基于梁-索-阻尼器耦合振動(dòng)的阻尼器減振效果數(shù)值分析?

劉大洋,胡建新,廖敬波,劉波

(招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司,重慶 400067)

?

基于梁-索-阻尼器耦合振動(dòng)的阻尼器減振效果數(shù)值分析?

劉大洋,胡建新,廖敬波,劉波

(招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司,重慶 400067)

摘要:以廈漳跨海大橋2根安裝外置阻尼器的不同參數(shù)的斜拉索為工程背景,通過數(shù)值方法分析在梁-索-阻尼器耦合振動(dòng)下外置阻尼器對(duì)拉索位移、速度、加速度的減振效果。結(jié)果表明,較短的S05拉索,外置阻尼器對(duì)拉索振動(dòng)的位移、速度、加速度的減振幅度為41.32%～66.55%,減振效果均很明顯;較長(zhǎng)的N18拉索,外置阻尼器對(duì)拉索振動(dòng)的位移、速度、加速度的減振幅度分別為12.53%～59.04%、20.92%～60.18%、40.58%～62.07%,長(zhǎng)索各采集點(diǎn)的3個(gè)參數(shù)的減振幅值隨采集點(diǎn)向L/2索長(zhǎng)高度延伸均有不同程度的減小,3個(gè)參數(shù)減振幅值減小趨勢(shì)由大到小依次為位移參數(shù)、速度參數(shù)、加速度參數(shù)。

關(guān)鍵詞:橋梁;耦合振動(dòng);外置阻尼器;減振效果;數(shù)值分析

近幾十年,隨著高強(qiáng)材料、設(shè)計(jì)理論、計(jì)算機(jī)工具的快速發(fā)展及施工工藝與管理水平的不斷提高,景觀優(yōu)美、跨越能力強(qiáng)的斜拉橋得到突飛猛進(jìn)的發(fā)展。隨著跨徑的不斷增大,斜拉索的大幅振動(dòng)問題越發(fā)嚴(yán)重。拉索的振動(dòng),使拉索錨固端、拉索與錨具的結(jié)合處出現(xiàn)疲勞裂紋,索中平行鋼絲產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)而使PE等保護(hù)材料發(fā)生破壞,鋼絲出現(xiàn)銹蝕,威脅整個(gè)橋梁的安全。

在工程應(yīng)用中,為抑制拉索的大幅振動(dòng),在橋面與拉索之間安裝外置剪切型粘滯阻尼器成為常用的減振手段之一,該阻尼器可提供較大的阻尼力,且具有減振效果明顯、價(jià)格低廉、可靠性高、魯棒性好等特點(diǎn)。拉索安裝外置阻尼器后,拉索的振動(dòng)模型變?yōu)榱?索-阻尼器的耦合振動(dòng),而目前關(guān)于耦合振動(dòng)下外置阻尼器對(duì)拉索減振效果的相關(guān)研究較少。該文以廈漳跨海大橋2根分別代表不同長(zhǎng)度、彎曲剛度、索力、外置阻尼器等參數(shù)的拉索為工程背景,通過有限元軟件建立單根拉索的梁-索-阻尼器模型,引入拉索與阻尼器端部實(shí)際存在的外界環(huán)境激勵(lì),分析該激勵(lì)下外置阻尼器對(duì)拉索的減振效果。

1 梁-索-阻尼器耦合振動(dòng)介紹

隨著有限元計(jì)算方法的不斷發(fā)展,以前很復(fù)雜的耦合振動(dòng)問題成為研究熱點(diǎn)。該文針對(duì)安裝外置阻尼器減振設(shè)備的長(zhǎng)短斜拉索,通過在有限元分析模型中施加白噪聲激勵(lì)來模擬現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境激勵(lì)。常見梁-索-阻尼器耦合振動(dòng)模型有:1)不考慮橋面對(duì)拉索端部的外界時(shí)程激勵(lì);2)只考慮橋面對(duì)拉索端部的外界時(shí)程激勵(lì);3)只考慮橋面對(duì)阻尼器安裝端部的外界時(shí)程激勵(lì);4)同時(shí)考慮橋面對(duì)拉索端部和阻尼器安裝端部的外界時(shí)程激勵(lì)(見圖1)。

圖1(a)最為簡(jiǎn)化,即在現(xiàn)場(chǎng)不考慮拉索端部和阻尼器端部的環(huán)境激勵(lì),這也是目前在工程中經(jīng)常采用的簡(jiǎn)化方法。但在實(shí)際橋梁中,橋面的環(huán)境激勵(lì)是不可避免的,尤其是大跨度斜拉橋。圖1(b)只在拉索端部施加時(shí)程激勵(lì),模擬主梁-拉索的耦合振動(dòng)。圖1(c)只在阻尼器端部施加時(shí)程激勵(lì),由于在橋上阻尼器的安裝位置距拉索的橋面錨固端較近,拉索端部和阻尼器安裝端部的橋面振動(dòng)相差較小。該文研究中不單獨(dú)考慮這種情況,而是直接按圖1(d)考慮,在拉索端部和阻尼器安裝端部同時(shí)施加x、y方向的位移時(shí)程激勵(lì)。

