1. 引言
斜拉桥由主梁、斜拉索以及支承缆索的索塔等部分组成。它是将桥面用许多拉索直接拉在桥塔上的一种桥梁，是由承压的塔、受拉的索和承弯的梁体组合起来的一种结构体系。作为一种拉索体系，斜拉桥比梁式桥的跨越能力更大，是大跨度桥梁的最主要桥型。近年来，随着我国大跨度斜拉桥的增多，跨径的增大使结构刚度急剧下降，在大跨斜拉桥的抗风问题上，采用空间索面和流线型断面主梁的方法已经可以解决主梁的颤振稳定性问题，而斜拉索风致振动及控制是至今尚未彻底解决的主要问题之一。
随着当前世界形势的不断复杂变化以及我国国民经济的高速健康发展，大跨径斜拉桥不断增加，其中斜拉索承受的风荷载比重不断增大，甚至会超过主梁。苏通长江公路大桥就是一个很好的例子，它的拉索最长达580 m，总共有272根，在风荷载作用下，斜拉索所产生的风荷载对于主梁位移及内力的贡献占整个风荷载的60%~70%，梁约占30%，塔约占5%~10%。拉索的振动对拉索本身带来严重的危害。主要表现有：(1) 由于拉索并非理想的柔性体，有一定的抗弯曲能力，在支点的接合处拉索承受周期性变化的拉弯应力，引起拉索本身的疲劳，严重的会造成拉索完全拉断。(2) 拉索的振动会破坏拉索的防腐系统，严重影响拉索的使用寿命，造成人的不舒适和不安全感。为了保证大跨径斜拉桥的稳定和可靠，风荷载的准确估算是至关重要的，它不仅关系着桥梁的安全性，还会对其经济效益产生深远的影响。
风致振动现象的频繁发生可能会引起拉索防腐系统损坏和疲劳断裂[1]。委内瑞拉的Maracaibo桥有超500根钢丝发生过损坏；此外，中国国内的济南黄河大桥和广州海印大桥也曾经进行拉索的维护；南京长江二桥因为发生了强烈的风雨激振，振幅超过50 cm，最终导致拉索油阻尼器遭到了破坏，从而导致拉索的寿命缩短。因此在大跨度斜拉桥设计中，风致振动控制变得尤其重要[2]。
2. 斜拉桥拉索的风致振动及研究现状
1759年，Smeaton就提出风荷载在结构设计过程中很重要，随后，很多学者一直致力于研究风与结构之间的相互作用机理以及结构的风致响应[3]。但是，由于缺乏对结构风振机理足够的科学认识，在当时只是简单的将风荷载等效为静荷载，从而忽略了风荷载对结构的动力作用。
20世纪30年代，空气动力学首先在航空航天领域发展起来并取得了不少重要成果。1925年，Wagner [4]提出了特征升力函数这一概念，首次定义了随时间变化的非定常气动力。1935年，Theodorson [5]利用位势原理推导出了轻薄机翼处于非压缩流中的非定常气动力表达式，该颤振理论在1936年进一步被Kussner [6]证实，并由此奠定了关于理想平板非定常气动力的理论基础。1938年，Garrick [7]通过Fourier变换技术实现了上述理论中的有关函数之间的转换。桥梁风致振动的早期研究在很大程度上是借助于航空工程及机翼空气动力学的势流理论。但是，由于桥梁断面的非流线形特点，使研究者逐渐认识到不能简单地照搬势流理论的解，而必须理论与试验相结合，建立作用于复杂钝体断面上的空气作用力模型[8]。
1966年，Sakata [9]在国际会议上首次发表了通过实测数据计算桥梁气动导数的研究成果。Ito和Tanaka [10]发表了利用实测数据计算的气动导数分析桥梁断面稳定性的成研究果。至此，空气动力学的发展已逐步从航空航天领域发展到桥梁结构中，并渐渐走向成熟。
随后，桥梁结构的抗风理论研究重心逐步转到风致抖振上来。Structon认为引起结构抖振的原因主要是因为结构自身尾流的作用[11] [12]。许多风工程专家对水平脉动风功率谱进行了研究，得到了不同形式的风速表达式，建立了许多分析模型，提出了许多分析方法。Davenport [13]-[16]首先提出了准定常抖振理论，该理论实际上是将结构看成是处于紊流中的刚体，即不考虑结构自身的微振动对周围风场的影响。随后，他又提出用Sears函数修正该准定常模型来考虑紊流的非定常特性，使得抖振理论更接近实际情况，但对自激力考虑比较简单。1977年，Scanlan [17]认为大气紊流与结构的相互耦合作用是不可忽视的，因此他对Davenport的抖振分析方法进行了修正，全面考虑了自激力的共同作用，同时计入了气动耦合效应，使得抖振力的计算更加切合实际，但偏保守地忽略了气动导纳的影响。
