大跨度斜拉橋斜拉索減振器設計與施工

摘要 文章旨在探討大跨度斜拉橋外置式減振器的設計與施工方法，以提高大橋的抗振動性能和使用壽命。隨著大跨度斜拉橋的廣泛應用，斜拉索在各種外界荷載作用下的振動問題日益突出，嚴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價值。首先，從理論分析上綜述了大跨度斜拉橋減振器的設計理論，包括黏滯阻尼器的工作原理和參數優化；然后，在數值模擬上對大跨度斜拉橋進行動力特性分析；再次，經過參數化研究對不同減振器參數（如阻尼系數和速度指數等）進行敏感性分析，以確定最優的設計參數；最后，在工程實踐中結合實際工程實際，分析減振器在施工過程中的關鍵技術問題，包括安裝方法和質量控制等，以達到減小和抑制斜拉索振動的目的。

關鍵詞 大跨度；斜拉橋；減振器；設計；施工

中圖分類號 U448 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2025）05-0152-03

0 引言

該大橋是209國道跨越長江的一座特大型橋梁，主橋結構形式為雙塔雙索面預應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，南北兩岸承臺以上塔高分別為207 m和212 m。橋面全寬22 m，其中兩側錨索區各為1.5 m，橋面有效寬度為19 m，為雙向四車道，全橋共設96對鍍鋅低松弛高強度平行鋼絲斜拉索，平行鋼絲的標準抗拉強度為1 670 MPa，彈性模量為2×103 MPa，為雙層PE防護，采用工廠生產的成品索，斜拉索共有PES-139、PES-163、PES-223、PES-253和PES-295等5種型號。

斜拉索是大跨度斜拉橋的主要承重構件，具有相對柔軟的性能，自振頻率和模態阻尼比都很小，在外力作用下振動會較大。長期振動會使拉索處于一定交變應力的循環作用，在應力相對集中的拉索錨固區，可能發生索的疲勞破壞，導致梁體產生裂紋，高密度聚乙烯（PE）護套及拉索端部索套破裂，發生滲水，產生銹蝕，嚴重危及梁體結構安全，縮短使用壽命。拉索的大幅振動，還會使行駛的車輛和行人產生不適感和不安全感，影響橋梁的正常運營。因此，在該橋的斜拉索上安裝黏性剪切型阻尼減振器（VSD），以達到減小和抑制振動的目的。

1 大橋斜拉索渦激振動響應計算

由于斜拉索的柔性特點，其自振頻率較低，大橋索長大于100 m的斜拉索的基頻都在1 Hz以下。對于長索，按照索的振動理論，索的第N階振動頻率約為基頻的N倍。根據圓柱截面渦激振動的斯脫羅哈數（Strouhal Nuber），索發生周期性渦激振動的臨界風速（共振風速）V＝f4/0.2，可見在風速比較低的情況下，斜拉索就可能發生高階共振。因此，計算黏性剪切型阻尼減振器的參數時，必須針對斜拉索包括基頻的10階振動模態進行優化計算，表1列出了斜拉索的10階頻率及臨界風速。

2 黏性剪切型阻尼減振器的設計

阻尼減振器的總體設計，應充分注意阻尼減振器功能的實現、阻尼減振器外形與橋梁的協調，阻尼減振器便于制造、安裝和維護，以及阻尼減振器制造的經濟性。

阻尼減振器與斜拉索連接的上部結構采取螺栓連接形式，以便于上部連接結構在斜拉索上的固定和安裝。阻尼器下部連接結構的設計重點在于確保阻尼器的定位準確牢靠，易于施工安裝，結構簡單輕巧，具有足夠的剛度，在阻尼力作用下不產生大的變形。阻尼器結構的設計，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，結構具有足夠的剛度，便于制造安裝，以及與上下連接結構的協調與匹配。阻尼器結構由上、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計算給出。為使阻尼器外形美觀，外形應設計成曲面，阻尼器的下板為單箱兩室。

