斜拉橋模擬試驗平臺的振動特性測試及分析

陳 沖, 時云飛, 劉小鋒, 陳躍華, 張 剛, 胡海剛, 馮志敏

斜拉橋模擬試驗平臺的振動特性測試及分析

陳 沖, 時云飛, 劉小鋒, 陳躍華, 張 剛, 胡海剛, 馮志敏*

（寧波大學 海運學院, 浙江 寧波 315832）

以寧波某跨海大橋為原型, 結(jié)合橋梁激勵系統(tǒng)、傳感器、數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)和拉索-阻尼減振系統(tǒng), 搭建斜拉橋振動試驗平臺, 并模擬不同車輛載荷及行駛速度工況下的拉索振動響應試驗; 同時, 分別利用液壓阻尼器和橡膠阻尼器對斜拉索振動的抑制效果進行分析. 結(jié)果表明, 斜拉索振動幅度隨車輛行駛速度、載重的增加而變大; 橡膠阻尼器對長拉索減振效果明顯好于液壓阻尼器, 而對中、短斜拉索減振效果的差異性不明顯. 試驗結(jié)果可為斜拉索振動特性研究和阻尼器的工程應用提供參考.

斜拉索; 試驗模型; 激振器; 試驗平臺; 阻尼器; 振動特性

拉索作為斜拉橋主要受力構(gòu)件, 極易在風雨和交通載荷環(huán)境下發(fā)生有害振動[1-2], 加強對斜拉索的振動規(guī)律研究和動態(tài)檢測分析, 以提高斜拉橋的安全性和穩(wěn)定性也越來越多地受到重視. 鑒于在斜拉橋的運行現(xiàn)場開展拉索振動機理和測試分析研究十分困難, 因此, 模型試驗已成為對斜拉索振動測試的重要方法之一[3].

陳常松等[4]利用相似理論對岳陽洞庭湖三塔斜拉橋模型進行分析, 探討理論與實際模型下各物理量的相似比值. 羅澤輝[5]結(jié)合寧波甬江大橋的實際工程結(jié)構(gòu), 設計出斜拉橋模型, 并驗證了其可靠性. Zhao等[6]基于真實橋梁構(gòu)建全橋測試模型, 并驗證該模型的準確性. 周林仁等[7]搭建山東濱州黃河公路大橋的實驗室模型通過試驗平臺監(jiān)測斜拉橋結(jié)構(gòu)健康問題. 蘭惠清等[8]設計了斜拉索橋模型, 并對其進行了靜力學分析. 孫測世等[9]為研究斜拉索振動中的“跳躍”現(xiàn)象, 根據(jù)動力相似理論設計斜拉索模型. 王海龍等[10]建立了一種準確而可靠的基準有限元模型, 用以監(jiān)測與檢測斜拉橋索力、位移等相關參數(shù). 詹勝等[11]設計一種新型拉索振動試驗平臺, 模擬出實際拉索振動狀態(tài)并進行了試驗研究. 張令彌等[12]設計了一種分離試驗方法, 方便在風洞內(nèi)進行全橋模型動態(tài)試驗. 以上研究大多集中在斜拉橋模型結(jié)構(gòu)性振動問題和獨立拉索平臺試驗, 而對在橋梁模型試驗平臺上開展車輛載荷、斜拉索減振研究涉及較少.

本文運用相似性理論[13], 在研制斜拉橋試驗模型基礎上, 搭建一個具有振動信號傳感檢測、外部激勵與阻尼減振、數(shù)據(jù)收集與分析處理功能的斜拉橋模擬振動試驗檢測平臺, 通過調(diào)節(jié)多臺激振器的位置、頻率和振幅, 開展模擬不同車輛運行狀態(tài)下的拉索振動規(guī)律試驗研究, 對比分析斜拉索與液壓阻尼器、橡膠阻尼器耦合結(jié)構(gòu)的振動特性, 試驗結(jié)果可為斜拉索振動特性的規(guī)律研究和橋梁安全性預測提供一種新的方法手段.

1 斜拉橋振動試驗平臺

斜拉橋振動試驗平臺由斜拉橋試驗模型、外部振動激振系統(tǒng)、阻尼減振系統(tǒng)、傳感器和數(shù)據(jù)采集分析處理系統(tǒng)等組成.

