斜拉索振動(dòng)控制研究

李書慶

南陽理工學(xué)院土木工程學(xué)院（473000）

斜拉索振動(dòng)控制研究

李書慶

南陽理工學(xué)院土木工程學(xué)院（473000）

隨著斜拉橋的跨徑越來越大，如何抑制斜拉索的振動(dòng)引起了國內(nèi)外學(xué)者越來越多的關(guān)注。這里探討了控制斜拉索振動(dòng)的三種措施：空氣動(dòng)力學(xué)措施、結(jié)構(gòu)措施與機(jī)械阻尼措施，并介紹了機(jī)械阻尼器系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理。

振動(dòng)；控制；措施；原理

斜拉索是斜拉橋的關(guān)鍵構(gòu)件,考慮到斜拉索的柔性、相對(duì)較小的質(zhì)量及較低的阻尼，在風(fēng)雨共同作用及車輛荷載作用下極易發(fā)生振動(dòng)。斜拉索振動(dòng)可分為兩大類:風(fēng)致振動(dòng)和非風(fēng)致振動(dòng)。風(fēng)致振動(dòng)包括渦激振動(dòng)、尾流馳振、馳振、風(fēng)雨激振等，非風(fēng)致振動(dòng)主要指參數(shù)振動(dòng)和內(nèi)共振(支座激振)。斜拉索的大幅振動(dòng)容易引起錨固端疲勞，損壞斜拉索端部的腐蝕保護(hù)系統(tǒng)，縮短斜拉索的使用壽命，嚴(yán)重時(shí)要封閉交通。斜拉索振動(dòng)已成為大跨徑斜拉橋亟待解決的關(guān)鍵問題之一，目前控制斜拉索振動(dòng)有三種措施:空氣動(dòng)力學(xué)措施、結(jié)構(gòu)措施與機(jī)械阻尼措施。

1 空氣動(dòng)力學(xué)措施

空氣動(dòng)力學(xué)措施通過改變斜拉索的剖面形狀，從而破壞斜拉索上水線的生成或改變拉索的氣動(dòng)外形，達(dá)到對(duì)渦激共振、風(fēng)雨激振等不同振動(dòng)形式的減振作用。采用空氣動(dòng)力學(xué)減振措施后不會(huì)引起斜拉索其他形式的不穩(wěn)定振動(dòng)。空氣動(dòng)力學(xué)減振措施主要包括以下幾種方法:

1）多邊形剖面的斜拉索。多邊形剖面可以控制水線在斜拉索表面的位置，防止水線在能引起斜拉索不穩(wěn)定振動(dòng)位置的形成，能有效抑制斜拉索的風(fēng)雨激振現(xiàn)象。

2）縱向肋條(表面開設(shè)凹槽)。縱向肋條由斜拉索表面沿軸向開設(shè)凹槽形成。這種剖面形式能夠?qū)⒂晁诎疾壑醒匦崩鬏S向流動(dòng)，不會(huì)因雨水積聚形成水線，從而避免風(fēng)雨激振現(xiàn)象的發(fā)生。這種斜拉索表面處理一要考慮美觀；二要考慮在凹槽的拐

角處不能產(chǎn)生大的應(yīng)力集中，以免縮短保護(hù)層的壽命；三要防止出現(xiàn)其他形式的氣動(dòng)不穩(wěn)定及增大阻力系數(shù)。

3）螺旋線。螺旋線即在斜拉索表面沿軸向螺旋纏繞帶狀物，這是一種傳統(tǒng)的建筑物抗風(fēng)振措施。螺旋線主要用于減小渦激振動(dòng)，破壞或減小脫落旋渦的相關(guān)性。螺旋線可以破壞水線，減弱斜拉索風(fēng)雨激振。

4）表面凹坑[1]。表面凹坑即在斜拉索表面按照一定的排列方式和覆蓋率，通過在斜拉索表面壓設(shè)一定形狀和大小的凹孔，破壞水線的形成，抑制風(fēng)雨激振。

5）在斜拉索表面每隔一定角度安裝一根與軸向平行的細(xì)桿。使得水線在多個(gè)確定位置形成。上水線被限制不能圓周向移動(dòng)，抑制風(fēng)雨激振現(xiàn)象的發(fā)生。這與軸向開設(shè)凹槽的減振機(jī)理相似，但斜拉索阻力系數(shù)將增大，不適宜很長(zhǎng)的拉索。

空氣動(dòng)力學(xué)減振措施維修、保養(yǎng)簡(jiǎn)便，費(fèi)用較低。但是，不妥當(dāng)?shù)目諝鈩?dòng)措施會(huì)增加索的阻力系數(shù)，從而增加作用于索的風(fēng)荷載。

2 結(jié)構(gòu)措施[2]

