斜拉索减振制振措施

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摘要：通过对国内外斜拉桥拉索振动控制资料的搜集整理，研究斜拉索减振原理及措施，总结出目前桥梁工程中比较关心的斜拉索阻尼器的应用及其减振机理，经过对比分析，给出常用斜拉索阻尼器的设计参数及设计性能表，便于工程应用中关于斜拉索的减振器的选择。

关键词：桥梁工程斜拉索阻尼器减振机理

Abstract: Through collecting and tidying the vibration control information of stay cables domestic and international, studied the stay-cables damping principle and measures, summed up the application and damping mechanism of present bridge engineering comparative concerned stay-cables damper, through contrast analysis get the design parameters and design performance table of stay cabls damper commonly used, facilitate engineering application of shock absorber of stay-cables choic.

Key words: bridge egineeringstay cablesdampervibration attenuation

0前言

大跨径斜拉桥的拉索由于长细比大，因而固有频率和模态阻尼比很低， 在外部激励下极易振动。特别是风雨激振时拉索会发生令人吃惊的大幅振动。目前，拉索的大幅振动已成为斜拉桥建造中亟待研究解决的关键问题之一，深入进行斜拉索振动及减振机理的研究，寻求经济、合理、美观的减振措施和装置是必须面临的一个重要而紧迫的任务。

随着对斜拉桥拉索振动控制的重视，愈来愈多的桥梁在设计阶段即已开展了斜拉索减振措施和装置的研究，如表1所示。

斜拉索减振的基本途径及控制目标

1.1减振的基本途径

斜拉索的振动都是由外部激励引起的，而振动的剧烈程度则由激励的强弱、拉索本身的结构特点及力学性能所决定。斜拉桥的拉索减振措施也只能从两个方面入手，即抑制拉索激励的强度和改变拉索本身的结构特点及力学性能。

就目前而言，针对风的动力作用对结构外表形状和动力特性（即结构的刚度、质量及阻尼的大小及其分布）极其敏感的特性，实桥上拉索采用的防止或抑制拉索风振的方法有以下几种：空气动力措施、辅助索措施、阻尼器措施、其他措施。

1.2控制目标

拉索振动控制的目的是：通过提高拉索的阻尼或提高拉索的刚度以抑制拉索的振动或减小振动的幅值。

（1）拉索振动控制的目标阻尼值：在施加减振措施或装置后使拉索阻尼（对数衰减率）δ＞（0.03～0.04）。

（2）振幅的控制目标：在施加减振措施和装置后应使拉索的单边振幅y和拉索的长度L之比 。

2 阻尼器措施

拉索易于振动的主要原因是拉索具有非常低的固有结构阻尼，因此在拉索的端部安装阻尼器给拉索附加阻尼（图1），可以有效地抑制或减小拉索的振动。

阻尼器措施简单有效且较为经济，从而得到广泛应用。目前虽然对拉索的风雨激振等风振现象的机理仍在研究之中，但是已经明确:只要将拉索的低阶振动模态的对数衰减率增加到0.02～0.03以上，即可有效防止拉索的风雨激振；当拉索低阶振动模态的对数衰减率增加到0.05时可以防止并排拉索的尾流驰振。

阻尼器安装的目的是为了提高拉索的结构阻尼，目前应用的阻尼器多是速度依存型的，可以利用复数特征值法求解阻尼器所应提供的阻尼。如果不考虑拉索垂度和阻尼器自身刚度对减振效果的影响，可以用图2来确定阻尼器应提供的阻尼。从图2中可以看到拉索在安装阻尼器后所获得的最大模态阻尼比ξi与阻尼器的安装高度参数Xc/L 有关。安装高度参数Xc/L 越大则附加到拉索的模态阻尼越大。但是，实际由于阻尼器结构和桥梁景观的限制，阻尼器不可能安装得太高。

根据阻尼材料和工作机理的不同，拉索阻尼器主要可分为：高阻尼橡胶阻尼器、粘滞阻尼器（油阻尼器）、粘性剪切型阻尼器、磁流变阻尼器（MR阻尼器)、永磁铁阻尼器（磁力阻尼器）、摩擦阻尼器。

工程应用：高阻尼橡胶阻尼器的减振效果完全取决于材料的阻尼特性和安装高度，在日本应用较多，如主跨为890m的多多罗大桥，即采用挤压型高阻尼橡胶阻尼器。粘性剪切型阻尼器在我国斜拉桥中应用较广，经统计有23座大桥安装了该类型阻尼器。粘滞阻尼器在国外有多座桥梁应用，国内苏通大桥采用进口的该类型阻尼器，南京长江二桥和杭州钱塘江三桥使用国内的产品。磁流变阻尼器在我国应用不多，有宁波招宝山大桥、山东滨州大桥、洞庭湖大桥和苏通大桥。磁力阻尼器构造简单，成本、维修费用均较低，但未见在大跨度斜拉桥上应用过。国内仅浏阳河桥和长沙机场路上的小斜拉桥采用过永磁铁阻尼器a的形式。国外仅日本在跨径219m的天建桥上采用过永磁铁阻尼器b。摩擦阻尼器已安装于瑞典的乌德瓦拉大桥、波兰的格丹斯克桥的最长索上和西班牙的巴达霍斯大桥的所有拉索上。韩国主跨800m的仁川大桥也安装了摩擦阻尼器，国内尚无安装实例。

