双螺旋线热挤聚乙烯半平行钢丝斜拉索及其参数确定方法

摘要

本发明公开了一种双螺旋线热挤聚乙烯半平行钢丝斜拉索及其参数确定方法，属于斜拉桥领域。在斜拉索的外表面上同向缠绕凸起的双螺旋线，根据风洞试验确定螺旋线的直径d、以及同一螺旋线的缠绕间距S，找出与不同直径的斜拉索缠绕双螺旋线时，在抑风雨振的前提下对气动阻力最小的参数值组合；其中，S为斜拉索直径D的倍数。本发明既能抑制风雨振、同时又具有最佳气动阻力。

说明书

技术领域

本发明属于斜拉桥工程技术领域，尤其涉及一种既能抑制风雨振、同时又具有最佳气动阻力效果的双螺旋线热挤聚乙烯半平行钢丝斜拉索及其参数确定方法。

背景技术

斜拉索是斜拉桥的主要受力构件之一，目前热挤PE半平行钢丝斜拉索是最常用的斜拉索形式。大量研究表明：在特定的风雨环境下斜拉索经常发生大幅振动，被命名为风雨振或者风雨激振。当发生风雨振时，斜拉索的振动能引起索梁锚固区、索塔锚固区的破坏，引起索端部接头部分产生疲劳破坏，破坏索斜拉索的防腐系统，严重时会导致斜拉索失效。同时，振动会引起斜拉索内部钢丝之间的相互摩擦错动，损坏钢丝表面的防腐材料，使得腐蚀后的钢丝疲劳强度降低。另外，用于风雨振减振的阻尼装置也经常被斜拉索的大幅振动所破坏。

为了抑制这种振动的发生，目前常用的方法有机械措施（设置阻尼器等）、结构措施（设置辅助索等）和气动措施。随着斜拉桥跨径的增大，斜拉索的长度也随之增大，在索端部设置阻尼器的效果有限；采用辅助索将斜拉索连在一起会破坏整体的美观，因此这种措施采用较少；气动措施被认为是切实可行的办法。

由于大跨径斜拉桥斜拉索上的风荷载占全桥风荷载的主要部分，因此采用气动措施后斜拉索上气动阻力的改变也是桥梁设计中需要重点考虑的问题。减小斜拉索上气动阻力，可以在节约成本的情况下最大限度保证桥梁的受力安全，然而现有的气动措施仅仅考虑了抑振效果，没有考虑采取措施后气动阻力的变化。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种双螺旋线热挤聚乙烯半平行钢丝斜拉索及其参数确定方法，既能抑制风雨振、同时又具有最佳的气动阻力。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种双螺旋线热挤聚乙烯半平行钢丝斜拉索，在斜拉索的外表面上同向缠绕有凸起的双螺旋线。

进一步的技术方案，同一条螺旋线的缠绕间距S为斜拉索直径D的整数倍。

进一步的技术方案，斜拉索的直径D=90mm-160mm，螺旋线的直径d=0.8mm-2mm，缠绕间距S=6D-14D。

一种双螺旋线热挤聚乙烯半平行钢丝斜拉索的参数确定方法，在同一直径的斜拉索的外表面上同向缠绕不同直径和不同缠绕间距S的双螺旋线，做风洞试验，确定在抑风雨振的前提下气动阻力最小的螺旋线直径d与缠绕间距S为最佳参数组合，该最佳参数组合即为同一直径的斜拉索上缠绕的螺旋线直径d与缠绕间距S。

进一步的技术方案，所述风洞试验方法如下：

首先研究试验风速、降雨量、倾角、风向角的影响，找到斜拉索无螺旋线时振幅最大时的参数设置；

其次，以这些参数为基础，在同一直径的斜拉索上先后缠绕不同直径、不同间距的螺旋线，在相同的环境条件下，考察螺旋线的缠绕间距S、直径d对抑振效果的影响，找到能够抑振的不同参数组合；进而通过测力试验研究这些参数组合，也即螺旋线的缠绕间距S和直径d对气动阻力的影响，在满足抑振效果的前提下，选择斜拉索上的气动阻力最小时对应的螺旋线的参数组合，也就是气动阻力最小的参数组合；