1.1 斜拉橋振動試驗模型

1.2 斜拉橋振動試驗平臺

1.2.1 車輛運行狀態(tài)模擬

試驗中, 選用DG4062信號發(fā)生器調(diào)節(jié)控制激振器的激勵頻率, 模擬車輛行駛速度. 由動力學相似關系, 等效計算橋梁所受的車輛載荷, 調(diào)節(jié)激振器的激振幅值來模擬車輛載荷的動態(tài)變化.

1.2.2 傳感器與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

振動試驗檢測平臺中相關測量信息主要包括靜態(tài)和動態(tài)斜拉索索力、斜拉索動態(tài)振動信號等. 斜拉橋的索力對試驗模型的成橋和斜拉索自身動態(tài)特性以及振動規(guī)律會產(chǎn)生很大的影響, 選用DYLY-108拉力傳感器測量斜拉索索力. 每根拉索的上端部與斜拉橋塔連接處安裝拉力傳感器, 各拉力傳感器分別接入DH3820應變采集儀, 實現(xiàn)平臺上全部拉索索力數(shù)據(jù)的實時采集與儲存.

選擇CA-YD-181-10加速度傳感器測量斜拉索中點加速度, 傳感器通過微型卡扣固定在斜拉索上, 由輸出線路接入DH5922數(shù)據(jù)采集儀, 實現(xiàn)拉索振動時加速度數(shù)據(jù)的實時采集和記錄.

相關的試驗器件和測試儀器型號和生產(chǎn)企業(yè)詳見表1.

1.2.3 斜拉索-阻尼減振系統(tǒng)

目前, 斜拉索減振常用方法是在斜拉索上安裝外置式阻尼器, 但在復雜環(huán)境下, 斜拉索耦合結(jié)構(gòu)特性的不確定性易造成減振效果出現(xiàn)差異. 因此, 通過在斜拉索上安裝不同類型的外置式阻尼器, 同時搭建斜拉索-阻尼器的減振系統(tǒng), 以探究斜拉索-阻尼器的耦合振動特性和不同阻尼器的減振效果.

表1 測試儀器表

試驗中選用HYD型液壓阻尼器和YU型橡膠阻尼器2種類型阻尼器(圖1). 液壓阻尼器的阻尼系數(shù)80Ns·mm-1, 阻尼力200N, 行程±15mm, 低速行走阻力10N; 橡膠阻尼器的阻尼力200N, 行程±15mm, 低速行走阻力10N.

圖1 試驗所用的液壓阻尼器(左)與橡膠阻尼器(右)

1.3 斜拉橋振動特性測試分析

振動試驗檢測平臺工作示意圖如圖2所示, 實體檢測平臺如圖3所示. 檢測方法: (1)通過多臺激振器輸出振動信號, 將激勵振動信號傳遞給斜拉橋試驗模型的橋面結(jié)構(gòu)上, 以模擬不同車輛在橋面上行駛時產(chǎn)生的各種振動狀態(tài); (2)利用索力傳感器和加速度傳感器分別對斜拉索索力及振動信號進行采集, 并由數(shù)據(jù)采集儀進行處理, 由此實現(xiàn)斜拉橋試驗平臺上的拉索振動特性和索力變化檢測試驗.

1.3.1 斜拉索振動特性

在各斜拉索中點位置布置加速度傳感器. 首先選擇試驗模型中的拉索S2為研究對象, 在拉索上采用激勵力錘進行敲擊, 采集激勵力和振動響應信號, 通過DHDAS實時數(shù)據(jù)采集與分析軟件得到頻響函數(shù)矩陣. 然后, 用相同方法依次測試其他拉索的振動頻響特性, 相關數(shù)據(jù)見表2.

圖2 斜拉橋振動試驗檢測平臺示意圖

圖3 斜拉橋振動試驗檢測平臺實物圖

根據(jù)測試的振動頻響特性數(shù)據(jù)可知, 斜拉索振動特性測試中各拉索一階振動頻率與原型橋?qū)鞯恼駝宇l率誤差均小于1%, 前五階振動頻率誤差均在5%以下, 基本符合相似性關系. 由此可見, 試驗模型中斜拉索振動特性能夠較好地反映原型橋拉索振動模態(tài).

