永磁調(diào)節(jié)式磁流變阻尼器在拉索減振中的應(yīng)用研究

龔 禹，伍劍峰，孟慶甲

（湖南科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，湘潭 411201）

永磁調(diào)節(jié)式磁流變阻尼器在拉索減振中的應(yīng)用研究

龔 禹，伍劍峰，孟慶甲

（湖南科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，湘潭 411201）

斜拉橋拉索易發(fā)生風(fēng)雨振動，在拉索上安裝磁流變阻尼器是一種有效的減振措施.基于洞庭湖大橋拉索減振系統(tǒng)升級改造工程，對永磁調(diào)節(jié)式磁流變阻尼器進(jìn)行了力學(xué)性能試驗，得到了該磁流變阻尼器在不同檔位、頻率和振幅工況下的滯回曲線，計算了不同檔位下的等效阻尼系數(shù)，評估了拉索安裝阻尼器后獲得的實際阻尼比.結(jié)果表明，安裝永磁調(diào)節(jié)式磁流變阻尼器后滿足拉索減振要求.永磁調(diào)節(jié)式磁流變阻尼器已成功應(yīng)用于岳陽洞庭湖大橋，解決了該橋嚴(yán)重的風(fēng)雨致振動問題.

風(fēng)雨振；減振系統(tǒng)；磁流變阻尼器；力學(xué)性能；阻尼比

0 前 言

斜拉索是斜拉橋的關(guān)鍵構(gòu)件，拉索具有很小的剛度、固有頻率和模態(tài)阻尼比，在外部激勵下易發(fā)生風(fēng)雨振現(xiàn)象［1］，國內(nèi)外學(xué)者越來越關(guān)注斜拉索風(fēng)雨振現(xiàn)象及其振動控制，對拉索減振方面進(jìn)行了許多研究［2］，提出了多種減振技術(shù)，其中最直接、最有效的拉索振動控制方法是增加拉索的阻尼，而目前增加拉索阻尼常用辦法是在拉索和橋面間安裝阻尼器，如磁流變阻尼器.磁流變阻尼器由高科技亞納米材料－磁流變體制造的一種智能裝置，可通過調(diào)節(jié)磁場強度，改變其阻尼特征，來實現(xiàn)控制阻尼力大小的輸出，獲得理想阻尼力來改變拉索的模態(tài)阻尼比，對于不同參數(shù)的拉索，采用同一型號阻尼器都能使每根拉索都達(dá)到最優(yōu)的減振效果［3］，2002年首次應(yīng)用RD－1005磁流變阻尼器于岳陽洞庭湖大橋拉索減振，有效地抑制了該橋強烈的風(fēng)雨振［4］.為了解決原有磁流變阻尼器需要供電的問題，陳政清等［5］設(shè)計制作了永磁調(diào)節(jié)式磁流變阻尼器；禹見達(dá)等［6－7］根據(jù)磁流變阻尼器力學(xué)性能的試驗結(jié)果，建立了非線性參數(shù)模型，很好地模擬了阻尼力的滯回特性；曹宏等［8］介紹了永磁調(diào)節(jié)裝配式磁流變阻尼器在長沙洪山大橋拉索減振的應(yīng)用情況；羅律［9］介紹了永磁調(diào)節(jié)式磁流變阻尼器在瀏陽河大橋的應(yīng)用情況，提出了永磁調(diào)節(jié)式磁流變阻尼器拉索減振方案.本文基于洞庭湖大橋拉索減振系統(tǒng)升級改造工程，對永磁調(diào)節(jié)式磁流變阻尼器進(jìn)行了力學(xué)性能試驗，得到了該磁流變阻尼器在不同檔位、頻率和振幅工況下的滯回曲線，計算了不同檔位下的等效阻尼系數(shù)，評估了拉索安裝阻尼器后獲得的實際阻尼比，論證了洞庭湖大橋應(yīng)用永磁調(diào)節(jié)式磁流變阻尼器進(jìn)行了拉索減振的可行性.

