减振装置在桥梁工程中的应用

减振装置在桥梁工程中的应用史家钧金平摘要：桥梁的整体及局部构件的振动问题，随着桥梁的轻型、大跨发展趋势而变得突出.在此扼要介绍了两个将减振装置应用于桥梁工程的实例——上海内环线高架路灯减振器和杭州钱江三桥拉索减振器的基本原理及应用情况.关键词：桥梁路灯；斜拉索；减振装置中图分类号：U442文献标识码：A文章编号：0253-374X(2000)02-0210-05ApplicationofVibrationReducerinBridgeEngineeringSHIJia-jun,JINPing(DepartmentofBridgeEngineering,TongjiUniversity,Shanghai200092,China)Abstract：Thevibrationproblemsofwholebridgestructureandlocalelementsbecomemoreseverewiththetendencythatbridgesbecomelighterandmoreslender.Thispaperpresentstwoapplicationexamplesofvibrationreducerinbridgeengineering,thelampvibrationabsorberinShanghaiInnerRingviaductandthecablehydraulicdamperinHangzhouQianjiangThirdBridgeinZhejiangprovince.Keywords：bridgelamp;stayedcable;vibrationabsorber随着人类文明的进步，人们对交通运输提出了越来越高的要求.在公路和铁路运输中起着重要作用的桥梁工程近年来取得了迅速的发展.随着设计理论的不断完善，新型建筑材料的不断出现以及施工技术的不断进步，桥梁日益向轻型大跨的方向发展.桥梁的这种发展趋势给桥梁工作者提出了一系列新的课题，桥梁的振动问题就是其中之一.桥梁结构在风及车辆等外界因素的作用下会产生不同机理的振动［1］.不可能也没有必要制止所有形式的桥梁振动的产生，但是对于危及桥梁结构安全、影响桥梁正常使用性能发挥的有害振动应该绝对避免或加以抑制.例如对于能使桥梁结构毁坏的颤振(美国的Tacoma悬索桥就是因颤振而被毁坏)就应该从结构设计上加以保证，避免这种振动的发生.另外一类如由风引起的桥梁的涡激共振、抖振、车辆引起的桥梁振动以及由于各种原因引起的斜拉桥的拉索振动、照明灯杆的振动等，这一类振动虽然不会直接引起结构的毁坏，但是由于经常发生，会引起结构的疲劳、行人或驾驶员心理上的不适、加速拉索防护层的损坏及缩短照明灯具的使用寿命等种种后果.对此，通常采用安装减振装置来抑制这些有害振动的水平，避免振动引起的不良后果的产生.本文简要介绍了将减振装置应用于桥梁工程的两个实例.1上海内环线高架道路路灯减振器1.1桥梁路灯减振器的研制背景根据有关方面反映，在很多工程实例中曾经发现桥上路灯由于振动过分激烈而损坏严重的情况.如南京长江大桥铁路桥引桥、安徽凤台斜拉桥、上海南浦大桥引桥等.上海内环线高架道路筹建过程中，对高架道路的路灯提出了应具有抗振性能的要求.这是进行桥梁路灯减振研究的直接原因.1.2路灯灯具振动的机制及减振对策引起路灯灯具振动的原因主要有两方面：一方面是由于桥梁振动引起的灯具振动，另一方面是风直接作用在灯杆、灯具上引起的振动.对于灯杆长度很短，灯杆本身刚度较大的如铁路桥梁的路灯，其振动主要由桥梁振动引起的.对于灯杆长度较长、灯杆本身刚度较小的如目前上海市内环线高架道路上所用的路灯其振动主要由风的作用引起.为了减小灯具的振动，延长灯具的使用寿命，目前采用的方法有两种.一种是隔振的方法［2］，基本原理是利用隔振元件将灯与传递振动的灯杆隔离以达到减小灯具振动的目的.这种方法对于振源的振动频率较高，引起灯具振动的振源振动又较难进行抑制的情况比较适合.