阻尼減振器外部的噴涂材料，應選擇對鋼結構表面防腐有效的噴涂無機富鋅底漆、氯化橡膠底漆，而色彩則根據整體外觀選擇為珍珠白。

高黏度黏性阻尼材料，應采用國外進口的高質量耐久性阻尼材料。一般國內生產的高黏度黏性阻尼材料的動力黏性系數μ大約為10 000 Pa·s，而國外進口的高黏度黏性材料的動力黏性系數μ可達25 000 Pa·s，比重為970 kg/m3。同時，國外公司對高黏度阻尼材料的抗老化性能進行了改善，其使用壽命得以大大提高，可達20年。

3 黏性剪切型阻尼減振器的生產工藝

（1）所有構件的平行度、垂直度誤差均小于1 mm。

（2）除圖紙標明公差外，橋面粗糙度均不大于15 um。

（3）構件之間所有焊縫高度為4 mm，嚴禁出現咬邊、氣孔、夾渣等現象，焊接完畢后，構件表面應光潔、無明顯魚紋、無飛濺，構件的焊接變形應及時進行矯正[1]。

（4）各構件之間的配合公差均不得超過2 mm。

（5）構件表面涂裝采用以下工序：酸洗—磷化—無機富鋅—底漆—氯化橡膠面漆工藝，每道工藝干燥徹底后才能進入下道工序。

（6）減振器加工涂裝后進行打包，防撞裝箱。

4 黏性剪切阻尼減振器的安裝工藝

在正式安裝開始前，首先對橋面的狀況、減振器座預埋板的安裝質量、安裝位置的橋面標高等進行深入調查，對減振器底座預埋板安裝不合格的進行補裝，確保固定在橋面的阻尼減振器的基座位置準確及連接可靠。減振器運抵施工現場后，按如圖1所示的流程及工藝進行安裝。

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）首先根據優化參數理論計算的減振器安裝高度，將索夾固定在斜拉索的相應位置，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橡膠護墊，以防止破壞拉索的PE護套[3]。

（2）利用鉛垂、直角尺和鋼尺測定減振器的中軸線與斜拉索中心線垂直正交。

（3）測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，進行下容器底板與基座的焊接。焊縫要求無裂縫、夾焊和焊瘤等缺陷[4]。

（4）試組裝完成后，卸掉上下容器。

（5）根據最后計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，上容器側壁板的四周底板到下容器底板頂面及上下容器側壁板外壁橫橋向距離的誤差應小于±5 mm。

（6）全橋減振器安裝完成后，抽取有代表性的幾根索進行檢測，對比減振器安裝前后拉索的阻尼值，同時檢測安裝后拉索的對數衰減率是否滿足?≥0.03。

（7）在減振器的定位、安裝過程中，必須在技術人員的指導下進行，而且每道工序必須在質檢人員檢查合格后，才能進入下道工序。

（8）全橋減振器安裝調試完成后，進行基座的油漆噴涂，油漆前應清除鋼板表面的油污、氧化皮、焊渣等，并作防銹處理。經過磷化處理后，噴涂無機富鋅底漆、氯化橡膠面漆[5]。

5 黏性剪切型阻尼器應用于實橋的減振效果優化

該橋梁的阻尼器布置在振動最顯著的跨中和支座附近，以最大化減振效果。根據該橋結構特點，確定阻尼器的數量和分布，避免局部過載或減振不均。阻尼器的剛度應與橋梁結構匹配，避免因剛度不匹配而影響減振效果。模擬橋梁振動和阻尼器效果，優化設計參數。通過優化阻尼器參數、布置、結構、材料、控制措施，并結合實驗與仿真驗證，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根最長的24號索和4根最短的13號索進行試驗，試驗方法是設置不同的阻尼參數采用人工激振，通過系統收集試驗數據并進行分析，將試驗數據與計算數據進行比對和比較后，對阻尼參數進行優化，確保減振器的減振效果達到最佳。

