高橋墩長窄橋梁橫向振動分析與振動控制設(shè)計

周小芹

摘 要：近年來，隨著社會的不斷進步以及經(jīng)濟水平的迅猛提升，我國交通運輸行業(yè)獲得深化發(fā)展，各類型橋梁的大規(guī)模建設(shè)為人們的日常生產(chǎn)生活帶來極大便利，為充分順應(yīng)國家發(fā)展發(fā)展需求，鐵路交通運輸趨向于重載以及高速、車輛運營頻次等多元化方向發(fā)展，隨之而來的橋梁失穩(wěn)問題會對國家及人民生命財產(chǎn)安全造成直接的消極影響，嚴重時催生重大損失，為此，文章將針對高橋墩長窄橋梁橫向振動分析與振動控制設(shè)計進行簡要探討。

關(guān)鍵詞：橋梁；高橋墩；橫向振動；振動控制

1 橋梁應(yīng)用的重要意義

在交通設(shè)施建設(shè)中，橋梁可謂是其中的關(guān)鍵構(gòu)成部分，對于我國人民日常的生產(chǎn)生活以及國家經(jīng)濟建設(shè)而言起著十分重要的作用，為此，全球均針對橋梁設(shè)計建設(shè)提出相互較為嚴格的規(guī)定要求。近些年來，伴隨著科技水平的穩(wěn)步提高，人們就自身的生活質(zhì)量提出更高的實際需求，要求各類型交通設(shè)施需擁有較高的安全可靠性以及便捷使用性，可見，橋梁能夠?qū)崿F(xiàn)時間節(jié)約以及便利交通、安全順暢對于所在區(qū)域交通運輸?shù)膶嶋H效用之間存在有直接必然聯(lián)系，其中，保障橋梁順暢運行可謂是確保橋梁質(zhì)量的基礎(chǔ)性內(nèi)容，確保橋梁設(shè)施正常運行，使其能夠更好地服務(wù)于人們?nèi)粘５纳a(chǎn)生活。

現(xiàn)如今，我國橋梁建設(shè)技術(shù)水平顯著提升，獲取較大成就，已然能夠趕超世界先進水平，然而，在橋梁項目建設(shè)施工進程當中常常會暴露出各類型安全隱患問題，導致交通良性發(fā)展受到嚴重制約，譬如說高橋墩長窄橋梁橫向振動問題。具體來說，單線特路橋梁所擁有的相關(guān)特征為相對較窄且甚為狹長，具有較大剛度的同時對應(yīng)的跨度較小，伴隨著鐵路火車速度的不斷加快，鐵路線路從單線逐漸變更為復線，在增加橋梁寬度的同時導致橋梁跨度也在增加，能夠由幾十米至一兩百米，綜合分析鐵路這種交通設(shè)施的前幾階振型可知，其中橫向振幅占據(jù)相對較大的比重，就目前的情況而言，針對高橋墩長窄橋梁橫向振動展開有效的振動控制可謂是橋梁建設(shè)中需重點研究的問題，為此可運用TMD這種被動控制系統(tǒng)進行振動控制設(shè)計，該方法的應(yīng)用優(yōu)勢在于擁有良好的控制成效且不需配備電源設(shè)備、可實現(xiàn)便利維護、安裝制造簡單便捷。

2 基于被動控制系統(tǒng)TMD進行高橋墩長窄橋梁橫向振動控制設(shè)計

2.1 高橋墩長窄橋梁橫向振動力

直橋橫向振動通常是通過實際的橋梁施工所催生的誤差問題造成的，假設(shè)高橋墩長窄橋梁橫向線形方程為y=f（x），則列車所形成的橫向力可大寫字母F進行表示。

F（x）=f（x）*？棕2*m（x）；

F=■F（x）dx0

在上述公式中，m（x）表示的是火車在x位置處的質(zhì)量，火車針對橋梁的強迫振動頻率可用？棕進行表示，具體來說，？棕=2*PI*V/L，在該式中，L表示的是橋梁的長度，V表示的是火車速度，PI表示的是圓周率。

