大跨度斜拉橋斜拉索減振器設(shè)計(jì)與施工

摘要 文章旨在探討大跨度斜拉橋外置式減振器的設(shè)計(jì)與施工方法，以提高大橋的抗振動(dòng)性能和使用壽命。隨著大跨度斜拉橋的廣泛應(yīng)用，斜拉索在各種外界荷載作用下的振動(dòng)問(wèn)題日益突出，嚴(yán)重影響了橋梁的安全性和耐久性，因此研究有效的減振措施具有重要的工程意義和社會(huì)價(jià)值。首先，從理論分析上綜述了大跨度斜拉橋減振器的設(shè)計(jì)理論，包括黏滯阻尼器的工作原理和參數(shù)優(yōu)化；然后，在數(shù)值模擬上對(duì)大跨度斜拉橋進(jìn)行動(dòng)力特性分析；再次，經(jīng)過(guò)參數(shù)化研究對(duì)不同減振器參數(shù)（如阻尼系數(shù)和速度指數(shù)等）進(jìn)行敏感性分析，以確定最優(yōu)的設(shè)計(jì)參數(shù)；最后，在工程實(shí)踐中結(jié)合實(shí)際工程實(shí)際，分析減振器在施工過(guò)程中的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，包括安裝方法和質(zhì)量控制等，以達(dá)到減小和抑制斜拉索振動(dòng)的目的。

關(guān)鍵詞 大跨度；斜拉橋；減振器；設(shè)計(jì)；施工

中圖分類號(hào) U448 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2025）05-0152-03

0 引言

該大橋是209國(guó)道跨越長(zhǎng)江的一座特大型橋梁，主橋結(jié)構(gòu)形式為雙塔雙索面預(yù)應(yīng)力混凝土漂浮體系斜拉橋，主跨為（40＋130＋388＋130＋40）m肋板式邊主梁，南北兩岸承臺(tái)以上塔高分別為207 m和212 m。橋面全寬22 m，其中兩側(cè)錨索區(qū)各為1.5 m，橋面有效寬度為19 m，為雙向四車道，全橋共設(shè)96對(duì)鍍鋅低松弛高強(qiáng)度平行鋼絲斜拉索，平行鋼絲的標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度為1 670 MPa，彈性模量為2×103 MPa，為雙層PE防護(hù)，采用工廠生產(chǎn)的成品索，斜拉索共有PES-139、PES-163、PES-223、PES-253和PES-295等5種型號(hào)。

斜拉索是大跨度斜拉橋的主要承重構(gòu)件，具有相對(duì)柔軟的性能，自振頻率和模態(tài)阻尼比都很小，在外力作用下振動(dòng)會(huì)較大。長(zhǎng)期振動(dòng)會(huì)使拉索處于一定交變應(yīng)力的循環(huán)作用，在應(yīng)力相對(duì)集中的拉索錨固區(qū)，可能發(fā)生索的疲勞破壞，導(dǎo)致梁體產(chǎn)生裂紋，高密度聚乙烯（PE）護(hù)套及拉索端部索套破裂，發(fā)生滲水，產(chǎn)生銹蝕，嚴(yán)重危及梁體結(jié)構(gòu)安全，縮短使用壽命。拉索的大幅振動(dòng)，還會(huì)使行駛的車輛和行人產(chǎn)生不適感和不安全感，影響橋梁的正常運(yùn)營(yíng)。因此，在該橋的斜拉索上安裝黏性剪切型阻尼減振器（VSD），以達(dá)到減小和抑制振動(dòng)的目的。

1 大橋斜拉索渦激振動(dòng)響應(yīng)計(jì)算

由于斜拉索的柔性特點(diǎn)，其自振頻率較低，大橋索長(zhǎng)大于100 m的斜拉索的基頻都在1 Hz以下。對(duì)于長(zhǎng)索，按照索的振動(dòng)理論，索的第N階振動(dòng)頻率約為基頻的N倍。根據(jù)圓柱截面渦激振動(dòng)的斯脫羅哈數(shù)（Strouhal Nuber），索發(fā)生周期性渦激振動(dòng)的臨界風(fēng)速（共振風(fēng)速）V＝f4/0.2，可見(jiàn)在風(fēng)速比較低的情況下，斜拉索就可能發(fā)生高階共振。因此，計(jì)算黏性剪切型阻尼減振器的參數(shù)時(shí)，必須針對(duì)斜拉索包括基頻的10階振動(dòng)模態(tài)進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，表1列出了斜拉索的10階頻率及臨界風(fēng)速。

