結(jié)構(gòu)阻尼對大跨懸索橋顫振臨界風(fēng)速的影響

羅 飛

(中國華西工程設(shè)計建設(shè)有限公司，四川成都 610031)

結(jié)構(gòu)阻尼對大跨懸索橋顫振臨界風(fēng)速的影響

羅 飛

(中國華西工程設(shè)計建設(shè)有限公司，四川成都 610031)

結(jié)構(gòu)自身阻尼值的大小對于結(jié)構(gòu)顫振發(fā)生的時機(jī)起著至關(guān)重要的作用，也即結(jié)構(gòu)自身阻尼值越大，顫振臨界風(fēng)速越高。因此，增加橋梁結(jié)構(gòu)固有阻尼也可作為提高橋梁顫振臨界風(fēng)速的一種有效措施。

大跨懸索橋; 顫振; 阻尼

1 顫振產(chǎn)生原因

眾所周知，顫振是由于自激力引起的一種氣動失穩(wěn)現(xiàn)象。當(dāng)結(jié)構(gòu)由于自身的運(yùn)動從氣流中吸收的能量大于結(jié)構(gòu)阻尼所耗散的能量時，其振幅會不斷加大，從而形成一種發(fā)散性振動。而在理論分析中，人們把這種運(yùn)動的結(jié)構(gòu)從氣流中吸收的能量等價為一種氣動阻尼對結(jié)構(gòu)作用的能量。換句話說，橋梁顫振與否，其實質(zhì)在于結(jié)構(gòu)-氣流系統(tǒng)整體的阻尼值是否大于或小于零。因為系統(tǒng)整體阻尼值等于結(jié)構(gòu)自身阻尼與氣動阻尼之和，其中結(jié)構(gòu)自身阻尼的大小是固定不變的，而氣動阻尼則隨著氣流對結(jié)構(gòu)作用的改變而改變。當(dāng)風(fēng)速較低時氣流對結(jié)構(gòu)的運(yùn)動起到阻礙作用，因此氣動阻尼為正值，結(jié)構(gòu)-氣流系統(tǒng)整體的阻尼也就大于零，結(jié)構(gòu)在氣流中作振幅衰減的運(yùn)動；當(dāng)風(fēng)速大到一定程度時，氣流對結(jié)構(gòu)的運(yùn)動則起到促進(jìn)作用，這時氣動阻尼變?yōu)樨?fù)值，結(jié)構(gòu)-氣流系統(tǒng)整體的阻尼隨之變小。而且當(dāng)氣動負(fù)阻尼的絕對值等于結(jié)構(gòu)固有阻尼值時，系統(tǒng)整體阻尼值等于零，結(jié)構(gòu)處于顫振臨界狀態(tài)；而當(dāng)結(jié)構(gòu)-氣流系統(tǒng)整體的阻尼小于零時，結(jié)構(gòu)運(yùn)動開始發(fā)散，即發(fā)生顫振。由此可見，結(jié)構(gòu)自身阻尼值的大小對于結(jié)構(gòu)顫振發(fā)生的時機(jī)起著至關(guān)重要的作用，也即結(jié)構(gòu)自身阻尼值越大，顫振臨界風(fēng)速越高。因此，增加橋梁結(jié)構(gòu)固有阻尼也可作為提高橋梁顫振臨界風(fēng)速的一種有效措施。下面就以武漢陽邏長江公路大橋(主跨1 280 m懸索橋)原設(shè)計方案(未加風(fēng)嘴前)為例的理論計算和另一座大橋的風(fēng)洞模型實驗兩方面來加以探討。最后簡單介紹了在實際橋梁結(jié)構(gòu)中通過增加阻尼來提高顫振臨界風(fēng)速的具體方法及其原理。

2 理論計算分析

由于主要比較阻尼的影響，理論計算采用較為簡便的、筆者編制的二維計算程序。計算中所用到的各種參數(shù)除結(jié)構(gòu)固有阻尼值改變外，其余完全相同。由武漢陽邏長江公路大橋設(shè)計資料得知，該橋結(jié)構(gòu)自身阻尼比為0.5 %。下面分別在此基礎(chǔ)上減小和增加一定的幅度，取0.3 %、0.7 %、1.0 %代入程序進(jìn)行計算，計算結(jié)果與取值0.5 %時的結(jié)果一并列入表1。

