一个较为合适的尺寸，以此参数计算覆冰拉索的气
动力系数，为桥梁的抗风性能研究提供必要的参数和分析。

参考文献
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