土木工程索結構減振控制方法綜述

劉理吾

摘要：索結構作為斜拉橋與懸索橋等大跨徑橋梁的主要傳力結構，在當今交通基礎設施的建設中發揮了重要作用。索結構具有高長細比與低阻尼等動力特性，極易在環境激勵或車輛荷載等激勵下發生大幅振動，使得結構容易出現疲勞破壞等問題，因此索結構的減振問題一直是工程界的研究熱點。本文總結了近幾年索結構減振控制方法及其組合在工程中的應用，從減振控制原理、減振控制具體作用方式及減振方法主要使用場景3個方面分析了各減振控制方法在理論研究及實際工程應用中的發展現狀，并針對各減振方法的優劣性及逆行了對比，得出的結論對于實際工程中減振方法的選取具有一定的指導作用。

關鍵詞：土木工程索結構減振控制阻尼器輔助索空氣動力學

中圖分類號：U445.7???????????????????????? 文獻標識碼：A

Summary of Vibration Control Methods for Cable Structures in Civil Engineering

LIU Liwu

（ Hunan Huda Civil Engineering Inspection Co.， Ltd.， Changsha， Hunan Province， 430056China）

Abstract： As the main force-transmitting structure of long-span bridges such as cable-stayed bridges and suspension bridges， cable structures play an important role in the construction of today's transportation infrastructure. The cable structure has dynamic characteristics such as high slenderness ratio and low damping， and it is very easy to vibrate greatly under the excitation of environmental excitation or vehicle load， which makes the structure prone to fatigue damage and other problems. Research hotspots. This paper summarizes the application of vibration reduction control methods and their combinations for cable structures in engineering in recent years， and analyzes the vibration reduction control methods from three aspects： vibration reduction control principle， specific action mode of vibration reduction control， and main application scenarios of vibration reduction methods. The development status in theoretical research and practical engineering application， and the advantages and disadvantages of each vibration reduction method and the retrograde comparison are compared.

Key Words： Civil Engineering; Cable Structures; Vibration Control; Dampers; Auxiliary Cables; Aerodynamics

隨著國家在交通基礎設施上的投入不斷增大，斜拉橋與懸索橋等大跨徑橋型逐漸得到了廣泛應用[1-3]。作為大跨徑橋梁的主要傳力機構，索結構在如今交通建設中正在發揮著極其重要的作用。索結構以承受拉力為主，具有高長細比與低阻尼等動力特性，極易在環境激勵或車輛荷載等激勵下發生大幅振動，產生疲勞損傷甚至斷裂等實際工程問題[4-6]。如何限制索結構的大幅振動問題，是如今工程界研究的熱點之一。下文就土木工程索結構減振控制方法進行探討。

1 減振控制原理分析

索結構具有低阻尼的特性，使得索結構極易在環境激勵或車輛荷載激勵下產生大幅振動，導致結構出現疲勞損傷，對橋梁的正常運營與安全施工產生不利影響。因此，索結構減振問題的一個基本出發點是提高索結構的阻尼特性，降低環境激勵或車輛荷載激勵下索結構的大幅振動，同時也有研究人員通過研究風雨荷載對索結構的作用機理提出一些限制水線形成的措施，以降低風雨荷載對索結構的影響。目前工程中常用的方法如下。（1）在索結構上設置端部阻尼器。（2）在主索之間設置輔助索。（3）空氣動力學措施。方法一：通過設置端部阻尼器，一方面可以消減外部激勵輸入的能量，另一方面可提高索結構的阻尼特性（提高模態阻尼比且增大結構自振頻率）。方法二：通過在主索之間設置輔助索，提高結構整體剛度，使得結構不易在外部激勵下產生大幅振動。方法三：通過改變結構表面形式，限制結構表面水線的形成，大大降低風雨荷載對結構的影響。

總體來說，目前的減振方法主要可分為兩類：（1）采用阻尼器與輔助索等外部措施，提高結構的剛度與阻尼特性，增大系統消減外部輸入能量的能力，進而降低疲勞損傷;（2）改變結構表面形式，使得結構表面不易形成“雨線”，降低外部激勵的作用。

2 減振控制研究方法

2.1 阻尼器振動控制研究

該方法通過在索結構端部設置阻尼器，提高結構的整體剛度與阻尼特性，增強結構耗散外部輸入能量的能力。此方面的研究有較多[7-9]，例如，汪峰等[8]研究了粘滯阻尼器作用下結構的阻尼特性。近期同濟大學孫利民等[9]研究了拉索-雙阻尼器系統的動力特性。研究中首先根據阻尼器的作用類型（如粘滯阻尼器與高阻尼橡膠阻尼器等不同類型阻尼器的作用機理存在較大的不同）將其簡化成相應的力學模型，然后采用結構動力學方法或者有限元等方法，建立相應的索結構-阻尼器系統動力學模型，進而分析結構的阻尼特性，最后根據分析結果對實際工程提出一些可行的建議。根據阻尼器個數的不同，目前已經構建了諸如拉索-單阻尼器系統[6]、拉索-雙阻尼器系統[7]與拉索-多阻尼器系統[8]等多個力學模型。上述研究中阻尼器的類型又可分為粘滯阻尼器或者高阻尼橡膠阻尼器等多種作用機理不同的阻尼器，由此形成了較為完善的阻尼器減振控制研究。