2.2 TMD設(shè)計

調(diào)頻質(zhì)量阻尼減震器可被稱作是TMD，其能夠作為是一種針對結(jié)構(gòu)振動實施有效抑制的裝置設(shè)施，其早期作用為針對相對較為穩(wěn)定的激勵頻率進行控制。該裝置的工作原理為基于主結(jié)構(gòu)進行包含有質(zhì)量塊以及阻尼器、彈簧的TMD裝置的合理安裝，經(jīng)過一系列的相關(guān)系數(shù)的優(yōu)化調(diào)整使得主結(jié)構(gòu)振動能量能夠?qū)崿F(xiàn)向TMD裝置的轉(zhuǎn)移，將主結(jié)構(gòu)的振動盡可能降低或者是消除，近些年來，在高層建筑以及大跨度橋梁振動控制中TMD技術(shù)獲得較為廣泛的合理運用。伴隨著我國鐵路列車速度的逐步加快，有些鐵路鋼梁橋所擁有的橫線剛度稍顯不足，導致我國鐵路運行遭遇瓶頸，為此需合理運用TMD被動控制系統(tǒng)。一般來說，橋梁能夠唄看作是多自由度振動系統(tǒng)，進行TMD的有效選擇時需將橋梁跨中縱梁橫向振動幅值作為是具體的減振控制目標，深入研究選擇恰當?shù)腡MD位置，以及阻尼比和質(zhì)量比、固有頻率比，使得橋梁跨中縱梁橫向振動幅值能更變得更小。

2.2.1 方程

剛度：K=Y1kY

廣義力：F（t）=YTf（t）

基于上述兩個公式可得，某個陣型的狀態(tài)方程是m1X"+CX'+KX=F（t），在這個公式中，X表示的是橫向位移，X'表示的是相對于時間t橫向位移對應(yīng)的一階導數(shù)，X"則表示的是相對于時間t橫向位移對應(yīng)的二階倒數(shù)。

在跨中進行一個有阻尼TMD的安裝之后，需認真分析整個系統(tǒng)，所得的狀態(tài)方程是

；針對TMD展開單獨分析可得狀態(tài)方程是

。

結(jié)合上述兩個方程進行求解可得，

2.2.2 分析參數(shù)

X/Xm為質(zhì)量比u，阻尼系數(shù)？灼、附屬系統(tǒng)跟主系統(tǒng)頻率比？啄、外荷載頻率跟主系統(tǒng)頻率比？酌四個相關(guān)參數(shù)的函數(shù)。第一，當u的取值為0.05且？啄的取值為1的視乎，雙自由度系統(tǒng)的吸振響應(yīng)圖顯示為雙波峰圖，進行設(shè)計的時候使得雙波峰值處于相等狀態(tài)，則

；第二，當？啄跟？酌的取值均為1時，當u小于0.1則其對X/Xm不存在有較大影響。

2.3 實例簡析

牛角平特大橋主橋為三跨392m（100m+192m+100m）連續(xù)剛構(gòu)鐵路橋，主梁寬11.20m，中間支座處梁的實際高度是13.5米，中跨跨中及邊支座梁的對應(yīng)高度是7.2米。橋梁總體質(zhì)量m=82061ton，抗側(cè)推剛度k1=1050tonf/m。第一振型表現(xiàn)為橫向振動，振動圓頻率0.760896弧度/秒，第一振型參與質(zhì)量63.36%，m1=51990ton。結(jié)合上述第一振型所擁有的相關(guān)特性特性，u的具體取值為1%，m2=520ton，k2=10.50tonf/m，c=9.05tonf/s。

通過分析可以知道，高橋墩長窄橋梁所擁有的橫向剛度相對較低，在實際的車輛運行進程當中特別是類似于鐵路列車這類型的振動較為規(guī)律的車輛，經(jīng)常會存在有在橫向振動之下喪失穩(wěn)定性的狀況，運用被動控制系統(tǒng)TMD針對橋梁橫向振動實施控制能夠取得良好成效，且經(jīng)濟節(jié)約；若是u值較小，則其不會對結(jié)構(gòu)反應(yīng)造成相對較為直接的影響。

3 結(jié)束語

綜上可以知道，作為交通事業(yè)的關(guān)鍵組成部分，橋梁設(shè)施占據(jù)著重要的應(yīng)用地位，高橋墩長窄橋梁若產(chǎn)生過大的橫向振幅，則會導致橋梁自身喪失可靠穩(wěn)定性，嚴重影響威脅交通安全運行，為此能夠運用TMD被動控制系統(tǒng)進行橋梁橫向振動有效抑制，TMD跟橋梁的質(zhì)量比及阻尼比、阻尼器固有頻率跟橋梁橫向固有頻率的比值可作為是關(guān)鍵參數(shù)，針對參數(shù)實施合理調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上盡可能減小橋梁橫向振動振幅，在節(jié)約經(jīng)濟同時獲得明顯且良好的應(yīng)用成效。

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