1 工程概況

湖南岳陽洞庭湖大橋是我國第一座三塔雙索面混凝土斜拉橋，處于洞庭湖與長江接口的特殊地理環(huán)境，風(fēng)力大，曾多次發(fā)生風(fēng)雨振，為了確保洞庭湖大橋的安全運營和拉索的使用壽命，于2002年對全橋中的156根拉索安裝了磁流變阻尼器拉索減振系統(tǒng)，見圖1，安裝完成后RD－1005型磁流變阻尼器工作狀態(tài)良好，有效解決了該大橋嚴(yán)重的風(fēng)雨振問題，但RD－1005型磁流變阻尼器拉索減振系統(tǒng)需要供電來獲得最優(yōu)減振效果，運行一定年限后，減振系統(tǒng)工作可靠性能已有所降低，供電系統(tǒng)也暴露出一些問題，RD－1005型磁流變阻尼器須配備低壓直流電源，長期紫外線照射使得線路老化，易造成供電系統(tǒng)短路，在風(fēng)雨來臨時可能無法為阻尼器供電，未供電的RD－1005磁流變阻尼器的阻尼力較小，只有在供電時阻尼器才能提供足夠的阻尼力抵御拉索風(fēng)雨振，但長期的供電也會使阻尼器溫度過高而產(chǎn)生損壞，因此只能在拉索可能發(fā)生風(fēng)雨振時才能給減振系統(tǒng)供電，但供電時間難以控制，拉索風(fēng)雨振一旦形成，將造成阻尼器超行程運行，從而將阻尼器產(chǎn)生破壞，維護(hù)工作量和難度加大，安全可靠性降低.

圖1 RD－1005型MRD拉索減振系統(tǒng)及單體磁流變阻尼器

基于系統(tǒng)運營中存在的問題，根據(jù)拉索減振技術(shù)的發(fā)展，為了進(jìn)一步提高磁流變拉索減振系統(tǒng)的可靠性和工程適用性，于2012年采用新型永磁調(diào)節(jié)裝配式磁流變阻尼器對洞庭湖大橋拉索減振系統(tǒng)進(jìn)行升級改造，具體技術(shù)方案為：采用永磁調(diào)節(jié)式磁流變阻尼器替換現(xiàn)有拉索減振系統(tǒng)的磁流變阻尼器，永磁調(diào)節(jié)式磁流變阻尼器尺寸與原阻尼器相當(dāng)，原系統(tǒng)的其他部件如卡環(huán)、立柱等可以利用.原未安裝減振器的60根拉索全部安裝永磁調(diào)節(jié)式磁流變阻尼器，為保持橋梁減振系統(tǒng)美觀協(xié)調(diào)，新安裝的減振系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式與原系統(tǒng)一致，即采用斜支撐，由兩塊鋼板焊接成丁字形，從上到下截面逐漸變大，每邊均采用曲線過渡，并進(jìn)行鍍鋅處理.

2 永磁調(diào)節(jié)式磁流變阻尼器力學(xué)性能

永磁調(diào)節(jié)裝配式磁流變阻尼器的工作原理為：當(dāng)往復(fù)外力通過活塞桿帶動阻尼器內(nèi)部活塞時，活塞兩端的磁流變液便會通過活塞與內(nèi)管間的節(jié)流孔之間往復(fù)流動，通過調(diào)整永久磁體可使節(jié)流孔內(nèi)的磁場強度增強或減弱，使阻尼器輸出的阻尼力隨之增大或減小，因此通過對永磁體的調(diào)節(jié)，便可方便、快捷地控制阻尼器阻尼力的大小.永磁調(diào)節(jié)裝配式磁流變阻尼器及內(nèi)部構(gòu)造如圖2所示.

圖2 永磁調(diào)節(jié)裝配式磁流變阻尼器及內(nèi)部構(gòu)造圖

試驗裝置及實驗件如圖3所示.試驗加載裝置采用MTS－810型伺服式疲勞試驗機，因拉索風(fēng)雨振發(fā)生的頻率通常會小于3.0Hz，試驗的激振頻率取1.0Hz、2.0Hz和3.0Hz，振動幅值分別取2.5mm、5.0mm 和7.5mm，檔位B 分別取0、1、2和3，選用正弦激勵x＝Asin（wt），其中，x為阻尼器活塞端位移；A為激勵振幅.

