斜张钢缆抗风稳定性研究.docVIP

斜張鋼纜之風力效應研究 屏東監造工程處 工程師 蔡同宏 高雄辦事處 經 理 莊輝雄 摘 要 隨著大型斜張橋的逐步發展，斜張鋼纜的抗風穩定性問題已廣泛地引起設計者探討，其中，尤以渦流顫動、尾流馳振及風雨振動因受鋼纜設計趨勢的影響已成為研討的主要對象。然因鋼纜風力行為複雜，現階段數值分析方法仍無法完整地提供鋼纜振動的行為模式，故如何利用經驗法則或試驗方法得知鋼纜風力效應之相關訊息將是目前研究的重點。本文旨在歸納鋼纜抗風穩定性之判讀經驗法則，並爰以國道三號高屏溪河川橋斜張主橋之相關研究為例進行說明。 一、概述 配合國內重大交通工程的陸續推展，橋梁設計概念已逐漸由傳統的短跨徑、矮橋墩配置轉移至長跨徑、高橋墩的結構型式，其功能亦漸由單純地交通需求提升為兼顧運輸及景觀等多元化服務。為滿足多元化的設計需求，橋型的選擇必須具有創意，而斜張橋的配置則是所有橋梁型式中最具有變化空間的一環，因其主要構件鋼纜系統及橋塔型式常可依設計者的理念進行調整，如已建造完成之慈母橋、新東大橋及高屏溪斜張橋與正在建造中之貓羅溪斜張橋、集鹿大橋及大直斜張橋等。 基於斜張橋結構變異性大且特殊性高，造成其動力特性較複雜，且勁度相對偏低，故而風力的影響常成為設計的決定因素。斜張橋風力行為可分為空氣動力效應與空氣彈性現象兩部份，空氣彈性現象因受氣流界面互制行為的影響，數值分析判讀不易，現階段較常以風洞試驗之試驗結果作為抗風穩定性之判讀依據，惟鋼纜系統除外。鋼纜系統因受組成元件的影響，結構性質模擬不易，尤其是關鍵參數阻尼值，因此設計階段風洞試驗甚少進行鋼纜抗風穩定性的探討。 鋼纜抗風穩定性的探討時機及方式與風力現象的行為模式息息相關，針對現階段鋼纜之組成材料、斷面形狀及配置方式，一般較常被觀察到的現象有渦流顫動(Vortex Shedding)、尾流馳振(Wake Galloping) 及風雨振動(Rain-Storm Induced Vibration)等空氣動力行為。由於上述風力行為相當複雜，若欲以數值分析探討其行為模式幾乎是不可能，雖有部分學者經由鋼纜實體風洞試驗以探討其影響參數及範圍，惟考量試驗條件模擬不易，因此鋼纜風力現象仍主要以經驗法則配合鋼纜頻率與阻尼量測值進行研判，研判時機較常設定於施工期間與完工後。 本文目的主要在於介紹鋼纜抗風穩定性判讀之經驗法則及相關試驗，並佐以南二高燕巢九如段第C381標高屏溪河川橋斜張主橋相關研究成果，扼要闡述斜張鋼纜之風力效應。 二、鋼纜風力行為 近幾年來，為配合大型斜張橋的設計需求，鋼纜的配置、強度及防蝕措施有了相當程度的變革，長鋼纜設計、雙重鋼纜配置及聚乙稀外套管的保護措施已有逐漸增多的趨勢。根據已往鋼纜風力行為觀測記錄資料及後續相關研究報告顯示，長鋼纜易受氣流影響而產生渦流顫動，且振動主要以高振態為主；雙重鋼纜則可能發生尾流馳振之風力現象；高密度聚乙稀外套管易因雨水作用而改變空氣動力斷面形狀，進而造成風雨不穩定振動。對於風馳現象（Galloping）所造成的不穩定振動，受鋼纜斷面形狀的影響，相對應極限風速相當大，即發生的可能性相當低。 渦流顫動為鋼纜受到一交遞形成之渦流影響所形成之振動行為，其渦流來自於流場受鋼纜阻撓之界面效應，當風速持續增加至某一範圍時，渦流會於鋼纜後方周期性相互形成，並對鋼纜產生一周期性外力，進而引起鋼纜振動，如圖一所示。 鋼纜因渦流顫動所產生之振幅均相當小，但若渦流產生頻率與鋼纜振態頻率相近，鋼纜將因共振作用使振幅放大。渦流形成頻率與風速Ｕ及鋼纜外徑D可以Strouhal Number 之關係式表示如下 一般而言，在渦流顫動可能發生之雷諾數次臨界領域，鋼纜之Strouhal Number值約在0.18至0.2之間，將該值代入上式，即可計算發生渦流顫動之相對應風速。 風馳振動則來自於結構物橫風向振動速度與流場速度合成使得風攻角改變，進而引起上昇力變化，此變化將影響結構物位移，並再度改變風攻角，如此持續交互作用使得位移反應加劇。對於橫風向之風馳振動，其振動方向垂直於流向，振動頻率較其渦流顫動頻率低，但其相對應臨界風速較渦流顫動高。 風馳振動的發生與斷面形狀息息相關，一般而言，具有較大細長比之特殊斷面易產生風馳振動。具有圓形斷面之鋼纜理論上不產生該項振動，但若強風在鋼纜軸向有一分量，即風向與鋼纜並非垂直，則鋼纜亦可能產生風馳振動，其原因在於強風方向之氣動力斷面已漸趨為橢圓形。 尾流馳振為下風側鋼纜受上風側鋼纜後方流場尾流效應所造成之垂直向風馳振動現象，如圖二所示， 一般而言，若並列鋼纜的間距為其外徑的2～6倍時，且風向側角在0。至45。之間，則可能發生尾馳振動，其起振點約在無因次風速(U/fn×D , fn為第n振態之振動頻率) 為