2 黏性剪切型阻尼減振器的設(shè)計(jì)

阻尼減振器的總體設(shè)計(jì)，應(yīng)充分注意阻尼減振器功能的實(shí)現(xiàn)、阻尼減振器外形與橋梁的協(xié)調(diào)，阻尼減振器便于制造、安裝和維護(hù)，以及阻尼減振器制造的經(jīng)濟(jì)性。

阻尼減振器與斜拉索連接的上部結(jié)構(gòu)采取螺栓連接形式，以便于上部連接結(jié)構(gòu)在斜拉索上的固定和安裝。阻尼器下部連接結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)重點(diǎn)在于確保阻尼器的定位準(zhǔn)確牢靠，易于施工安裝，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單輕巧，具有足夠的剛度，在阻尼力作用下不產(chǎn)生大的變形。阻尼器結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，是在由于最佳的附加阻尼值Cv，要求滿足的阻尼器工作部件的基本尺寸和黏性體阻尼材料的配置量前提下，主要在于外形的美觀，結(jié)構(gòu)具有足夠的剛度，便于制造安裝，以及與上下連接結(jié)構(gòu)的協(xié)調(diào)與匹配。阻尼器結(jié)構(gòu)由上、下箱體組成，上箱體為單箱單室，兩塊阻尼擦板焊接在上箱體頂板上，兩塊阻尼擦板的工作面積根據(jù)計(jì)算給出。為使阻尼器外形美觀，外形應(yīng)設(shè)計(jì)成曲面，阻尼器的下板為單箱兩室。

阻尼減振器外部的噴涂材料，應(yīng)選擇對(duì)鋼結(jié)構(gòu)表面防腐有效的噴涂無(wú)機(jī)富鋅底漆、氯化橡膠底漆，而色彩則根據(jù)整體外觀選擇為珍珠白。

高黏度黏性阻尼材料，應(yīng)采用國(guó)外進(jìn)口的高質(zhì)量耐久性阻尼材料。一般國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的高黏度黏性阻尼材料的動(dòng)力黏性系數(shù)μ大約為10 000 Pa·s，而國(guó)外進(jìn)口的高黏度黏性材料的動(dòng)力黏性系數(shù)μ可達(dá)25 000 Pa·s，比重為970 kg/m3。同時(shí)，國(guó)外公司對(duì)高黏度阻尼材料的抗老化性能進(jìn)行了改善，其使用壽命得以大大提高，可達(dá)20年。

3 黏性剪切型阻尼減振器的生產(chǎn)工藝

（1）所有構(gòu)件的平行度、垂直度誤差均小于1 mm。

（2）除圖紙標(biāo)明公差外，橋面粗糙度均不大于15 um。

（3）構(gòu)件之間所有焊縫高度為4 mm，嚴(yán)禁出現(xiàn)咬邊、氣孔、夾渣等現(xiàn)象，焊接完畢后，構(gòu)件表面應(yīng)光潔、無(wú)明顯魚(yú)紋、無(wú)飛濺，構(gòu)件的焊接變形應(yīng)及時(shí)進(jìn)行矯正[1]。

（4）各構(gòu)件之間的配合公差均不得超過(guò)2 mm。

（5）構(gòu)件表面涂裝采用以下工序：酸洗—磷化—無(wú)機(jī)富鋅—底漆—氯化橡膠面漆工藝，每道工藝干燥徹底后才能進(jìn)入下道工序。

（6）減振器加工涂裝后進(jìn)行打包，防撞裝箱。

4 黏性剪切阻尼減振器的安裝工藝

在正式安裝開(kāi)始前，首先對(duì)橋面的狀況、減振器座預(yù)埋板的安裝質(zhì)量、安裝位置的橋面標(biāo)高等進(jìn)行深入調(diào)查，對(duì)減振器底座預(yù)埋板安裝不合格的進(jìn)行補(bǔ)裝，確保固定在橋面的阻尼減振器的基座位置準(zhǔn)確及連接可靠。減振器運(yùn)抵施工現(xiàn)場(chǎng)后，按如圖1所示的流程及工藝進(jìn)行安裝。

4.1 阻尼減振器的定位

用鋼卷尺量出橋面到拉索中心線高度的垂直距離，同時(shí)考慮橋面的平整度及其縱坡，以確保全橋減振器安裝后的效果為平緩曲線，安裝高度容許誤差為±10 mm，

然后按照順橋向在拉索的中心線定出垂直于地面的中心線，以及阻尼減振器的基座位置。按照定出的阻尼減振器的基座位置，將下支座固定在橋面上[2]。

4.2 阻尼減振器的安裝

（1）首先根據(jù)優(yōu)化參數(shù)理論計(jì)算的減振器安裝高度，將索夾固定在斜拉索的相應(yīng)位置，然后將減振器的上下容器用定位螺桿連接后安裝在索夾底板上，索夾和斜拉索之間加設(shè)橡膠護(hù)墊，以防止破壞拉索的PE護(hù)套[3]。