表1 陽邏大橋成橋狀態(tài)不同結(jié)構(gòu)阻尼比下顫振臨界風(fēng)速計算值m/s

注：ζ代表橋梁結(jié)構(gòu)固有阻尼比，α代表風(fēng)攻角。

從表1可見，隨著結(jié)構(gòu)固有阻尼比增加，各風(fēng)攻角下橋梁顫振臨界風(fēng)速也隨之提高，但提高幅度在3 %左右，效果不是很顯著，說明對于彎扭耦合形態(tài)顫振的扁平鋼箱梁懸索橋，結(jié)構(gòu)阻尼對顫振臨界風(fēng)速的影響很小。另外由于上述結(jié)果為二維顫振分析結(jié)果，其值較實際顫振臨界風(fēng)速要大。

3 風(fēng)洞模型實驗

在此以另一大跨度懸索橋的專門針對結(jié)構(gòu)固有阻尼對顫振臨界風(fēng)速的影響的節(jié)段模型風(fēng)洞實驗為例。該橋為一單跨懸索橋，主跨1 068 m,主梁釆用鋼桁梁(圖1)。試驗主要考察了結(jié)構(gòu)未加機(jī)械阻尼及加上機(jī)械阻尼的情況。實驗中外部機(jī)械阻尼通過在模型系統(tǒng)上安裝油阻尼器來達(dá)到，而其阻尼大小可通過油量的多少以及阻尼片的大小來調(diào)節(jié)。阻尼器置于風(fēng)洞外，不會對流場造成影響，實驗結(jié)果見表2(表中數(shù)據(jù)為實驗風(fēng)速，顫振形態(tài)為純扭轉(zhuǎn)顫振)。

圖1 大橋總體布置及主梁斷面(單位:m)

m/s

注：表中ζt表示扭轉(zhuǎn)阻尼比，ζh表示豎彎阻尼比。

由表2可見，隨著結(jié)構(gòu)固有阻尼比的增加，該橋顫振臨界風(fēng)速也隨之提高，且效果明顯。此實驗表明，對于純扭轉(zhuǎn)形態(tài)顫振的鈍體主梁結(jié)構(gòu)懸索橋，增加結(jié)構(gòu)固有阻尼可作為提高橋梁顫振臨界風(fēng)速的一種有效措施。但是對于一座既定方案的大橋，其結(jié)構(gòu)阻尼值僅與其自身組成材料和結(jié)構(gòu)形式相關(guān)，因此其值大小也是固定不變的。要想增加其阻尼以達(dá)到抑制振動的目的，只有通過一些外在機(jī)械措施。目前國內(nèi)外研究較多及工程實例中應(yīng)用較廣的方法主要有被動控制措施，如調(diào)頻質(zhì)量阻尼器(TMD)、調(diào)頻液體阻尼器(TLD)和沖擊質(zhì)量阻尼器(ID)，以及主動控制措施，如主動調(diào)質(zhì)阻尼器(AMD)等。鑒于流線型扁平鋼箱梁截面形式的大跨度懸索橋，其顫振形態(tài)主要為彎扭耦合顫振，而為了抑制其豎向振動和扭轉(zhuǎn)振動，在梁體內(nèi)安裝TMD是一種極為有效的方法。下面就關(guān)于TMD的原理做一簡單介紹。

4 TMD的工作原理及應(yīng)用

TMD是在主動振動系統(tǒng)(M1,K1,C1)上附加一個動力消振系統(tǒng)(M2,K2,C2),通過調(diào)諧，使兩個系統(tǒng)產(chǎn)生強(qiáng)烈的耦合振動，使主動振動系統(tǒng)的振動能量最大限度地轉(zhuǎn)移到附加消振系統(tǒng)上，從而降低或消除主動振動系統(tǒng)的振動，而附加消振系統(tǒng)的振動能量又由其阻尼裝置加以耗散與控制，不至于無限制地加劇。TMD由彈簧、質(zhì)量和阻尼構(gòu)成(圖2)。其中容器中裝有液體，容器和下底板固連，橋梁節(jié)段和上頂板固連，直桿和阻尼片也和上頂板固連。當(dāng)橋梁節(jié)段運(yùn)動時，上頂板連同直桿和阻尼片隨之同步運(yùn)動，下底板、容器由彈簧產(chǎn)生相對運(yùn)動，阻尼片在容液中運(yùn)動提供阻尼。