国内南京长江大桥铁路桥引桥等几座铁路桥梁的路灯所用的钢丝绳隔振装置就是隔振方法的应用实例.对于内环线高架道路上所用的细长灯杆，其横向振动的频率较低，要用隔振的办法来达到减振的目的，在实施过程中具有实质性的困难.减小灯具振动的另一种方法就是采用振动控制的方法，即采用适当的措施来抑制灯杆的振动，从而达到减小灯具振动的目的.日本的横滨湾桥采用在灯杆的顶端部位的灯杆内放置钢球的方法来减少灯杆的振动.此外，国外也有在灯杆内悬挂沙袋、链条等办法来减少灯杆的振动，这些办法的实质是利用钢球、沙袋等在灯杆内与灯杆发生碰撞而消耗能量从而达到灯杆减振的目的.以上这些抑制灯杆振动的办法虽然都能起到一定的作用，但其减振效果都不理想.1.3可调质量阻尼器(tunedmassdampes，TMD)的基本原理TMD是属于上述第二种方法的范畴，即振动控制的方法.但是它比上述提到的仅在灯杆内装钢球或悬挂沙袋等措施有更好的减振效果.它的基本原理是在灯杆顶端安装一个具有一定质量的单自由度振动系统，调整该系统的自振频率，使其与灯杆(包括灯具)的第一阶自振频率比达到最优值(因为对于灯杆来说主要控制第一阶振动).这样当灯杆发生横向振动时，安装于灯杆顶端的TMD的质量块就产生与灯杆顶端同频率反相位的振动.TMD振动过程中质量块作用于灯杆的同频率反相位的力就能对灯杆的振动起到有效的抑制作用.1.4灯杆用TMD的设计灯杆用TMD的构造如图1所示.考虑到路灯外型的美观，整个TMD装在一个球形壳体内.TMD中的质量块是一个可以在二次曲面内摆动的钢球，钢球的恢复力由钢球的自重和二次曲面对钢球反力的合力提供.阻尼由二次曲面内具有一定粘滞系数的矿物油提供.TMD的自振频率可以通过改变二次曲面的曲率来调整.图1路灯减振器原理图Fig.1LampvibrationabsorberTMD的设计步骤：①先算出需要安装TMD的灯杆的第一阶自振频率；②根据一阶振动时灯杆的等效质量，确定TMD钢球的质量(钢球质量取灯杆等效质量的1%～3%)；③根据灯杆的一阶自振频率及钢球的直径设计TMD中二次曲面的坐标；④根据钢球质量与灯杆等效质量的比值，确定减振器的最佳阻尼比，通过试验的办法选择合适的阻尼介质.1.5TMD的减振效果为了对减振装置的减振效果进行定量分析，以内环线高架道路的灯杆、灯具为对象，设计了两组减振装置并对其实际减振效果进行实测比较.在此基础上选用了一种TMD的质量为3kg的装置作为小批量生产的依据.实际产品生产出来以后再次进行了测试比较.这次试验的主要目的是对用作TMD阻尼介质的油料种类及用量进行优化选择.图2为没有安装TMD时灯杆顶端的自由振动衰减曲线，振动衰减较慢，一阶振动时系统(包括灯杆、灯具)的阻尼比约为0.89%，纵坐标为加速度传感器输出的电压V.图3为安装TMD以后灯杆顶端的自由衰减曲线，振动衰减较快，一阶振动时系统的阻尼比约为6.48%.图2无减振器时灯杆振动衰减曲线Fig.2Decrementcurvewithoutvibrationabsorber图3有减振器时灯杆振动衰减曲线Fig.3Decrementcurvewithvibrationabsorber据此可以求得当灯杆在某一风速下发生一阶涡激共振时的减振效果为η=86%.其中：根据以上对实测资料的分析，可见TMD能有效地抑制灯杆顶端的横向振动.TMD减振效果可以从两方面直观地加以说明：一方面当灯杆受到某种突然的外力干扰(如重车驶过桥面、很强的阵风作用等)而使灯杆顶端发生较大的位移时，由于TMD的作用，可以使这种由初始条件引起的振动较快衰减掉.另一方面当灯杆在某一风速下发生涡激共振时TMD的作用增加系统的阻尼，因此可以使灯杆的共振振幅大大减小.2杭州钱江三桥斜拉索液压减振器2.1斜拉索的振动机理及减振对策作为斜拉桥一个组成部分的斜拉索，它既直接受环境气流的作用，同时也受到桥面和索塔对拉索产生的激励.在风的作用下斜拉索会产生涡激共振、尾流驰振、雨振等多种形式的振动.