（2）利用鉛垂、直角尺和鋼尺測(cè)定減振器的中軸線與斜拉索中心線垂直正交。

（3）測(cè)量出減振器下容器底橋板到橋面的距離，截出所需的橢圓管，進(jìn)行下容器底板與基座的焊接。焊縫要求無(wú)裂縫、夾焊和焊瘤等缺陷[4]。

（4）試組裝完成后，卸掉上下容器。

（5）根據(jù)最后計(jì)算所需的填充材料高度，將黏性材料注入容器，然后安裝上下容器。安裝完成后，上容器側(cè)壁板的四周底板到下容器底板頂面及上下容器側(cè)壁板外壁橫橋向距離的誤差應(yīng)小于±5 mm。

（6）全橋減振器安裝完成后，抽取有代表性的幾根索進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)比減振器安裝前后拉索的阻尼值，同時(shí)檢測(cè)安裝后拉索的對(duì)數(shù)衰減率是否滿足?≥0.03。

（7）在減振器的定位、安裝過(guò)程中，必須在技術(shù)人員的指導(dǎo)下進(jìn)行，而且每道工序必須在質(zhì)檢人員檢查合格后，才能進(jìn)入下道工序。

（8）全橋減振器安裝調(diào)試完成后，進(jìn)行基座的油漆噴涂，油漆前應(yīng)清除鋼板表面的油污、氧化皮、焊渣等，并作防銹處理。經(jīng)過(guò)磷化處理后，噴涂無(wú)機(jī)富鋅底漆、氯化橡膠面漆[5]。

5 黏性剪切型阻尼器應(yīng)用于實(shí)橋的減振效果優(yōu)化

該橋梁的阻尼器布置在振動(dòng)最顯著的跨中和支座附近，以最大化減振效果。根據(jù)該橋結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，確定阻尼器的數(shù)量和分布，避免局部過(guò)載或減振不均。阻尼器的剛度應(yīng)與橋梁結(jié)構(gòu)匹配，避免因剛度不匹配而影響減振效果。模擬橋梁振動(dòng)和阻尼器效果，優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)。通過(guò)優(yōu)化阻尼器參數(shù)、布置、結(jié)構(gòu)、材料、控制措施，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)與仿真驗(yàn)證，可以顯著提升黏性剪切型阻尼器在橋梁減振中的效果，確保橋梁的安全與耐久性。該橋選擇了4根最長(zhǎng)的24號(hào)索和4根最短的13號(hào)索進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)方法是設(shè)置不同的阻尼參數(shù)采用人工激振，通過(guò)系統(tǒng)收集試驗(yàn)數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析，將試驗(yàn)數(shù)據(jù)與計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)和比較后，對(duì)阻尼參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，確保減振器的減振效果達(dá)到最佳。

6 抽樣檢測(cè)斜拉索黏性剪切型阻尼器的減振效果

抽樣檢測(cè)前，應(yīng)確保斜拉索黏性剪切型阻尼器安裝正確、無(wú)損壞。在斜拉索關(guān)鍵位置安裝加速度傳感器、位移傳感器等，監(jiān)測(cè)振動(dòng)響應(yīng)。利用自然風(fēng)、環(huán)境激勵(lì)進(jìn)行測(cè)試。選擇具有代表性的斜拉索（如不同長(zhǎng)度、位置或振動(dòng)特性）進(jìn)行測(cè)試。根據(jù)斜拉索總數(shù)和工程要求，確定抽樣數(shù)量，通常為總數(shù)的10%～20%。首先在不安裝斜拉索黏性剪切型阻尼器的情況下，記錄斜拉索的振動(dòng)數(shù)據(jù)；然后，安裝斜拉索黏性剪切型阻尼器后，記錄相同激勵(lì)條件下的振動(dòng)數(shù)據(jù)。通過(guò)比較振動(dòng)幅值、衰減時(shí)間等，分析頻率變化，計(jì)算斜拉索黏性剪切型阻尼器安裝前后的振動(dòng)幅值變化，對(duì)比固有頻率、振型等模態(tài)參數(shù)的變化，評(píng)估VSD的整體減振效果，確保其在實(shí)際應(yīng)用中的有效性。