1.3.2 建模與有限元分析

斜拉橋模型屬于大型的復雜結(jié)構(gòu), 通常使用ANSYS有限元軟件中的APDL建立三維空間實體的有限元模型. 對于一個較為復雜的結(jié)構(gòu)來說, 有限元建模時需根據(jù)實體模型的材料來選擇不同的單元. 由于斜拉橋橋塔體積較大, 因此采用實體單元solid45模擬; 而橋面較薄, 在有限元中則采用shell181單元模擬; 斜拉索在結(jié)構(gòu)中受到拉索的拉力作用, 但ANSYS軟件中并沒有可直接描述拉索的單元, 因此采用等效模量法修正拉索彈性模量后的link10單元模擬, 最終建模結(jié)果如圖4所示. 此外, 有限元模態(tài)與實橋模態(tài)[19]的對比結(jié)果見表3.

圖4 斜拉橋模型的三維有限元模型

1.3.3 整體橋梁頻響特性

在斜拉橋振動試驗模型平臺搭建完成以后, 通過調(diào)整控制拉索索力大小達到成橋設計狀態(tài), 對斜拉橋整體試驗模型進行振動特性測試, 以驗證模型設計的準確性. 選擇激振器激勵方法對整體橋面結(jié)構(gòu)進行外部激勵, 其振動信息通過布置在橋面上的加速度傳感器采集, 并進行分析處理.

表2 拉索振動頻率特征參數(shù)

表3 有限元計算模態(tài)

原型橋梁相關參數(shù)的實測值與試驗模型測試結(jié)果見表4, 由表4數(shù)據(jù)可知, 試驗模型前四階振動頻率的誤差相對較小.

表4 斜拉橋振動試驗平臺誤差分析

2 斜拉橋振動特性試驗

2.1 不同車輛激勵下斜拉索振動特性

利用多臺激振器模擬車輛行駛對橋梁的振動激勵, 實際試驗中主要檢測斜拉索中點的振動響應特性. 試驗中選擇不同斜拉索, 通過采集拉索中點處的振動信息數(shù)據(jù)進行對比分析. 試驗模型上3根斜拉索幾何尺寸及其相關參數(shù)見表5.

表5 3根拉索幾何尺寸及其物理參數(shù)

根據(jù)中國汽車質(zhì)量分級可知, 小型車輛質(zhì)量約1t, 輕型貨車質(zhì)量≤6t, 中型貨車質(zhì)量≤14t. 實驗中選擇車輛最高限速60km·h-1, 并根據(jù)需求選擇不同車輛的流量、載荷和車速進行綜合對比試驗.

2.1.1 車速與載重對拉索振動影響

為探究車輛行駛速度對斜拉索振動影響, 選取橋梁上長拉索為研究對象, 對在同一激勵力下模擬相同車輛載重, 并以不同激勵頻率下車輛模擬行駛速度10～80km·h-1時, 對斜拉索中點的振動特性規(guī)律進行檢測試驗.

為探究車輛載荷對斜拉索振動的影響, 以同一激勵頻率下模擬相同車輛行駛速度, 以不同激勵力模擬車輛載荷1～10t, 對斜拉索中點的振動特性規(guī)律進行檢測試驗. 激振器安裝于斜拉索橋面下方, 通過調(diào)節(jié)控制信號發(fā)生器、信號放大器的激勵條件進行試驗.

斜拉索振動時中點最大位移值(振幅)以及速度、載重變化規(guī)律如圖5、圖6所示. 由圖可知, 斜拉索中點最大位移值(振幅)隨著車速的增加而變大, 當車輛行駛速度達到60～70km·h-1時振動最大; 同時, 斜拉索振幅也隨車輛載重增加而不斷變大. 因此, 車輛在斜拉橋上行駛時, 考慮到車速過大容易受到橫風和拉索振幅過大等因素影響, 應嚴格控制車輛速度, 結(jié)合設計橋梁工程實際, 一般控制在60km·h-1以下; 并且車輛行駛在橋梁上時, 可以通過動態(tài)稱重和監(jiān)測手段嚴格控制載重量, 有效改善斜拉索的振動特性, 提高橋梁的安全可靠性.