表1 阻尼器內(nèi)的磁感應(yīng)強度實測值

圖3 MTS－810伺服試驗機

試驗獲得的永磁調(diào)節(jié)式磁流變阻尼器在位移振幅2.5mm、頻率1.0Hz下，阻尼器的力與位移、速度滯回曲線分別如圖4所示.

圖4 不同檔位下得到的磁流變阻尼器滯回曲線（f＝1.0Hz，A＝2.5mm）

由圖4可知，滯回曲線都非常飽滿，這說明磁流變阻尼器有著極強的減振耗能作用；從阻尼力與位移的關(guān)系曲線可以看出在振幅、頻率一定，隨著檔位的增加，滯回曲線所包圍的面積也增加，阻尼器的耗能能力增強；磁流變阻尼器在0檔位時阻尼器出力為0.48kN，第3檔與0檔磁場下MR阻尼器的阻尼力之比為2.3，但阻尼器的最大阻尼力幅值并未達(dá)到飽和，可進(jìn)一步提高，故阻尼力可調(diào)倍數(shù)大于2.3；從阻尼力與速度的關(guān)系曲線可以看出，在屈服后區(qū)阻尼力與速度的關(guān)系基本上呈正比.

位移振幅2.5mm、檔位B＝2條件下，阻尼器的力與位移、速度滯回曲線如圖5所示.

圖5 不同頻率下得到的磁流變阻尼器滯回曲線（B＝3，A＝2.5mm）

位移振幅2.5mm、頻率1.0Hz條件下，阻尼器的力與位移、速度滯回曲線分別如圖6所示.

圖6 不同振幅下得到的磁流變阻尼器滯回曲線（B＝3，f＝1.0Hz）

從圖5、圖6在阻尼力與位移的關(guān)系曲線可以看出檔位一定的情況下，阻尼力都隨頻率和振幅的增加而增大；從阻尼力與速度的關(guān)系曲線可以看出，在屈服后區(qū)阻尼力隨速度的增加并未增長很多，基本保持不變.

永磁調(diào)節(jié)式磁流變阻尼器為非線性阻尼器，其等效粘性阻尼系數(shù)Ceq可采用下式評估：

式中W 為滯回圈面積，即阻尼器一個周期所消耗的能量；ω為振動頻率；A為振幅.

每根拉索安裝要求安裝了兩個大小很接近的阻尼器，且夾角為40°，根據(jù)永磁調(diào)節(jié)式磁流變阻尼器力學(xué)性能試驗得到1.0Hz、2.5mm工況阻尼力與位移滯回曲線，等效阻尼系數(shù)計算結(jié)果如表2所示.

表2 不同檔位下阻尼器等效阻尼系數(shù)

3 永磁式磁流變阻尼器的應(yīng)用

3.1 拉索振動控制所需的模態(tài)阻尼比

斜拉橋拉索常見的大幅振動包括參數(shù)振動和風(fēng)雨振.

為了避免拉索發(fā)生參數(shù)共振，研究表明，要求的拉索系統(tǒng)模態(tài)阻尼比為：

式中Smax為拉索振動引起的最大索力變化值（kN），S0為拉索初始索力（kN）.

而要保證拉索在風(fēng)雨氣候條件下不發(fā)生大幅振動，要求拉索系統(tǒng)模態(tài)阻尼比為：

式中St≥10，為Scruton數(shù)，ρ、d、m 分別為空氣密度、拉索直徑與每米質(zhì)量.

3.2 安裝阻尼器后拉索模態(tài)阻尼比評估方法

Pacheco（1993）［10］研究了考慮多階模態(tài)的阻尼器優(yōu)化設(shè)計問題，獲得的阻尼器統(tǒng)一設(shè)計曲線如圖7所示.

圖7 Pacheco阻尼器統(tǒng)一設(shè)計曲線

由圖7可知，安裝阻尼器后拉索減振的優(yōu)化阻尼系數(shù)為Copt＝0.10mLω01／（ixc／L），在該阻尼系數(shù)下拉索可獲得的最大模態(tài)阻尼比為ξimax＝0.52（xc／L）（式中xc為阻尼器安裝處距下錨固端的距離，L為拉索長度）.同樣，當(dāng)已知阻尼器等效粘性阻尼系數(shù)時，可以通過上圖得到拉索的模態(tài)阻尼比.