結(jié)構(gòu)措施主要是輔助索方法。輔助索是指在斜拉索之間用高強(qiáng)度鋼繩連接而形成一個(gè)索網(wǎng)體系，其作用是減小斜拉索的自由長(zhǎng)度，提高斜拉索的固有頻率和整個(gè)索面的剛度，使斜拉索之間產(chǎn)生耦合作用，形成有干擾效應(yīng)的索網(wǎng)結(jié)構(gòu)。也可用高阻尼材料做輔助索，以提高系統(tǒng)阻尼，達(dá)到抑制斜拉索風(fēng)雨激振、參數(shù)共振等振動(dòng)的目的。

然而輔助索方法在實(shí)際工程中的應(yīng)用并不是很普遍。首先，輔助索與斜拉索所形成的索網(wǎng)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，其減振作用和機(jī)理仍沒有確切定論，因此沒有比較完善的設(shè)計(jì)方法。設(shè)計(jì)、施工中只能依照工程經(jīng)驗(yàn)，發(fā)生了不少輔助索在使用不久后即發(fā)生損壞的事故；其次，輔助索破壞了原有斜拉索系統(tǒng)獨(dú)有的美觀效果。

3 機(jī)械阻尼措施[3]

斜拉索易于振動(dòng)的主要原因是斜拉索具有非常低的固有結(jié)構(gòu)阻尼，因此增加斜拉索阻尼是控制斜拉索振動(dòng)特別是風(fēng)雨振最直接、最有效的方法。研究表明，拉索的橫向振動(dòng)只引起很低的應(yīng)變，而采用高阻尼材料增加拉索結(jié)構(gòu)阻尼的方法非常困難，因此在斜拉索和橋面之間安裝阻尼器成為必然的選擇。

1）高阻尼橡膠阻尼器。高阻尼橡膠阻尼器多內(nèi)置在套管內(nèi)部，尺寸較緊湊且不影響美觀，是國內(nèi)外廣泛應(yīng)用的方法之一。它的減振原理是利用高阻尼橡膠吸收振動(dòng)的能量。實(shí)踐證明，因?yàn)橄鹉z阻尼器安裝高度較低，斜拉索在該處振動(dòng)位移很小，吸收振動(dòng)的能量有限，難以對(duì)風(fēng)雨振等大幅強(qiáng)烈振動(dòng)產(chǎn)生有效的控制。

2）油阻尼器。將油阻尼器通過支架系統(tǒng)連接在斜拉索上，由于連接點(diǎn)可以離開斜拉索錨頭且有一定距離，效果比橡膠墊圈好。油阻尼器應(yīng)用最多，多為外置式，其可靠性已得到工程應(yīng)用證實(shí)，技術(shù)成熟。油阻尼器最大缺點(diǎn)是阻尼介質(zhì)密封的耐久性還不盡如人意，容易漏油，維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)用較高。油阻尼器只能提供軸向阻尼力，所以一根斜拉索一般需要安裝兩個(gè)成一定夾角的油阻尼器來控制斜拉索的索面內(nèi)和索面外振動(dòng)。

3）黏性剪切型阻尼器。簡(jiǎn)稱VSD阻尼器，屬于第二代阻尼器。VSD阻尼器在橋面上固定一個(gè)容器，內(nèi)置高黏性材料，再在斜拉索下方固定一塊插板，插板插入高黏性材料之中。當(dāng)斜拉索振動(dòng)時(shí)，插板使高黏性材料發(fā)生反復(fù)剪切變形，產(chǎn)生很高的阻尼并耗散振動(dòng)能量。VSD阻尼器的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維護(hù)方便。一個(gè)VSD阻尼器可同時(shí)抑制面內(nèi)、面外振動(dòng)。缺點(diǎn)是阻尼力隨溫度變化，并偶有黏性體滲漏現(xiàn)象，外形也欠美觀。

4）磁流變阻尼器。簡(jiǎn)稱MR阻尼器，是近年推出的一種高科技產(chǎn)品，屬于第三代阻尼器。MR阻尼器的構(gòu)造與油阻尼器類似，它的工作液體是磁流變體。磁流變體是一種將亞納米細(xì)度的鐵粉與硅油混合制成的特殊材料。在外加磁場(chǎng)作用下，磁流變體可在幾毫秒的短時(shí)間內(nèi)變?yōu)榘肓黧w，從而使阻尼變大。在MR阻尼器內(nèi)引入電磁線圈，通過改變電流強(qiáng)度來調(diào)節(jié)阻尼力的大小。MR阻尼器是一種智能型的半主動(dòng)阻尼器，由于卓越的使用性能，被認(rèn)為是一種最有前途的新型阻尼器。

[1]王修勇.斜拉橋拉索振動(dòng)控制新技術(shù)研究[D].中南大學(xué)博士學(xué)位論文,長(zhǎng)沙:中南大學(xué)土木建筑學(xué)院，2002,7.

[2]周海俊.斜拉索振動(dòng)控制理論與試驗(yàn)研究[D].同濟(jì)大學(xué)博士學(xué)位論文,上海:同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院，2005,12.

[3]陳政清主編.橋梁風(fēng)工程[M].北京:人民交通出版社，2005.