襄陽漢江三橋斜拉索振動控制研究

李昊天

摘 要：為了解決襄陽漢江三橋的斜拉索振動問題，采取理論分析和試驗研究的方法進行研究。分析斜拉索可能產生的振動類型，對比常見的抑制斜拉索振動措施的優(yōu)缺點，優(yōu)選出擺式杠桿質量阻尼器（PLMD）作為阻尼減振方案；通過阻尼器優(yōu)化理論，對PLMD阻尼器的安裝位置、阻尼系數等參數進行優(yōu)化；通過現場實測，驗證阻尼器的實際減振效果。結果表明：安裝PLMD阻尼器后，抽樣檢查的斜拉索的阻尼對數衰減率均達到了4%以上，具有良好的減振效果。

關鍵詞：斜拉索；振動控制；PLMD阻尼器

中圖分類號：TB

文獻標識碼：A

doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2016.33.190

1 引言

斜拉索是斜拉橋的主要受力構件，承擔著將主梁荷載傳遞給橋塔的重要作用，由于斜拉索一般采用平行鋼絲斜拉索，其初始阻比的對手衰減率值僅為8‰～9‰，且由于其長細比大，在外界風、風-雨和交通荷載作用下，容易發(fā)生大幅振動問題。而斜拉索的振動會導致斜拉索產生疲勞損傷積累，長期積累會形成斜拉索的安全隱患。因此，需要對斜拉索的振動進行有效的控制。

2 項目概況

襄陽漢江三橋主橋為主跨310m的預應力混凝土雙塔雙索面斜拉橋，其斜拉索按扇形布置，斜拉索采用平行鋼絲斜拉索，鋼絲采用為抗拉強度1770MPa的7mm高強度、低松弛鍍鋅鋼絲，型號分別為PESC7-199、PESC7-241、PESC7-283、PESC7-313等型號，最長拉索為173m，斜拉索共計26×2×4=208根，斜拉索在主梁端錨固采用鋼錨箱形式，錨點位于橋面以下，最大索力為7190kN。

一般斜拉橋在施工和運營階段斜拉索可能發(fā)生的振動類型有：風致渦激振動、風雨振、參數振動，其振動特征及抑振措施分析如下：

（1）風致渦激振動是一種限幅振動，由來流風通過斜拉索斷面產生的周期性漩渦脫落引起，當漩渦脫落頻率接近斜拉索的某階振動頻率時，就會發(fā)生振動。在實際的斜拉索工程中，發(fā)生渦激振動的階次在不同時間是不同的，甚至在同一時間不同高度時也會不同，因此其受控模態(tài)為多模態(tài)。

為了控制斜拉索的渦激振動，其模態(tài)阻尼比的對數衰減率δ需要大于1.5%。

（2）風雨振是在風-雨聯合激勵下產生的一種大幅振動類型，主要是因為雨水在拉索下緣形成了下雨線，改變了拉索的截面特征，從而在風的作用下產生的一種振動形式。風雨振的振幅很大，危害極為嚴重。

控制風雨振的控制措施一般體現在兩方面：①采用空氣動力學措施，比如在拉索表面設置凹坑、雙螺旋線等措施，阻止雨線的形成，一定程度上避免拉索風雨振的產生；②提高斜拉索的模態(tài)阻尼對數衰減率δ，當δ大于3%時，可以避免風雨振的產生。

（3）參數振動是由于斜拉橋主梁振動形成的斜拉索端部位移激勵引起的，當主梁的振動頻率為拉索振動頻率的2倍時，就會發(fā)生參數振動。由于本橋為預應力混凝土主梁，主梁的振幅相對較小，發(fā)生參數振動的概率較小。

綜上所述，襄陽漢江三橋斜拉索可能的振動形式為渦激振動和風雨振，為了抑制上述振動，斜拉索自身設置雙螺旋線構造，一定程度上減小風雨振發(fā)生的概率，同時設置斜拉索阻尼器，使斜拉索的附加阻尼比的對數衰減率δ大于3%。

3 襄陽漢江三橋斜拉索阻尼器設計

通過對長江斜拉索阻尼器的比選，本橋選用了擺式杠桿質量阻尼器PLMD，該阻尼器通過杠桿放大作用，將斜拉索的振動位移放大后傳遞至阻尼耗能裝置處，可以有效提高阻尼器的減振效果，是該阻尼器的最大優(yōu)點。另外該阻尼器的構造緊湊，可以適應不同傾角的拉索需要，安裝方便。阻尼器的現場照片如圖1所示。

襄樊漢江三橋斜拉索阻尼器的設計目標為：（1）對襄樊漢江三橋中跨13～26#斜拉索、邊跨14～26#斜拉索安裝PLMD阻尼器；（2）安裝PLMD阻尼器后斜拉索前15階模態(tài)阻尼對數衰減率大于3%。

為了達到上述目標，需要對PLMD阻尼器的安裝位置比、等效阻尼系數進行優(yōu)化，并通過文獻的方法，對安裝PLMD阻尼器后斜拉索的阻尼對數衰減率進行驗證。

優(yōu)化后的各斜拉索的安裝高度為1.5m，安裝位置比在4%～5.2%之間，以部分斜拉索為例，其安裝位置比如圖2所示。

各斜拉索的最優(yōu)阻尼系數在25545N·s/m～51384N·s/m之間，以部分斜拉索為例，其最優(yōu)阻尼系數如圖3所示。

從圖2和圖3可以看出，在相同安裝位置下，隨著索號的增加，拉索的安裝位置比逐漸減小，最優(yōu)阻尼系數逐漸變大。

按照上述的理論優(yōu)化結果，為襄樊漢江三橋設計斜拉索阻尼器。

4 斜拉索阻尼器實際減振效果測試

所有的斜拉索阻尼器在橋梁二期恒載鋪設完畢后進行了安裝，安裝完畢后，對安裝PLMD阻尼器的斜拉索的阻尼對數衰減率進行了抽樣檢查，部分拉索檢測結果如圖4所示。

從圖4可以看出，安裝阻尼器之前，斜拉索的阻尼比對數衰減率在1.3%以下，不滿足減振要求；安裝PLMD阻尼器后，經抽樣的斜拉索的阻尼對數衰減率在4%以上，滿足阻尼器的設計要求。

5 結語

（1）襄陽漢江三橋可能發(fā)生的振動形式為風致渦激振動和風雨振，抑制該振動形式所需要的阻尼比對數衰減率需要達到3%；

（2）采用PLMD阻尼器進行斜拉索的振動，阻尼器的安裝高度為1.5m，安裝位置比為4%～5.2%，最優(yōu)阻尼系數為25545N·s/m～51384N·s/m。

（3）通過現場抽樣檢查，被抽樣拉索安裝阻尼器后，其阻尼比對數衰減率均在4%以上，達到減振效果。

參考文獻

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