应用相同的方法，针对不同直径的斜拉索，找出具有抑振效果和最佳气动阻力的螺旋线的参数组合。

进一步的技术方案，所述风洞试验在风实验室的大气边界层风洞中进行，模拟真实场景；该风洞为一串联双试验段回/直流边界层风洞，其低速试验段宽4.4米、高3米、长24米，最大风速超过30米/秒；高速试验段宽2.2米、高2米、长5米，最大风速超过80米/秒，流场性能良好；降雨设备采用专门定制的降雨模拟系统完成，该降雨模拟系统由能实现开环或闭环控制的控制系统、供水系统、喷淋系统组成，其中喷淋系统由处于不同空间位置的4组12个不同口径的喷头组成，通过控制系统调整压力，可以准确模拟从10mm/h到240mm/h的各级降雨强度的降雨，同时在雨滴谱特性方面与自然降雨保持一致，降雨强度的精度为2%，降雨范围为宽4m，顺风向长度4m。

进一步的技术方案，最大气动阻力的确定：

第一，根据基本风速V₁₀或者桥址处的设计风速V_s10，以及斜拉桥斜拉索的基准高度，确定基准高度Z处的风速V_z和静阵风风速V_g；

第二，根据静阵风风速V_g和年均温度、湿度、气压计算斜拉索的雷诺数，，>3，为空气动阻力粘性系数；

第三，根据斜拉索直径和具有抑振效果的螺旋线的参数，以及计算得到的雷诺数数值，确定雷诺数所在的区域；

第四，如果静阵风风速V_g对应的雷诺数处于亚临界区，通过试验获得斜拉索对应的阻力系数，并根据公式（1）计算静阵风风速V_g对应的气动阻力，将算得的气动阻力作为风速从低到V_g整个风速范围内的最大气动阻力；

(1)

式中：ρ—空气密度，单位kg/m3

V_g—静阵风风速

C_D—斜拉桥斜拉索的阻力系数

A_n—桥梁斜拉索顺风向投影面积m²；其直径乘以其投影高度

第五，如果静阵风风速V_g对应的雷诺数处于临界区，则阻力系数通过四次函数拟合公式(2)计算：

(2)

根据试验获得斜拉索对应的阻力系数和公式（2），分别确定亚临界、临界各雷诺数对应的C_D，绘制C_D随雷诺数的变化曲线，根据此曲线和公式（1），计算并绘制出气动阻力随风速从低到V_g的变化曲线，找到此曲线中的最大气动阻力，作为风速从低到V_g整个风速范围内的最大气动阻力；

第六，如果静阵风风速V_g对应的雷诺数处于超临界区，通过试验获得斜拉索对应的阻力系数和上述第五步分别确定亚临界、临界、超临界各雷诺数对应的C_D，绘制C_D随雷诺数的变化曲线，根据此曲线和公式（1），计算并绘制出气动阻力随风速从低到V_g的变化曲线，找到此曲线中的最大气动阻力，作为风速从低到V_g整个风速范围内的最大气动阻力；

以同一直径的斜拉索，重新选择能够抑制振动的螺旋线参数组合，重复上述第三至第五步，得到各组螺旋线参数下斜拉索的最大气动阻力，选择最大气动阻力数值最小的一组螺旋线参数组合，也即气动阻力最小时的螺旋线参数组合，作为最优化的螺旋线参数组合。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明在热挤PE半平行钢丝斜拉索外缠绕双螺旋线，使斜拉索具有良好的抑振效果和气动阻力特性而采取的一种气动措施，通过试验研究不同直径斜拉索上缠绕的螺旋线间距S、直径d对气动阻力的影响，使斜拉索在具有良好的抑振效果的前提下，达到气动阻力最小的参数组合。