圖5 斜拉索中點最大位移—速度變化

圖6 斜拉索中點最大位移—載重變化

2.1.2 不同拉索對外部激勵響應

斜拉橋上一般有數(shù)十根拉索, 每根拉索的幾何尺寸和物理參數(shù)都各不相同, 張拉時產(chǎn)生的斜拉索索力也不盡相同. 在振動試驗檢測平臺上, 給予斜拉索與橋面連接端部施加相同的激勵力, 即模擬相同載重的車輛行駛時對各根斜拉索產(chǎn)生的振動響應, 分析對比不同長度的斜拉索振動特性規(guī)律. 試驗中分別選擇模擬車重為8、9、10t中型貨車以60km·h-1行駛速度時, 其中3根斜拉索產(chǎn)生的振動影響, 振動響應試驗示意如圖7所示.

圖7 斜拉索振動響應試驗示意圖

表6 拉索中點相對位移最大值

由表6可知, 不同拉索在相同外界激勵環(huán)境下, 斜拉索最大相對位移值隨拉索長度增大而變大. 斜拉索較短時, 相對振動幅度僅為0.04%～0.13%, 而長索可達0.30%～0.53%. 由此可見, 斜拉橋上長拉索振動受外力作用影響更大, 需要加強對長拉索振動狀態(tài)的動態(tài)監(jiān)測、定期檢查與維護保養(yǎng).

2.1.3車流對拉索振動影響

橋梁上同向行駛的車輛間應保持一定距離, 以確保行車安全, 當多輛車以不同間距行駛(即車流)時, 對橋梁振動造成的激勵效果各不相同, 斜拉索的振動響應也隨之發(fā)生變化. 在斜拉橋振動試驗檢測平臺上選擇布置多臺激振器實施同步激勵, 以模擬不同車流對斜拉橋振動的激勵效果, 觀察車流變化對拉索的振動狀態(tài)及索力影響.

機動車輛行駛安全距離一般要求以60km·h-1車速行駛時的最小安全距離為60m. 試驗中假設前后車輛類型相同, 模擬車距為40、50和60m時的振動情況. 通過相似關系確定激振器間隔距離為40～60cm. 激振器試驗裝置如圖8所示.

圖8 車流振動試驗裝置

不同車流下, 斜拉索中點振動位移幅值、索力值及與模擬單車行駛時的比較結(jié)果見表7. 由表可知, 隨著激振器間隔距離增大(即車流減少), 斜拉索振幅與索力值相應減小; 當間距為40cm時, 同側(cè)2臺激振器產(chǎn)生的振動幅度相比單臺激振器產(chǎn)生的振動幅度約增加20%; 當間距為50～60cm時, 振動幅度增加14%～10%. 最大索力值也隨著車間距的增大呈下降趨勢. 因此, 在車輛行駛時, 保持較大的行車距離有利于減小對斜拉橋的危害.

表7 斜拉索最大振幅與最大索力值對照

2.2 斜拉索-阻尼器耦合結(jié)構(gòu)減振特性

2.2.1 斜拉索-液壓阻尼器耦合結(jié)構(gòu)

在斜拉橋振動試驗檢測平臺的單側(cè)拉索上安裝液壓阻尼器, 通過對比相同激勵環(huán)境下未安裝液壓阻尼器時拉索的振動狀態(tài), 分析對拉索的振動影響效果, 以及對不同長度拉索振動影響的差異性. 試驗中首先模擬6、7、8t的3種車輛以60km·h-1時速通過斜拉橋時引起的拉索振動, 采集相關振動信息; 然后, 在單側(cè)拉索上安裝液壓阻尼器, 在相同激勵條件下重復上述振動試驗.

不同長度在相同激勵環(huán)境下, 有或無安裝液壓阻尼器的振動位移幅值如圖9所示. 試驗表明, 液壓阻尼器對試驗檢測平臺上拉索振動具有較好的抑制效果, 與工程橋梁上液壓阻尼器效果相同, 能夠有效減緩拉索振動. 同時, 對不同長度的拉索其減振效果并不一致, 液壓阻尼器對長索的平均減振效果為16.9%, 中索平均減振效果為25.2%, 而對短索的減振程度影響較小. 因此, 液壓阻尼器對中長拉索減振效果相對較好, 在工程中可考慮安裝液壓阻尼器.