該橋在完成黏性剪切阻尼減振器安裝后，又在橋上選擇了南塔邊跨的6根索進(jìn)行檢測(cè)，使試驗(yàn)索總數(shù)量達(dá)到14根，抽樣率大于10％，以達(dá)到驗(yàn)證減振器的效果。對(duì)檢測(cè)斜拉索人工激振時(shí)的信號(hào)進(jìn)行處理和分析，得到各檢測(cè)索的對(duì)數(shù)衰減率如表2所示：

安裝外置式阻尼減振器后，其附加阻尼的對(duì)數(shù)衰減率大于或接近0.03，減小了斜拉索的各種振動(dòng)，滿足附加阻尼的對(duì)數(shù)衰減率的要求。

7 觀測(cè)斜拉索的風(fēng)響應(yīng)

斜拉索的風(fēng)響應(yīng)觀測(cè)是橋梁工程和結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的重要內(nèi)容，主要用于評(píng)估斜拉索在風(fēng)荷載作用下的振動(dòng)特性，確保橋梁的安全性和耐久性。在同樣的風(fēng)環(huán)境下，在安裝減振器前后的兩種工況下，進(jìn)行斜拉索的風(fēng)響應(yīng)測(cè)量，對(duì)風(fēng)響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行對(duì)比分析，得出相同自然風(fēng)作用下減振器的抑振效果。

在橋面4級(jí)風(fēng)的情況下，進(jìn)行斜拉索的風(fēng)響應(yīng)觀測(cè)試驗(yàn)，安裝減振器前的斜拉索出現(xiàn)了固定頻率的振動(dòng)，而安裝減振器后斜拉索的振動(dòng)則為寬帶的隨機(jī)響應(yīng)信號(hào)，表明索的受迫振動(dòng)得到了充分抑制。通過(guò)斜拉索的風(fēng)響應(yīng)觀測(cè)，有效評(píng)估了其在風(fēng)荷載作用下的動(dòng)態(tài)行為，確保橋梁結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性。

8 斜拉索黏性剪切型阻尼器施工的質(zhì)量控制

施工前應(yīng)對(duì)材料進(jìn)行嚴(yán)格的檢測(cè)，確保其性能符合設(shè)計(jì)要求、參數(shù)符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，并對(duì)阻尼器的各個(gè)部件進(jìn)行檢查，確保無(wú)損壞和缺陷。準(zhǔn)備必要的檢測(cè)設(shè)備，用于施工過(guò)程中的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。在施工過(guò)程中，精確測(cè)量安裝位置和角度，確保符合設(shè)計(jì)要求。嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求使用張拉設(shè)備，在誤差允許范圍內(nèi)進(jìn)行張拉作業(yè)，確保張拉力的準(zhǔn)確控制。在張拉過(guò)程中，應(yīng)逐步增加張拉力，避免過(guò)快的張拉速度導(dǎo)致斜拉索的振動(dòng)和疲勞損傷。施工完成后，進(jìn)行詳細(xì)的檢查，確保所有連接部位牢固可靠，無(wú)松動(dòng)和滲漏現(xiàn)象。使用位移傳感器和力傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，確保阻尼器在安裝后的初始狀態(tài)符合設(shè)計(jì)要求，并進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，同時(shí)需要定期檢查阻尼器的性能和狀態(tài)，確保其在長(zhǎng)期使用過(guò)程中的性能穩(wěn)定。定期進(jìn)行維護(hù)和保養(yǎng)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理可能出現(xiàn)的問(wèn)題。

9 結(jié)論

工程實(shí)踐表明，支承體系和阻尼器的組合方案在抗振性能上的效果明顯。施工過(guò)程中的質(zhì)量控制和技術(shù)細(xì)節(jié)對(duì)減振器的性能發(fā)揮至關(guān)重要，通過(guò)優(yōu)化安裝方法和加強(qiáng)質(zhì)量監(jiān)控，可以有效提高減振器的施工質(zhì)量。該大橋斜拉索黏性剪切型阻尼減振器設(shè)計(jì)合理，安裝外置式黏性剪切型阻尼振器后的斜拉索阻尼的對(duì)數(shù)衰減率大于或接近0.03，滿足橋梁界一般認(rèn)為當(dāng)附加阻尼的對(duì)數(shù)衰減率為0.025～0.03時(shí)，可有效減小斜索各種振動(dòng)的要求。該大橋外置式黏性剪切型阻尼振器的設(shè)計(jì)和施工，可為類似大跨度斜拉橋的減振設(shè)計(jì)和施工提供參考，具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。

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