附图说明

图1是本发明实施例的结构示意图；

图2是本发明横断面的结构示意图；

图中：1、斜拉索；2、螺旋线；3、PE包裹护套；4、钢丝防腐保护层；5、钢丝油脂保护层。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参见本发明附图1，在斜拉索1的外表面上缠绕双螺旋线，根据风洞试验确定螺旋线2的直径d、以及同一螺旋线的缠绕间距S，找出与不同直径的斜拉索缠绕双螺旋线时，在抑风雨振的前提下对气动阻力最小的参数值组合；其中，S为斜拉索直径D的倍数。

进一步的技术方案，所述双螺旋线同向螺旋缠绕如图1所示。图2是本发明的横断面图，斜拉索1为多股钢丝，每股钢丝外包裹钢丝油脂保护层5，芯外包裹钢丝防腐保护层4，最外层为热挤PE包裹护套3，螺旋线缠绕在PE包裹护套外。

为了研究不同直径斜拉索上缠绕的螺旋线的缠绕间距S、直径d对气动阻力的影响，进行了模拟真实场景的风洞试验。风洞试验是在风实验室的大气边界层风洞中进行的。该风洞为一串联双试验段回/直流边界层风洞。其低速试验段宽4.4米、高3米、长24米，最大风速超过30米/秒；高速试验段宽2.2米、高2米、长5米，最大风速超过80米/秒，流场性能良好。降雨设备采用专门定制的降雨模拟系统完成，该系统由可实现开环或闭环控制的控制系统、供水系统、喷淋系统组成，其中喷淋系统由处于不同空间位置的4组12个不同口径的喷头组成，通过控制系统调整压力，可以准确模拟从10mm/h到240mm/h的各级降雨强度的降雨，同时在雨滴谱等特性方面与自然降雨保持一致。降雨强度的精度为2%，降雨范围为宽4m，顺风向长度4m。

为了对比螺旋线的抑振结果，首先研究了试验风速、降雨量、倾角、风向角等因素的影响，找到了无螺旋线斜拉索振幅最大时的参数设置。以这些试验参数为基础，在斜拉索上先后缠绕不同直径、不同间距的螺旋线，考察了螺旋线间距S、直径d对抑振效果的影响，找到了具有良好抑振效果的参数组合。进而研究了螺旋线间距S、直径d对气动阻力的影响，在满足抑振效果的前提下，找到了气动阻力最小的参数组合。

本发明考虑了两个关键因素：第一，能够抑制风雨振；第二，在能够达到抑振效果的所有参数中，选择气动阻力最小的参数，也即风荷载最小时对应的参数，作为本发明的气动措施。

本发明原理：在特定的风雨环境下，斜拉索的表面会形成一条水线，水线的形成改变了斜拉索的圆形断面，使得带水线的斜拉索断面成为气动不稳定断面，从而导致振动的发生。缠绕螺旋线的目的就是为了防止形成连续的水线。

由于常用的斜拉索的直径为90mm至160mm，本发明以90mm、120mm、160mm为例对本发明作详细的描述。需要说明的是，本发明所列举的不同直径斜拉索对应的螺旋线直径d及缠绕间距S为最佳的参数组合，其他的参数组合也能够达到抑振效果，另外除本发明提及的常用的斜拉索外，对于本发明没有提及的斜拉索，也可以采用本发明所提供的试验方法，达到在满足抑振效果的前提下，获得气动阻力最小的参数组合。

实施例1

具体参数：对于常用的90mm直径的斜拉索，在缠绕双螺旋线的情况下，螺旋线直径为0.8mm的情况下能够抑制风雨振的最大缠绕间距为6倍斜拉索直径；螺旋线直径为1.2mm的情况下能够抑制风雨振的最大缠绕间距为8倍斜拉索直径；螺旋线直径为1.55mm的情况下能够抑制风雨振的最大缠绕间距为14倍斜拉索直径。