20世纪90年代，随着大跨度桥梁风致振动研究的深入，不少学者渐渐的意识到现有的风振理论均为线性理论。对于可能发生大变形的需要考虑结构非线性特性的柔性结构的风致振动分析，这些理论不再适用。抖振时域分析方法的提出使得大跨度桥梁的抖振响应研究逐渐从频域转变到时域[18] [19]。基于线性假定的模态分解法在考虑结构非线性影响及多振型参与的选择时存在不足。Scanlan抖振力模型为一种时域表达形式，因此，有可能结合结构的有限元模型，利用直接积分法对桥梁结构的抖振响应进行非线性时程分析。刘春华等在引用Scanlan抖振力模型的基础上，首先在频域内对桥梁结构进行了耦合抖振响应的谱分析[20]，进而在时域内进行了抖振响应的非线性时程分析[21]。在Scanlan和Lin对自激气动力完成时域化表达后，在时域内对桥梁结构进行颤抖振响应的非线性统一时程分析成为可能。
3. 斜拉桥拉索的风雨激振
拉索受到风雨共同作用的影响，产生了大幅振动，这种现象对建筑物的安全性有着极高的威胁，因此，它不仅仅是当今拉索技术的挑战，更是当今建筑行业的焦点课题。在干燥的气候条件下拉索是稳定的，而在风和雨共同作用下，由于雨线的出现，使拉索变的不再稳定。风雨激振，是指在风、雨共同作用下的拉索大幅振动现象，简称为雨振或风雨振，是固体(拉索)、气体(风)和液体(雨)相互作用的结果。它是目前所有拉索风致振动中最强烈的一种，已在世界许多斜拉桥上都观察到了这种现象。
3.1. 研究历史
除了1985年日本学者Hikami & Shiraishi在名港西桥最先观测到风雨振现象，随后他们通过一系列的人工降雨风洞实验再现了这一现象。
顾明等通过风洞试验，模拟了降雨状态下拉索风雨激振的现象，探讨了风速、拉索倾角、风向角、拉索模型频率和结构阻尼等基本参数对拉索风雨激振的影响，认为上水线在拉索表面的周向振荡是拉索发生风雨激振的重要条件。拉索倾角、来流风速、来流方向、来流紊流度、拉索振动频率等因素都会对其形成机理造成影响。随着进一步的探索，学者们逐渐认识到水线形成和运动、拉索的空间绕流问题，是揭示风雨激振发生机制的重要问题。
目前，对于斜拉桥体系的抗风雨研究还处于初期发展阶段，李宏男等[22]对大跨度斜拉桥横桥向进行风雨共同作用下反应特性研究，发现考虑雨荷载的影响后，主梁和索塔加速度值、位移值和剪力值均有不同程度的提高。同济大学赵林等[23]通过在风雨耦合环境下对结构体系进行分析和试验研究，发现降雨会影响模型的定常气动力，但并未得到降雨对主梁风致作用的影响。顾明等[24]通过试验研究了风雨共同作用下平板模型的气动导数，研究表明，桥梁结构在风雨共同作用下和风单独作用下的气动导数有一定差异，对桥梁的风致作用影响较大。欧进萍等[25]进行了某大跨度悬索桥风雨共同作用下加劲梁的抖振作用分析，发现了强风雨作用下雨滴的冲击力也会对加劲梁产生较显著的影响。李永乐等[26]认为在“毛毛雨”作用下拉索易发生风雨振，而过大雨量则会抑制其效应。Blocken等[27]观测了垂直向雨强、水平向雨强、风速、风向等参数，并研究了各参数之间的相互关系。目前针对雨荷载对桥梁作用的研究较少，基于此，笔者利用文献[28]提出的雨荷载计算方法，通过风单独作用及风雨共同作用来说明风雨荷载对大跨度斜拉桥纵桥向的影响。结果表明，考虑雨荷载影响后，斜拉桥主梁竖桥向加速度、位移，梁端纵桥向加速度和索塔塔顶加速度均有不同程度的增加，结果可供研究及工程应用参考。
索结构的存在极大地提升了主体建筑的安全性与可靠性，它们不仅能够抵抗气动载荷的影响，而且还能够提供抗风振的能力。随着斜拉桥跨度不断增大，各种因素引起的拉索振动而导致交通中断的事故频频发生。己有的分析结果表明，风致振动分析的重点仍然是桥梁的主梁，但关于对裹冰斜拉索所受到的脉动风荷载及其响应研究的很少。另外，随着斜拉索的加粗、增长，风荷载的影响越来越显著。特别是在寒冷、空气湿度较大的环境中，当气温急剧下降或者骤降雨雪时，斜拉索表面会出现裹冰现象。裹冰增加了索的自重，尤其增加了索的挠度和变形以及其非线性程度。随着覆盖层厚度的增加，斜拉索的迎风面积也随之增大，从而导致其承载的风荷载也越来越大，使得裹冰斜拉索将出现更为强烈的横向振动。因此，作用在裹冰斜拉索上的风荷载应该受到更多重视。
3.2. 研究内容与方法