總體來說，阻尼器減振控制方法是較為常用的減振手段，由此形成的多個索結構-阻尼器力學模型的動力特性研究也已趨于完善。但是，由于阻尼器一般僅能被設置于結構端部很小的區域內，而該部分區域對于結構整體動力特性的影響非常有限，因此如何提高阻尼器減振控制方法的作用將是一個重要的研究方向。

2.2 輔助索振動控制研究

此種減振措施通過將相鄰兩根或多根主索進行連接形成索網結構，提高原始單索結構的剛度，使得結構不易在環境激勵下產生共振。關于輔助索減振的研究有很多[10-13]，例如，高云峰等人[10]研究了輔助索于阻尼器同時作用下的系統阻尼特性;趙洋等人[11]研究了輔助索對H形吊桿的抖振控制作用，研究首先根據輔助索的作用類型（如鋼絲繩、尼龍繩或形狀記憶合金等不同材質的輔助索類型）將其簡化成相應的力學模型，然后采用結構動力學方法或者有限元方法，建立不同類型索網結構的力學模型，最后根據分析結果對實際工程提出一些可行的建議。根據輔助索作用機制的不同，該部分的研究對象大致涉及雙索-單輔助索、雙索-多輔助索、多索-單輔助索及多索-多輔助索等力學模型。

在主索之間設置輔助索可大大提高原始單索結構的剛度，但這同時也增加了結構的復雜程度。因此目前的研究主要還是集中于索結構的動力特性研究，對于索網結構的索力測試問題還是一個較為薄弱的研究方向。

2.3 空氣動力學措施振動控制研究

空氣動力學減振方法從索結構大幅振動產生機理出發，通過改變索結構表面粗糙程度或橫截面形狀來破壞水線在結構表面的形成和振蕩，如在結構表面纏繞螺旋線、增加凹坑或縱向肋條等，從而達到減振的效果[14-18]。國內外關于此方法的研究較多，例如，畢繼紅等[14]研究了帶有縱向肋條斜拉索的風雨激振減振機理研究，結果表面結構表面縱向肋條的存在可在一定程度上減小了水線的厚度從而達到一定的減振效果;李錦華等[15]研究了雨滴沖擊荷載對斜拉索的作用，并針對限制風雨激振提出了一些可行的建議;劉小兵等[16]在其研究中提出了一種新的斜拉索風雨激振試驗裝置;余維光[17]開展了考慮雨水沖擊的斜拉索風雨激振研究;關健[18]開展了斜拉索風雨激振理論模型及參數化分析研究。

總而言之，該方法具有造價低、易于維護的優點，在國內外很多斜拉橋上得到應用。但由于風雨激振需要考慮的影響因素較多，如何精確的分析風雨激振作用依然是一個難點。

3 現有減振方法優劣性分析

本文整理了目前常用的索結構減振措施，各方法優劣如下。

（1）阻尼器減振措施。在結構端部安裝阻尼器，可以提高結構的整體剛度與阻尼特性，且操作起來較為方便，便于工程應用。但由于阻尼器安裝位置一般被限制在結構端部區域，在一定程度上限制了阻尼器發揮更大的作用。

（2）輔助索減振措施。在主索之間設置輔助索形成索網結構，可同時提高相鄰主索的剛度，使得結構不易在環境激勵下產生大幅振動。該方法易操作且易于維護，但輔助索的存在使得原始單索結構變得較為復雜，關于該復雜力學模型索力測試問題的研究還較少。

（3）空氣動力學措施。通過改變結構表面粗糙程度或橫截面形狀等措施來限制水線的形成，從而降低風雨激振對結構的影響。該方法造價低且易于維護，但是實際工程中研究風雨激振需要考慮的因素較多，因此如何精確地分析風雨激振依然是一個難點。

4 結語

隨著交通運輸業的發展，斜拉橋與懸索橋等大跨徑橋梁得以廣泛應用。顯而易見，兩種橋型的發展對索結構的力學性能提出了更高的要求，尤其是對減振技術提出了較高的要求。關于索結構減振控制方法的研究較多，目前已經形成了在結構端部設置阻尼器、在主索之間設置輔助索以及改變結構表面形式等多種減振方法。本文針對3種方法的作用機理及優劣性進行了簡單的闡述，具體結論如下。

（1）阻尼器減振措施具有較好的減振效果，但由于其一般僅被設置在結構端部，大大限制了阻尼器在長索結構中的減振作用，對于中短索具有較好的效果。

（2）輔助索通過將相鄰主索連接形成索網結構，提高原始單索結構的剛度，在中長索中均具有較好的適用性。

（3）空氣動力學措施通過改變結構表面形式來限制風雨激振對結構的作用，在各種索中均具有一定的適用性。

（4）實際工程中，選取具體的減振措施時，可定性建立結構系統模型，以系統的最優阻尼比或最大自振頻率等作為判定指標，并通過遺傳算法與粒子群算法等智能算法來合理選取某一種減振方法或多種控制方法組合作用的手段。

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