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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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[2]李寿英, 黄韬, 叶继红. 覆冰斜拉索气动力的试验与数值研究[J]. 湖南大学学报 (自然科学版), 2012, 8:002.
[3]李薇,胡兆同,李加武. CFD方法研究桥梁断面三分力系数的雷诺数效应. 长安大学学报,2010.
论文作者:何宇虹
论文发表刊物:《基层建设》2017年4期
论文发表时间:2017/5/22
标签：拉索论文; 型式论文; 套筒论文; 索桥论文; 风致论文; 特征论文; 导线论文; 《基层建设》2017年4期论文;