2.1 高阻尼橡胶阻尼器

在拉索与护筒之间安装高阻尼橡胶块，利用拉索与护筒之间的相对变形挤压或剪切橡胶块耗散振动能量的装置称为高阻尼橡胶阻尼器（图3）。该挤压型阻尼器结构简单、安装方便，故在国内建造的很多斜拉桥如上海南浦大桥、杨浦大桥和徐浦大桥等均用该阻尼器进行拉索减振。但高阻尼橡胶阻尼器的减振效果主要取决于橡胶材料的耗能特性。

需要注意的是高阻尼橡胶阻尼器可提供的阻尼有限，减振效果不是很理想。但是安装在护筒内的橡胶圈可缓解拉索在锚固端的二次力作用，另外可将高阻尼橡胶块的变形由挤压改为剪切，从而提高其耗能能力。由于分装在拉索两端的阻尼器效果可以迭加，因此，许多大跨度斜拉桥的拉索在梁侧安装外置的粘滞阻尼器或粘性剪切型阻尼器或磁流变阻尼器外还在塔侧安装高阻尼橡胶阻尼器。

2.2 粘滞阻尼器（油阻尼器）

粘滞阻尼器构造如图4所示，它由活塞、油缸及节流孔构成，节流孔的大小决定通过活塞的油量从而确定其所能提供的阻尼力。为了抑制拉索面内和面外两个方向的振动应安装正交或呈V字形的2个粘滞阻尼器。

粘滞阻尼器的主要问题是其机械构造复杂，对微小振动不敏感，安装调节比较麻烦。由于粘滞阻尼器阻尼介质为液体，易发生漏油和渗油现象，其维修费用相对较高，推广应用存在一定的困难。

2.3 粘性剪切型阻尼器

粘性剪切型阻尼器的构造如图5所示。与拉索同步运动的插板使粘性材料产生剪切变形来耗散拉索的振动能量，构造简单，机械加工精度要求低，可通过调节插板的面积和粘性材料的注入量很容易地得到所需的粘性阻尼系数。另外，粘性剪切型阻尼器可较好地抑制拉索的小振幅振动，避免了振动能量的积累。而且仅用一个粘性剪切型阻尼器即可以控制拉索的面内和面外振动。其缺点是所能提供的阻尼受环境温度及振动频率的影响大。且阻尼器体积较大，对景观有些影响。

2.4 磁流变阻尼器（MR阻尼器）

半主动控制的磁流变阻尼器构造如图6所示，是以智能材料(磁流变材料) 为驱动材料的可调参数阻尼器， 两相磁流变液是一种可控液体， 它是用不导电的母液和均匀散布在其中的固体磁性颗粒制成的悬浮液，在磁场作用下，磁流变液中的固体颗粒会形成一束束纤维状的链，横架于磁场的两极之间，对于平行于电极的剪切力而言，磁流变液在磁场的作用下就会发生磁流变效应，即从流动性良好的具有一定粘滞度的牛顿流体转变为具有一定屈服力的粘塑体从而达到减振效果。和常用的被动阻尼器相比，其阻尼系数可根据不同的需要，通过外加的直流电压来调节，实现对拉索振动的半主动控制。

2.5 永磁铁阻尼器（磁力阻尼器）

永磁铁阻尼器a：为了解决磁流变阻尼器系统的信号传输、供电等带来的可靠性问题而产生，构造基本同磁流变阻尼器，但是将电磁铁改为永磁铁，成为一种被动式阻尼器。

永磁铁阻尼器b：构造如图7所示。拉索静止不振时，吸着板和磁铁吸附在一起。当索低阶大幅振动产生的侧向力超过磁铁吸着力时，两者分离，同时激励出拉索的高阶振动，以耗散振动能量。由于阻尼介质不是液体， 因此对环境适应性比以上其他阻尼器好，也可适用于严寒地区。

2.6 摩擦阻尼器

摩擦也是一种常见的耗能方式，通过上、下盘的摩擦耗散振动能量。

摩擦阻尼器易于安装，易于更换，可同时控制面内面外的振动，阻尼特性对环境不敏感，阻尼器体积较小，但是对拉索的微振幅振动不敏感。

2.7 不同阻尼器的设计参数比较

如上所述，不同的阻尼器的设计方法与设计参数不同。现将不同阻尼器的设计参数总结如下表2所示。

3 结论

1）在我国粘性剪切型阻尼器应用最广，有23座大桥安装有该类型阻尼器。

2）日本曾有多座大跨斜拉桥安装了剪切型高阻尼橡胶阻尼器。但目前我国尚没有一座斜拉桥安装剪切型阻尼器，与国产的高阻尼橡胶材料的剪切耗能性能和其构造与设计方法尚不成熟有关。

3）摩擦阻尼器由于应用较少（其他国家4座，国内尚没有），成本较高，但是该阻尼器景观效果好。

4）粘滞阻尼器（油阻尼器）曾应用于世界第一大桥的苏通桥上，但是由于要求构件加工精度高带来的经济问题、由漏油带来的养护维修困难等问题需要改进，而其使用的广泛性受到影响。

5）使用永磁铁阻尼器和磁流变阻尼器的大桥在国内外都很少，这两种阻尼器有待改进。