2 梁-索-阻尼器耦合振動(dòng)建模

2.1 拉索基本參數(shù)

選取廈漳跨海大橋南汊主橋一根相對(duì)短索和北汊主橋一根相對(duì)長(zhǎng)索為研究對(duì)象,拉索編號(hào)分別為S05與N18,其基本參數(shù)見表1。

圖1 常見梁-索-阻尼器耦合振動(dòng)模型

表1 拉索的技術(shù)參數(shù)

拉索的橋面激勵(lì)在模型中用高斯白噪聲模擬。高斯白噪聲幅值服從高斯分布,功率譜密度服從均勻分布,可較好地模擬橋面的環(huán)境激勵(lì)。模擬橋面激勵(lì)的高斯白噪聲位移時(shí)程見圖2。

圖2 橋面激勵(lì)的高斯白噪聲位移時(shí)程曲線

2.2 拉索模型建立

采用有限元軟件ANSYS建立梁-索-阻尼器的耦合振動(dòng)模型,模型中的拉索采用Link10單元模擬,Link10單元具有雙線性剛度矩陣特性及應(yīng)力剛化、大變形功能,是軸向僅受拉或僅受壓桿單元。阻尼器系統(tǒng)采用Combin14單元模擬,Combin14是一個(gè)彈簧-阻尼器系統(tǒng)單元,具有彈簧常數(shù)K與阻尼系數(shù)C兩個(gè)實(shí)常數(shù)。

建立拉索模型,對(duì)拉索的兩端和阻尼器端部節(jié)點(diǎn)施加全約束,按傾角方向施加重力加速度模擬拉索斜度。先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行靜力分析、模態(tài)分析,得出拉索的自振頻率;再對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行瞬態(tài)分析,按上述工況分別在拉索橋面端部輸入位移時(shí)程、拉索和阻尼器端部同時(shí)輸入位移時(shí)程,提取拉索不同位置的位移、速度、加速度時(shí)程曲線。2根拉索的信號(hào)采集點(diǎn)見圖3。

圖3 拉索采集點(diǎn)示意圖(單位:m)

數(shù)據(jù)采集點(diǎn)的布置首先考慮阻尼器的位置,短索的第一個(gè)測(cè)點(diǎn)布置在阻尼器位置,剩余測(cè)點(diǎn)依次向拉索中間布置至L/2;長(zhǎng)索的第一個(gè)測(cè)點(diǎn)布置在橋面與阻尼器之間,第二個(gè)測(cè)點(diǎn)布置在阻尼器位置,剩余測(cè)點(diǎn)依次向拉索中間布置至L/2。

在有限元模型中分別采集以上各測(cè)點(diǎn)在白噪聲激勵(lì)下的位移、速度和加速度時(shí)程曲線。

3 梁-索-阻尼器耦合振動(dòng)數(shù)據(jù)分析處理

3.1 信號(hào)降噪處理

在模型中施加模擬環(huán)境激勵(lì)的位移白噪聲時(shí),采集的數(shù)據(jù)信號(hào)會(huì)受到很多高頻信號(hào)的干擾,以sym7小波基為降噪小波基,對(duì)采集的位移、速度和加速度信號(hào)進(jìn)行降噪處理,通過降噪后與降噪前信號(hào)的信噪比和均方根誤差來判斷降噪效果。以S05號(hào)拉索在拉索與阻尼器端部同時(shí)輸入位移時(shí)程工況下P4點(diǎn)的速度信號(hào)為例,降噪效果見圖4。

通過對(duì)P4點(diǎn)位移、速度和加速度信號(hào)的降噪效果對(duì)比,發(fā)現(xiàn)P4點(diǎn)3種信號(hào)的降噪效果中,速度的降噪效果最好,位移的降噪效果次之,加速度的降噪效果較差。

3.2 阻尼器的減振效果

通過采集安裝外置阻尼器前后2根拉索的位移、速度和加速度信號(hào)并進(jìn)行分析,對(duì)比外置阻尼器對(duì)長(zhǎng)、短拉索的減振效果。

3.2.1 短索的減振效果

南汊主橋S05號(hào)拉索的P1點(diǎn)位于阻尼器位置[見圖3(a)],距橋面較近,本身的振幅很小,加之在阻尼器端部施加有位移時(shí)程激勵(lì)。因此,該點(diǎn)的減振效果不作對(duì)比。以拉索L/2點(diǎn)為例,繪圖說明在安裝外置阻尼器前后位移、速度和加速度時(shí)程的減振效果(見圖5)。其余P2、P3、P4點(diǎn)的外置阻尼器的減振效果不單獨(dú)列圖,直接用表格對(duì)比減振作用(見表2)。