索结构的风雨振是一种气、液、固三相耦合的复杂运动形式。索结构风雨振过程中表面形成的水线质量、形状及其位置都是不确定的。水线由于索的振动在索表面产生环向振荡，在振荡过程中水线形状和质量的变化，反过来又直接影响索周围风压，进而改变索的振动。目前国际上主要采用现场实测、风洞试验和理论分析等方法对这一问题进行研究。人们早期对斜拉索雨振缺乏足够的认识，现场实测是斜拉索雨振研究的重要手段。通过现场实测可较全面地了解雨振的特点，为风洞试验及理论分析积累资料并提供验证。基于人们对斜拉索雨振特点的初步认识，国内外很多学者采用节段模型在风洞中成功地重现了雨振现象。在斜拉索雨振概念提出后的10余年时间里，限于现场实测及风洞试验成果有限，斜拉索雨振理论研究工作进展较慢。随着斜拉桥发生雨振的报道增多，且第10届国际风工程会议将雨振列为四大研究热点之一，21世纪后人们对斜拉索雨振机理的认识得到了很大发展，各国学者纷纷提出了各自的理论分析模型。
3.3. 研究成果
国内外学者已经对风雨激振的机理进行了大量的研究，根据影响风雨激振的主要因素，可将其分为三类：
(1) 单自由度驰振理论
该观点认为主要是因为上水线的形成导致拉索形成了驰振气动外形，风雨激振的发生类似于裹冰电线的驰振，在特殊横截面形状的细长结构物上出现，是一种典型的单自由度气动不稳定现象。
(2) 拉索水线耦合气动失稳理论
该理论认为应考虑拉索和水线的耦合作用，即斜拉索和上水线在运动及气动力的耦合。由于不同的水线运动方程处理方法，以及不同的拉索模型简化，此理论又可以分成刚体拉索已知水线运动的气动失稳理论、刚体拉索与水线耦合的气动失稳理论、三维弹性连续体拉索雨振理论模型。
(3) Matsumoto轴向流理论
Matsumoto对带人工上水线的圆柱进行了测振和测压实验。研究了紊流度、上水线位置、风速、风攻角等参数对该模型气动性能的影响，并测得强迫振动时带人工水线拉索表面压力分布。提出了上水线在某些位置可剧烈改变拉索的气动性能。其中轴向流与上水线是最重要的因素。
4. 斜拉桥风雨激振的控制
桥梁结构对风的反应非常复杂，除了受到风力的影响，桥梁结构的动态特性也变得越来越复杂，此外，风力和桥梁结构之间还会产生相互作用。近年来，随着桥梁结构越来越大。越来越轻柔、越来越低阻尼，越来越多的桥梁结构和构件都需要认真考虑由风引起的振动问题[29]。在设计阶段就应研究由风引起振动的可能性，并有必要通过事前研究确定各种相应对策。但是抗风设计在结构设计中的应用可能会有所限制，在结构施工过程中和建成之后，仍然可能会出现风致振动问题，因此，必须要在受到多种条件限制的情况下，采取有效的措施来解决这些问题。
目前控制拉索风雨激振的措施主要有：空气动力学措施、结构措施和机械阻尼措施。
(1) 结构措施，是随着结构的总刚度的增加，从而改变结构动力特性，提高桥梁静、动力稳定性的措施。目前，辅助索技术是最常见的结构措施，它可以通过将拉索组合在一起，形成一个完整的索网。然而，此类技术的不足之处在于：它会损害索面的美观，辅助索的设计过于繁琐，而且安装也比较费力。
(2) 空气动力学措施，可以改善桥梁结构的气流特性从而使激振外力的输入减小。具体来说是根据实际情况，调整空气动力稳定性好的断面或在桥梁的梁、塔等结构元素的断面形状。当无法完全满足抗风要求时，可采取一系列技术手段，通常采用附加某些装置的方法来减小桥梁结构的风致振动反应。比如通过在PE护套的外壳上形成一系列的纵向肋条，并以螺旋状的方式缠结，再经过一些凹槽的处理，可以有效地起到抑制风雨激振的作用。
(3) 机械阻尼措施，可以显著降低桥梁结构整体或部分构件的振动输出。以上两种措施不能完全分离，尤其给予具有强烈自激特性的结构，它们的相互影响会变得更加密切。在实际应用中气动措施往往无法完全解决风致振动问题，需要采用机械措施。拉索之所以容易受到风力的影响，主要是因为它的固有阻尼较低，因此，增加拉索的阻尼是最佳选择。研究表明，随着索长的增加，拉索的横向振动会减弱，但影响美观性。然而，要想使拉索结构具有足够的阻尼性，就必须使用高性能的阻尼材料，因此，在拉索与桥面之间安装阻尼器已成为当前最受欢迎的机械阻尼措施[30]。
5. 结语
风雨激振在斜拉桥拉索的振动中产生的危害最大。因此，风雨激振将成为今后拉索风致振动的研究中的研究重点。其中搞清雨线的形状、位置和拉索本身及风场主要参数之间的关系是拉索风雨激振的关键，以进一步明确其机理。在明确机理的基础上，可通过在拉索模型上设置人工雨线的方法，并模拟结构、雨线、风场之间的耦合关系，定量研究定常或非定常气动力，建立分析方法。且从发展趋势来看，今后理论分析会成为风雨激振研究的重要手段之一。