圖9 安裝液壓阻尼器時, 拉索振動的最大位移值變化情況

圖10 安裝橡膠阻尼器時, 拉索振動的最大位移值變化情況

2.2.2 斜拉索-橡膠阻尼器耦合結(jié)構(gòu)

與液壓阻尼器相同, 在振動試驗檢測平臺的單側(cè)拉索上安裝橡膠阻尼器進行減振特性試驗, 并且與未安裝阻尼器的拉索振動結(jié)果進行對比分析. 試驗條件與液壓阻尼器試驗相同.

不同長度在相同激勵環(huán)境下, 有或無安裝橡膠阻尼器的振動位移幅值如圖10所示. 結(jié)果表明, 橡膠阻尼器同樣對試驗檢測平臺上拉索振動具有較好的抑制效果. 但對不同長度的拉索而言, 橡膠阻尼器對長索的減振效果明顯好于液壓阻尼器, 平均減振效果為32.5%; 對中等長度拉索的減振效果與液壓阻尼器基本相同為25.3%. 可見, 橡膠阻尼器對長索的振動抑制效果更好, 工程中可選用橡膠阻尼器對長拉索進行耦合減振.

3 結(jié)論

通過搭建斜拉橋試驗檢測平臺和相關振動特性試驗, 可得出以下結(jié)論:

(1)以原型橋為基礎, 依據(jù)相似性理論設計斜拉橋試驗模型, 搭建具有振動激勵、信號檢測、數(shù)據(jù)采集和分析處理功能和斜拉索耦合減振裝置的試驗檢測平臺, 是研究分析斜拉橋和拉索振動特性的一種重要試驗方法.

(2)單向車輛載荷工況下, 斜拉索的振動幅度隨著車速、車流、車載增加而變大, 需要控制車輛運行狀態(tài), 以減少對斜拉索的振動影響. 對長索的相對振動幅度0.3%～0.53%, 影響明顯大于短索.

(3)斜拉索-阻尼器耦合作用對斜拉索振動具有振動抑制效果, 在相同試驗條件下, 橡膠阻尼器對斜拉索減振效果為20%～35%, 效果好于液壓阻尼器. 2種阻尼器對長索的減振效果差異性十分明顯, 試驗結(jié)果對相關阻尼器研制和工程應用具有參考價值.

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Vibration characteristics test and analysis of cable-stayed bridge simulation test platform

CHEN Chong, SHI Yunfei, LIU Xiaofeng, CHEN Yuehua, ZHANG Gang, HU Haigang, FENG Zhimin*

( Faculty of Maritime and Transportation, Ningbo University, Ningbo 315832, China )

Taking a sea crossing bridge in Ningbo as the prototype, a cable-stayed bridge vibration test platform is built by combining the bridge excitation system, sensor and data acquisition and processing system and cable damping vibration reduction system, and its vibration characteristics are tested and analyzed. The vibration response tests of stay cables under different vehicle loads and driving speeds are simulated to analyze and test the suppression effect of hydraulic damper and rubber damper on the vibration of stay cables. The results show that the vibration amplitude of stay cable increases with the increase of vehicle speed and load, and decreases with the decrease of vehicle flow. Under the same working conditions, the damping effect of rubber damper on long stay cable is better than that of hydraulic damper, and there is little difference between the two types of dampers on medium and short stay cables. The test results exhibit reference value for the study of vibration characteristics of stay cables and the engineering application of dampers.

cable-stayed; test model; vibrator; test platform; damper; vibration characteristics

U446

A

1001-5132（2022）02-0089-07

2021?05?19.

寧波大學學報（理工版）網(wǎng)址: http://journallg.nbu.edu.cn/

國家自然科學基金（51675286）; 浙江省大學生科技創(chuàng)新活動計劃（新苗人才計劃）（2018R405090）.

陳沖（1994－）, 男, 安徽滁州人, 在讀碩士研究生, 主要研究方向: 斜拉索振動及輪機工程. E-mail: 1142127937@qq.com

馮志敏（1960－）, 男, 浙江寧波人, 博導/教授, 主要研究方向: 海洋結(jié)構(gòu)工程狀態(tài)監(jiān)測及控制. E-mail: fengzhimin@nbu.edu.cn

（責任編輯 章踐立）