圖5 S05號(hào)拉索L/2點(diǎn)的減振效果對(duì)比

表2 短索外置阻尼器減振效果對(duì)比

由圖5可看出:安裝外置阻尼器后,位移、速度和加速度的減振效果均很明顯。

由表2可看出:S05號(hào)拉索在安裝外置阻尼器后,3個(gè)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)的位移減振幅值為51.91%～61.33%,速度減振幅值為55.14%～75.16%,加速度減振幅值為41.32%～66.55%,減振效果均很明顯。短索各采集點(diǎn)的3個(gè)參數(shù)的減振幅值隨采集點(diǎn)向L/2索長(zhǎng)高度延伸無(wú)明顯變化。

3.2.2 長(zhǎng)索的減振效果

北汊主橋的N18號(hào)拉索的第一個(gè)采集點(diǎn)P1′位于外置阻尼器與橋面的中點(diǎn)位置[見圖3(b)],此處振幅較小,且受拉索端部和阻尼器端部的位移時(shí)程激勵(lì)的影響。第二個(gè)采集點(diǎn)P2′位于阻尼器位置,受阻尼器端部施加的位移時(shí)程激勵(lì)的影響。因此,不對(duì)P1′、P2′點(diǎn)的采集信號(hào)作減振效果對(duì)比。P3′、P4′、P5′點(diǎn)的外置阻尼器位移、速度和加速度的減振效果見表3。

表3 長(zhǎng)索外置阻尼器減振效果對(duì)比

由表3可看出:N18號(hào)拉索在安裝外置阻尼器后,3個(gè)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)的位移減振幅值為12.53%～59.04%,速度減振幅值為20.92%～60.18%,加速度減振幅值為40.58%～62.07%。相對(duì)于短索,長(zhǎng)索各采集點(diǎn)的3個(gè)參數(shù)的減振幅值隨采集點(diǎn)向L/2索長(zhǎng)高度延伸均有不同程度的減小,其中位移減振幅值減小趨勢(shì)最明顯,速度減振幅值減小趨勢(shì)次之,加速度減振幅值減小趨勢(shì)最小。

4 結(jié)論

該文通過有限元軟件模擬單根拉索的梁-索-阻尼器耦合振動(dòng),按照斜拉索阻尼器的實(shí)際位置參數(shù)與阻尼器參數(shù),引入拉索與阻尼器端部實(shí)際存在的外界環(huán)境激勵(lì),分析該種激勵(lì)下外置阻尼器對(duì)拉索的減振作用,主要結(jié)論如下:

(1)對(duì)于較短的S05拉索,在安裝外置阻尼器后,3個(gè)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)的位移減振幅值為51.91%～61.33%,速度減振幅值為55.14%～75.16%,加速度減振幅值為41.32%～66.55%,減振效果明顯。

(2)對(duì)于較長(zhǎng)的N18拉索,在安裝外置阻尼器后,3個(gè)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)的位移減振幅值為12.53%～59.04%,速度減振幅值為20.92%～60.18%,加速度減振幅值為40.58%～62.07%。相對(duì)于短索,長(zhǎng)索各采集點(diǎn)的3個(gè)參數(shù)的減振幅值隨采集點(diǎn)向L/2索長(zhǎng)高度延伸均有不同程度的減小,其中位移減振幅值減小趨勢(shì)最明顯,其次為速度減振幅值減小趨勢(shì),加速度減振幅值減小趨勢(shì)最小。

參考文獻(xiàn):

[1]Sena Kumarasena,Nicholas P Jones,Peter Irwin,et al.Wind induced vibration of stay cables[R].Federal Highway Administration,2005.

[2]項(xiàng)海帆.現(xiàn)代橋梁抗風(fēng)理論與實(shí)踐[M].北京:人民交通出版社,2005.

[3]王修勇,陳政清,倪一清.斜拉橋拉索風(fēng)雨振觀測(cè)及其控制[J].土木工程學(xué)報(bào),2003,36(6).

[4]郭亞.振動(dòng)信號(hào)處理中的小波基選擇研究[D].合肥:合肥理工大學(xué),2003.

[5]梁棟,陳培,李巖峰.索梁耦合振動(dòng)對(duì)拉索阻尼器的影響機(jī)理[J].振動(dòng)、測(cè)試與診斷,2014,34(1).

收稿日期:2015-11-10

基金項(xiàng)目:?重慶市科技人才計(jì)劃項(xiàng)目(cstc2014kjrc-qnrc30003)

中圖分類號(hào):U441

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):1671-2668(2016)02-0154-04