6 抽樣檢測斜拉索黏性剪切型阻尼器的減振效果

抽樣檢測前，應確保斜拉索黏性剪切型阻尼器安裝正確、無損壞。在斜拉索關鍵位置安裝加速度傳感器、位移傳感器等，監測振動響應。利用自然風、環境激勵進行測試。選擇具有代表性的斜拉索（如不同長度、位置或振動特性）進行測試。根據斜拉索總數和工程要求，確定抽樣數量，通常為總數的10%～20%。首先在不安裝斜拉索黏性剪切型阻尼器的情況下，記錄斜拉索的振動數據；然后，安裝斜拉索黏性剪切型阻尼器后，記錄相同激勵條件下的振動數據。通過比較振動幅值、衰減時間等，分析頻率變化，計算斜拉索黏性剪切型阻尼器安裝前后的振動幅值變化，對比固有頻率、振型等模態參數的變化，評估VSD的整體減振效果，確保其在實際應用中的有效性。

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根索進行檢測，使試驗索總數量達到14根，抽樣率大于10％，以達到驗證減振器的效果。對檢測斜拉索人工激振時的信號進行處理和分析，得到各檢測索的對數衰減率如表2所示：

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

7 觀測斜拉索的風響應

斜拉索的風響應觀測是橋梁工程和結構健康監測的重要內容，主要用于評估斜拉索在風荷載作用下的振動特性，確保橋梁的安全性和耐久性。在同樣的風環境下，在安裝減振器前后的兩種工況下，進行斜拉索的風響應測量，對風響應信號進行對比分析，得出相同自然風作用下減振器的抑振效果。

在橋面4級風的情況下，進行斜拉索的風響應觀測試驗，安裝減振器前的斜拉索出現了固定頻率的振動，而安裝減振器后斜拉索的振動則為寬帶的隨機響應信號，表明索的受迫振動得到了充分抑制。通過斜拉索的風響應觀測，有效評估了其在風荷載作用下的動態行為，確保橋梁結構的安全性和可靠性。

8 斜拉索黏性剪切型阻尼器施工的質量控制

施工前應對材料進行嚴格的檢測，確保其性能符合設計要求、參數符合設計標準，并對阻尼器的各個部件進行檢查，確保無損壞和缺陷。準備必要的檢測設備，用于施工過程中的實時監測。在施工過程中，精確測量安裝位置和角度，確保符合設計要求。嚴格按照設計要求使用張拉設備，在誤差允許范圍內進行張拉作業，確保張拉力的準確控制。在張拉過程中，應逐步增加張拉力，避免過快的張拉速度導致斜拉索的振動和疲勞損傷。施工完成后，進行詳細的檢查，確保所有連接部位牢固可靠，無松動和滲漏現象。使用位移傳感器和力傳感器進行實時監測，確保阻尼器在安裝后的初始狀態符合設計要求，并進行長期監測，同時需要定期檢查阻尼器的性能和狀態，確保其在長期使用過程中的性能穩定。定期進行維護和保養，及時發現和處理可能出現的問題。

9 結論

工程實踐表明，支承體系和阻尼器的組合方案在抗振性能上的效果明顯。施工過程中的質量控制和技術細節對減振器的性能發揮至關重要，通過優化安裝方法和加強質量監控，可以有效提高減振器的施工質量。該大橋斜拉索黏性剪切型阻尼減振器設計合理，安裝外置式黏性剪切型阻尼振器后的斜拉索阻尼的對數衰減率大于或接近0.03，滿足橋梁界一般認為當附加阻尼的對數衰減率為0.025～0.03時，可有效減小斜索各種振動的要求。該大橋外置式黏性剪切型阻尼振器的設計和施工，可為類似大跨度斜拉橋的減振設計和施工提供參考，具有重要的工程應用價值。

參考文獻

[1]楊天偉，姜金星.斜拉索黏性剪切型阻尼器在永川長江大橋的應用[J].工程建設與設計， 2017（3）：120-122.

[2]劉德清，趙海威，汪正興，等.石首長江公路大橋斜拉索杠桿質量阻尼器應用研究[J].世界橋梁， 2021（2）：71-77.

[3]張武劍.大跨度斜拉橋施工及成橋階段減振抑振綜合技術研究[R].江西省高速公路投資集團有限責任公司， 2016.

[4]劉超，楊名超，周柏宇，等.大跨度結合梁斜拉橋減振研究[J].交通科技， 2015（3）：5-8.

[5]陳圣球.基于SIMPACK的一座大跨度斜拉橋的車橋耦合振動分析[D].北京：北京交通大學， 2019.