由桥面和索塔振动引起的对斜拉索的激励可以分解成垂直索长方向的激励和沿索长方向的激励，其中沿索长方向的激励尤其值得注意，当桥面或索塔的激励频率2倍于拉索的基频时，拉索会产生振幅很大的振动，称这种振动为参数振动.近年来人们对斜拉桥的拉索减振问题展开了研究，得出了不少拉索的减振措施，这些措施主要有：①气动控制法，这种方法是将原来表面光滑的斜拉索，做成表面带有螺旋凸纹、条形凸纹和V形凹纹等.这样做的目的是提高拉索的表面粗糙度，气流流过时使表面边界层成为湍流，防止涡激共振的产生.拉索表面的条纹还能防止下雨时拉索上缘迎风面水线的形成，从而防止雨振的产生.②改变拉索系统的动力特性，这种方法采用联接器将相互并列的两根索联接起来，防止处于下风向的索产生尾流驰振.或采用辅助索，将若干根斜拉索联接起来，因为被联接的斜拉索各自的振动频率不同，由辅助索的联接作用，使得各拉索在振动时互相牵制消耗拉索的振动能量，减少振动幅度.③安装阻尼装置，提高拉索的等效阻尼.这种方法是在拉索的适当部位安装阻尼器来增加拉索的广义等效阻尼.阻尼器又可分为橡胶阻尼器和液压阻尼器.橡胶阻尼器通常是由高耗能性能的橡胶材料制成，用这种材料制成的橡胶圈安装在拉索与索套之间，拉索振动时引起橡胶圈变形而耗能.橡胶阻尼器具有结构简单，易于安装等优点，但是受到其本身耗能机制的限制，其减振效果不是最理想.液压阻尼器具有阻尼系数易于调整，调整范围大等优点.2.2液压阻尼器的设计2.2.1液压阻尼器最优阻尼系数C的确定［3］2.2.1.1液压阻尼器阻尼系数C与拉索模态阻尼比ξi之间的关系图4模态阻尼比ξi与减振器阻尼系数C、减振器位置Xc、模态阶数i及拉索参数m,L,ωoi之间的关系曲线Fig.4RelationshipcurveofmodaldampingratioξitodampingfactorCofdamper,thedamperpositionXc,themodeorderiandthecableparametersm,L,ωoi图4是带液压阻尼器的拉索构造图.为了能有效抑制拉索振动，必须恰当选择液压阻尼器的阻尼系数C.当阻尼系数很小时，即C→0时，阻尼器不起作用，当阻尼系数很大，即C→∞时，在安装阻尼器的地方形成一个固定点，仅使索长由L变成(L-Xc)，也不能对拉索提供阻尼.通过对这两种极端情况的分析，很自然地会得出这样的结论：对于某一给定的拉索的某阶振动来说一定存在一个最优的阻尼系数C，它能使拉索该阶振动模态获得最大的阻尼比ξ，从而达到最佳的减振效果.事实上，通过对装有液压阻尼器的拉索进行特征值分析，可知拉索某阶振动模态阻尼比与拉索振动的阶数、阻尼器的阻尼系数、阻尼器的位置，以及拉索的长度、拉索单位长的质量和拉索的振动频率有关.文献［3］给出了ξi/(Xc/L)与C/(mLω01).i.(Xc/L)之间的关系曲线，如图4所示.图中：ξi为拉索第i阶振动的模态阻尼比；Xc为阻尼器离开拉索下端的距离；L为拉索的长度；C为阻尼器的阻尼系数；m为单位长索的质量；ω01为拉索第一阶振动的圆频率.从图中可以看出，当拉索的参数(包括阻尼器的位置)及振动阶数确定以后，ξi就只与阻尼系数C有关系.2.2.1.2阻尼器最优化阻尼系数C的确定对于每一根拉索，其索长L，单位索长的质量m，设计恒载索力T以及阻尼器的安装位置Xc都是已知的，由L,m及T可以求出有了以上这些值以后，就可以利用图5来确定阻尼器的阻尼系数C.由图4可知，当横坐标为0.1时，ξi/(Xc/L)取得最大值.如果希望拉索在作第一阶振动时获得最大的模态阻尼比，可将i=1代入横坐标的表达式，并令其等于0.1，即CXc/mLω01L=0.1，由此可得C=0.1mLω01L/Xc利用图5可以求得对应的拉索的第一阶模态阻尼比：ξ1=0.52Xc/L,对应的拉索的第二阶模态阻尼比为：ξ2=0.42Xc/L.同样可以求出拉索作更高阶振动时的模态阻尼比.通过对已建成的若干座斜拉桥的拉索进行观察和测试，发现拉索发生涡