Study on vortex-induced and self-excited vibrations of stay cables with surface modifications

• Project/Area Number: 24KF0218
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 外国
• Review Section: Basic Section 22020:Structure engineering and earthquake engineering-related
• Research Institution: Yokohama National University
• Principal Investigator: 勝地 弘 横浜国立大学, 大学院都市イノベーション研究院, 教授 (80303080)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): TRUSH ARSENII 横浜国立大学, 大学院都市イノベーション研究院, 外国人特別研究員
• Project Period (FY): 2024-11-15 – 2026-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000); Fiscal Year 2025: ¥300,000 (Direct Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2024: ¥700,000 (Direct Cost: ¥700,000)
• Keywords: 斜張橋ケーブル / 空力振動 / 表面加工ケーブル / らせん突起 / インデント加工 / 着雪

Outline of Research at the Start

本研究は、風や雨、雪の作用により斜張橋ケーブルでしばしば発生する有害な空力振動を対象として、その対策の１つである表面加工ケーブル（螺旋突起、インデント）および着雪による表面形状変化の影響を対象として、ケーブル模型を用いた室内風洞実験により、その振動特性の計測と流れ場の分析を行い、斜張橋ケーブルの空力振動メカニズムの把握と定量的な設計基準の確立を目指すものである。本研究によって安全性、耐久性のより高い斜張橋の実現が期待されるものである。

Outline of Annual Research Achievements

斜張橋のケーブルは、近年の長大斜張橋ではその長さが500m以上になるが、直径は10～15cm程度であることから非常に細長く、また、その両端でのみ橋桁と塔に固定されていることから、風や降雨、着雪による振動が起きやすい。これまでにも完成後の橋でたびたび大振幅の振動が発生し、構造損傷なども発生している。空力振動対策として、ダンパーによる減衰付加対策に加えて、ケーブルの表面に螺旋突起やインデント加工をする空気力学的対策が実用化されているが、設計基準において定量的な評価基準の確立には至っておらず、早急な対応が求められている。本研究では、斜張橋ケーブルの空力振動対策としての表面加工ケーブル（らせん突起、インデント）および着雪による表面形状変化の影響を対象として、ケーブル模型を用いた風洞実験により、その振動特性の計測と流れ場の分析を行い、斜張橋ケーブルの空力振動メカニズムの把握と定量的な設計基準の確立を目指すことを目的としている。
令和6年度は、既往研究調査、実験計画の立案を行うとともに、らせん突起、インデント加工、着雪を模擬した風洞実験ケーブル模型を3Dプリンターを用いて製作した。また、風洞実験としては、まず静的空気力を計測するためのシステムを構築し、インデント加工ケーブル、着雪ケーブルの計測を開始した。模型製作、風洞実験の進捗は概ね予定通りの進捗となっており、既往研究などと比較して、妥当な結果が得られている。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

令和6年度は、斜張橋ケーブルの空力振動に関する既往研究調査、実験計画の立案を行うとともに、計画に基づき風洞実験用の表面加工ケーブル模型を3Dプリンターを用いて製作した。ケーブル模型は、直径が約10cm、全体長さ1.5ｍ程度の円筒管とするが、3Dプリンターの制約から約20cmの円筒ブロックを製作し、それをつなぎ合わせることとした。表面加工はらせん突起、インデント加工、着雪状態の3種類とし、模型製作を行った。風洞実験については、まずインデント模型、着雪模型を用いた静的空気力計測を開始した。風洞実験では、レイノルズ数依存性も確認するために、風速30m/s、レイノルズ数20万程度までの計測を実施した。模型製作、風洞実験の進捗は概ね予定通りの進捗しており、計測結果も既往研究などと比較して妥当な結果が得られている。また、令和7年度に実施予定の流れの可視化PIV実験に使用する解析ソフトのバージョンアップを実施した。

Strategy for Future Research Activity

令和7年度は、引き続き、表面加工ケーブルの静的空気力計測を行い、次に振動試験による空力振動特性の検討、流れの可視化PIV試験に進む予定である。静的空気力計測試験からは、斜張橋ケーブルの基本的な風荷重特性と準定常理論に基づく空力安定性の検討を行う予定である。また、動的な振動試験では、風速（レイノルズ数）と振動振幅の関係、空力減衰の把握などを行い、表面加工ケーブルの基本的な動的空力安定性の検討を行う。PIV試験では、静的空気力特性、動的空力安定性の結果を踏まえ、その形成メカニズムを検討する予定である。これらの結果をまとめ、斜張橋ケーブルの空力振動メカニズムの把握と定量的な設計基準の確立を目指すこととする。