表1-1是能抑制斜拉索（直径90mm）振动的不同螺旋线参数组合表

需要强调的是只有在适当的参数组合下才能抑制风雨振的发生，不适当的参数组合不但不能抑制振动的发生，反而激发振动的发生。大量研究表明以螺旋线间距S、螺旋线直径d为参数，能够满足抑振效果的组合有很多种。在实际工程中选用哪种螺旋线参数作为抑振措施，必须考虑螺旋线参数对斜拉索气动阻力的影响，尽量使得斜拉索上的气动阻力达到最小。

研究表明，在同样的参数下，单独增大螺旋线的直径，同样具有抑振效果；单独减小缠绕间距，也同样具有抑振效果。例如，d=1.2mm，S=8D能抑振，d=1.55mm，S=8D也能抑振，d=1.2mm，S=6D也能抑振。

根据《公路桥梁抗风设计规范》规定，除主梁以外的桥梁构件上的风荷载一般仅考虑风作用方向上的阻力作用。按照规范规定方法计算缠绕不同参数螺旋线斜拉索上的气动阻力，选择使得气动阻力最小的螺旋线参数进行缠绕。

在气动阻力计算时，对于具有圆形断面的斜拉索，雷诺数效应是需要考虑的问题。在亚临界雷诺数区域，阻力系数基本不随着雷诺数的改变而改变；在临界雷诺数区，阻力系数随着雷诺数的增大而减小。对于同一个斜拉索和相同的空气条件，雷诺数与风速成正比，因此在临界雷诺数区域，阻力系数随着风速的增大而减小，由于气动阻力与风速的平方和阻力系数成正比，风速增大的同时阻力系数减小，使得最大风速对应的气动阻力，不一定是整个风速范围内的最大气动阻力。下面说明最大气动阻力的计算方法。

第一，根据基本风速V₁₀或者桥址处的设计风速V_s10，以及斜拉桥斜拉索的基准高度，确定基准高度Z处的风速V_z和静阵风风速V_g。

第二，根据静阵风风速V_g和年均温度、湿度、气压计算斜拉索的雷诺数，，>3，为空气动阻力粘性系数。

第三，根据斜拉索直径和螺旋线的参数，以及计算得到的雷诺数数值，通过表2-1，确定雷诺数所在的区域。

表2-1 缠绕不同参数螺旋线斜拉索(直径为90mm)的雷诺数分区（雷诺数单位：10⁴）

注：“/”为不具有抑振效果的参数组合

第四，如果静阵风风速V_g对应的雷诺数处于亚临界区，查表3-1获得斜拉索对应的阻力系数，并根据公式（1）计算静阵风风速V_g对应的气动阻力，将算得的气动阻力作为风速从低到V_g整个风速范围内的最大气动阻力。

表3-1 缠绕不同参数螺旋线斜拉索（直径为90mm）阻力系数统计表

注：“/”为不具有抑振效果的参数组合

(1)

式中：ρ—空气密度(kg/m³)

V_g—静阵风风速

C_D—斜拉桥斜拉索的阻力系数

A_n—桥梁斜拉索顺风向投影面积(m²)；其直径乘以其投影高度

第五，如果静阵风风速Vg对应的雷诺数处于临界区，则阻力系数通过四次函数拟合公式(2)计算，公式中的参数a、b、c、d、e可以通过查询表4-1得到。

(2)

表4-1 缠绕不同参数螺旋线斜拉索（直径为90mm）阻力系数计算参数表

根据表2-1、表3-1和公式（2），分别确定亚临界、临界各雷诺数对应的C_D，绘制C_D随雷诺数的变化曲线，根据此曲线和公式（1），计算并绘制出气动阻力随风速从低到V_g的变化曲线，找到此曲线中的最大气动阻力，作为风速从低到V_g整个风速范围内的最大气动阻力。