3.3 洞庭湖大橋拉索減振應(yīng)用

選取了洞庭湖大橋邊塔斜拉索中的2根較長的拉索，表3給出了洞庭湖大橋邊塔斜拉索基本參數(shù).

表3 洞庭湖大橋邊塔斜拉索基本參數(shù)

根據(jù)基本參數(shù)和計算理論，可得到洞庭湖大橋拉索減振系統(tǒng)升級改造后拉索獲得的一階、二階、三階模態(tài)阻尼比，計算結(jié)果如表4、表5所示.

表4 B15索在不同檔位下的前三階模態(tài)阻尼比

對于B15索，安裝永磁調(diào)節(jié)式磁流變阻尼器后，相應(yīng)的模態(tài)阻尼比分別從0.095%、0.071%、0.058%增加到0.64%、0.66%、0.63%.

表5 B16索在不同檔位下的前三階模態(tài)阻尼比

對于B16索，安裝永磁調(diào)節(jié)式磁流變阻尼器后，相應(yīng)的模態(tài)阻尼比分別從0.063%、0.088%、0.077%增加到0.53%、0.61%、0.60%.

對照表4、表5可知，洞庭湖拉索減振系統(tǒng)升級改造采用的永磁調(diào)節(jié)式磁流變阻尼器拉索減振系統(tǒng)預(yù)期的阻尼比滿足減振要求.2012年用于洞庭湖大橋永磁調(diào)節(jié)式磁流變阻尼器安裝完成后，見圖8，已運行1年有余，無明顯風(fēng)雨振現(xiàn)象發(fā)生，表現(xiàn)出優(yōu)良的減振效果.

圖8 洞庭湖大橋拉索減振系統(tǒng)

4 結(jié) 論

通過永磁調(diào)節(jié)式磁流變阻尼器試驗與分析，獲得以下主要結(jié)論：

（1）獲得了永磁調(diào)節(jié)式磁流變阻尼器的力學(xué)性能力與位移、速度滯回曲線，得到了不同檔位的的等效阻尼系數(shù)；

（2）評估了B15、B16兩根拉索安裝磁流變阻尼器后獲得阻尼比，安裝磁流變阻尼器后拉索前3階模態(tài)阻尼比提高了5倍以上，證明了磁流變阻尼器是拉索減振的可行的、有效的手段；

（3）建立了洞庭湖大橋永磁調(diào)節(jié)式磁流變阻尼器拉索減振系統(tǒng)，已運行1年，具有優(yōu)良的減振效果.

［1］Hikami，Y and Shiraishi，N.Rain－wind Induced Vibrations of Cables in Cable－stayed Bridges［J］.Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics，1988，29：409－418.

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Application Permanent Magnetism Adjustable Magnetorheological Damper to Cable Vibration

GONG Yu，WU Jian－feng，MENG Qing－jia
（School of Civil Engineering，Hunan University of Science and Technology，Xiangtan 411201，China）

Wind－rain vibration of stay－cables is easy to occur.The magnetorheological damper installed on the cable is a kind of effective vibration reduction measures.Based on Dongting Lake Bridge cable vibration reduction system upgrade project，permanent magnet adjustable magnetorheological damper for the mechanical properties test have been carried out with MTS－810servo test machine.of the magnetorheological damper in different gear，frequency and amplitude is achieved；The hysteresis curve the equivalent damping coefficient under different gear is calculated；and the cable actual damping ratio after installation of dampers is evaluated.The result shows that the installation of the permanent magnet adjustable magnetorheological damper satisfies the requirement of vibration reduction.The permanent magnet adjustable magnetorheological dampers have been successfully applied to Yueyang Dongting Lake Bridge，solving the bridge vibration problem caused by severe wind and rain.

wind and rain vibration；vibration isolation system；magnetorheological damper；mechanical property；damping ratio

U441.3

A

1671－119X（2014）02－0077－05

2014－01－12

龔 禹（1986－），男，碩士研究生，研究方向：橋梁振動控制.