圖2 調(diào)質(zhì)阻尼器結(jié)構(gòu)示意

為了有效抑制橋梁的豎向振動和扭轉(zhuǎn)振動，可在箱體內(nèi)對稱于梁體中心線布置兩組TMD，如圖3所示。

圖3 梁體內(nèi)TMD安裝示意

對于TMD，阻尼器和主動振動結(jié)構(gòu)的頻率比是影響控制效率的最主要因素，而其它因素如阻尼器的阻尼等對控制效率的影響則相對小得多。橋梁在風(fēng)作用下由于氣動剛度的作用，橋梁振動頻率會飄離其固有頻率，另一方面橋梁振動現(xiàn)象非常復(fù)雜，通過風(fēng)洞模型實驗并不能準(zhǔn)確掌握振動參數(shù)隨風(fēng)速的變化情況，這些因素均會使得被動TMD控制風(fēng)振的效果不盡如人意。鑒于此，又提出了半主動控制措施如對被動TMD進(jìn)行改進(jìn)后的半主動調(diào)質(zhì)阻尼器。半主動TMD通過在振動過程中自動調(diào)節(jié)質(zhì)量參數(shù)和彈簧參數(shù)來改變阻尼器的頻率，從而自動跟蹤橋梁振動的頻率，以達(dá)到對橋梁振動的最優(yōu)控制效率。由于橋梁振動的形式多樣且極易發(fā)生，如常見的有地震振動、風(fēng)致振動、車輛荷載振動等，工程界對橋梁抗振的理論研究和實踐探索歷史均已很長，而TMD無疑是其中研究得較多理論較為成熟的一種抗振措施。國內(nèi)外大量的工程實踐也證明,TMD對抑制橋梁結(jié)構(gòu)的振動能夠取得理想的效果。其中在橋梁抗風(fēng)領(lǐng)域，主要針對主梁的渦振、抖振和顫振，橋塔的渦振、抖振和弛振，以及斜拉橋的拉索渦振和雨振，還有懸索橋的吊桿渦振等問題。

由于顫振是一種自激發(fā)散型振動，當(dāng)風(fēng)速達(dá)到一定程度，其氣動負(fù)阻尼可能已遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于結(jié)構(gòu)自身阻尼，通過安裝TMD的措施雖然能在一定限度內(nèi)提高橋梁的顫振臨界風(fēng)速，但終究不是避免發(fā)生顫振的根本辦法。尤其TMD具有設(shè)計制作及安裝相當(dāng)復(fù)雜、造價高、需經(jīng)常維護(hù)等缺點(diǎn)，一般只限于在成橋運(yùn)營階段的抗風(fēng)措施中釆用。對于大跨度懸索橋的顫振問題，最重要的還是在其初步設(shè)計階段通過理論分析和風(fēng)洞模型實驗進(jìn)行科學(xué)的氣動選型，以保證其顫振臨界風(fēng)速大于相應(yīng)的顫振檢驗風(fēng)速。

5 結(jié)束語

本文以武漢陽邏長江大橋及另一大跨懸索橋為背景，運(yùn)用自編程序及風(fēng)洞試驗對其在不同結(jié)構(gòu)阻尼下的顫振臨界風(fēng)速進(jìn)行了理論計算和預(yù)測。結(jié)果表明，橋梁結(jié)構(gòu)自身阻尼對顫振臨界風(fēng)速具有重要影響，尤其對于純扭轉(zhuǎn)形態(tài)顫振的鈍體主梁結(jié)構(gòu)懸索橋影響顯著，可通過增大阻尼來達(dá)到有效抑制橋梁顫振的目的。而增大橋梁結(jié)構(gòu)阻尼可以通過在梁體內(nèi)安裝TMD等機(jī)械措施來實現(xiàn)。

[1] 廖海黎.大跨懸索橋風(fēng)致振動研究[D]. 成都：西南交通大學(xué)，1996

[2] 張新軍，陳艾榮. 不同主梁斷面形式的大跨度橋梁顫振機(jī)理研究[J]. 中國公路學(xué)報，2002，15(2)

[3] 陳艾榮,項海帆.大跨懸索橋梁的風(fēng)致振動控制[G]//. 中國土木工程學(xué)會橋梁及結(jié)構(gòu)工程學(xué)會第11屆年會論文集.廣東，1994

羅飛(1979～)，男，苗族，碩士研究生，工程師，從事橋梁設(shè)計工作。

U442.5+5

A

[定稿日期]2014-09-01