第六，如果静阵风风速V_g对应的雷诺数处于超临界区，通过表3-1和上述第五步分别确定亚临界、临界、超临界各雷诺数对应的C_D，绘制C_D随雷诺数的变化曲线，根据此曲线和公式（1），计算并绘制出气动阻力随风速从低到V_g的变化曲线，找到此曲线中的最大气动阻力，作为风速从低到V_g整个风速范围内的最大气动阻力。

重新选择能够抑制振动的其它螺旋线参数组合，重复上述第三至第五步，得到各组螺旋线参数下斜拉索的最大气动阻力，选择最大气动阻力数值最小的一组螺旋线参数，也即气动阻力最小时的螺旋线参数组合，作为最优化的螺旋线参数。

实施例2

对于常用的直径120mm的斜拉索，在缠绕双螺旋线的情况下，螺旋线直径为1.2mm的情况下能够抑制风雨振的最大缠绕间距为6倍斜拉索直径；螺旋线直径为1.6mm的情况下能够抑制风雨振的最大缠绕间距为12倍斜拉索直径；螺旋线直径为2.0mm的情况下能够抑制风雨振的最大缠绕间距为12倍斜拉索直径。

表1-2 能抑制斜拉索（直径120mm）振动的不同螺旋线参数组合表

研究表明，在同样的参数下，单独增大螺旋线的直径，同样具有抑振效果；单独减小缠绕间距，也同样具有抑振效果。例如表1，d=1.6mm，S=12D能抑振，d=2.0mm，S=12D也能抑振，d=1.6mm，S=6D也能抑振。

计算并选择气动阻力最小的螺旋线参数的过程参照实施例1，对应的表格见2-2、3-2、4-2。

表2-2 缠绕不同参数螺旋线斜拉索(直径为120mm)的雷诺数分区（雷诺数单位：10⁴）

表3-2 缠绕不同参数螺旋线斜拉索（直径为120mm）阻力系数统计表

表4-2 缠绕不同参数螺旋线斜拉索（直径为120mm）阻力系数计算参数表

实施例3

具体参数：对于常用的160mm直径的斜拉索，在缠绕双螺旋线的情况下，螺旋线直径为0.8mm的情况下能够抑制风雨振的最大缠绕间距为12倍斜拉索直径；螺旋线直径为1.2mm的情况下能够抑制风雨振的最大缠绕间距为14倍斜拉索直径。

表1-3 能抑制斜拉索（直径160mm）振动的不同螺旋线参数组合表

研究表明，在同样的参数下，单独增大螺旋线的直径，同样具有抑振效果；单独减小缠绕间距，也同样具有抑振效果。例如表1，d=0.8mm，S=12D能抑振，d=1.2mm，S=12D也能抑振，d=0.8mm，S=10D也能抑振。

计算并选择气动阻力最小的螺旋线参数的过程参照实施例1，对应的表格见2-3、3-3、4-3。

表2-3 缠绕不同参数螺旋线斜拉索(直径为160mm)的雷诺数分区（雷诺数单位：10⁴）

表3-3 缠绕不同参数螺旋线斜拉索（直径为160mm）阻力系数统计表

表4-3 缠绕不同参数螺旋线斜拉索（直径为160mm）阻力系数计算参数表

从以上的实施例试验数据对比可知，不同直径的斜拉索缠绕的螺旋线的直径d及缠绕间距S不完全相同，不同直径的斜拉索都能得到具有抑振效果、同时具有最小气动阻力的螺旋线参数，作为最优化的螺旋线参数，而选择除此之外的参数，也能够达到抑振的效果。

本发明与现有技术相比较，具有如下显著有点：

在斜拉索表面缠绕双螺旋线后，能够通过防止连续水线的形成，达到抑振风雨振的效果。缠绕选择的螺旋线参数为最优螺旋线后，与缠绕其它螺旋线的情况相比，斜拉索的气动阻力最小。