桥梁振动控制技术与检测养护技术进展

开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了一篇桥梁振动控制技术与检测养护技术进展范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！

中图分类号：K928.78 文献标识码：A 文章编号：

随着桥梁结构跨度的不断增大和新型材料的大规模应用，桥梁结构的振动问题也越来越突出，引起了工程界和研究者的重视。我们知道，在车辆动荷载和个别情况下的人群动荷载，风力和地震地面运动作用下，桥梁结构产生的振动，会增大按静力计算的内力和加速度可能引起结构局部疲劳损伤，或会形成影响桥上行车的舒适和安全的振动变形。对于作为交通枢纽及生命线工程的桥梁结构, 振动问题不仅关系到其正常安全运营, 而且关系到震后救援工作能否顺利开展。因此，我们有必要对桥梁振动进行研究，并在设计中对桥梁振动进行控制。

桥梁振动

桥梁结构的振动根据振动的原因可以主要分为三大类,：风振、地震以及车-桥耦合振动。一般来说，地震是一种罕遇的、破坏性极大的地面振动形式, 但是一旦发生，就可能造成桥梁结构的极大破坏，大跨度、特大跨度桥梁震害不甚突出, 中小跨度桥梁震害类型较多且破坏严重。风致振动是一种常遇的、不一定造成桥梁破坏的振动形式, 一般仅发生在大跨度柔性桥梁如悬索桥、斜拉桥中。对于车-桥耦合振动目前尚不十分突出, 主要发生在高速、准高速铁路的大跨度桥梁中, 一般不会造成结构破坏，但是对行车的舒适性有很大的影响。各种桥梁振动所产生的震(振) 害可分述如下：

1.1 桥梁结构风振振害

桥梁结构风致振动可分为两大类: 一类为发散性振动, 包括经典耦合颤振、分离扭转振动和驰振; 另一类为限幅振动, 包括涡激振和抖振两种。发散性振动有造成桥梁空气动力失稳而风毁的危险( Tacoma 海峡桥即为一例) , 因而必须避免, 目前主要通过风洞试验从截面选型、风嘴设计、导流板设置等方面入手。风振的主要振害有:

(1) 抖振和涡激振是一种频度大、在低风速下发生的有限振动, 往往会造成桥梁构件的疲劳损伤或局部破坏; 也可能危及行车安全或造成司乘人员的不适”此外, 施工阶段过大的振动会造成施工质量无法保证或停工。

(2) 驰振是一种发生在单自由度弯曲振动体系横风向的发散振动, 主要表现在索结构桥梁的索塔、斜拉索中。对于索塔, 由于其高度大、施工工况多, 其动力特性又在不断地变化, 驰振抑制主要在施工阶段。对于拉索, 驰振形式有二, 其一为雨振(rain vibration) , 即拉索在雨天会发生比晴天更大的风致振动; 其二为尾流驰振, 即背风拉索会比迎风拉索发生更大的振动。这两种拉索驰振机理还有待进一步研究。

(3) 拉索参数振动, 即在风速不高的情况下拉索横向局部振动。由于拉索是斜拉桥的生命线, 故拉索参数振动已引起了桥梁界的广泛关注。

1.2桥梁结构地震震害

地震往往会释放巨大的能量，引起桥梁的振动往往也比较剧烈，且多表现在桥轴线向, 主要震害有:

(1) 桥墩台破坏。具体破坏形式有桥墩、桥台的沉降、滑移、剪切、压溃等。桥墩、桥台的破坏既有地震时地形、地貌产生剧烈变化(如断、地裂) 造成的, 也有其本身抗震能力不足, 特别是延性变形能力不足造成的。

(2) 支座破坏。具体破坏形式有支座倾倒、脱落、移位、螺栓拔出等, 多因支座材料, 构造、联接、支挡等措施不当而造成; 同时, 现行支座的设计与制造仅考虑了静力要求而未考虑其动力行为, 亦是造成破坏的一个主要因素。

(3) 梁体破坏。梁体破坏形式主要有落梁、碰撞、侧倾等。落梁多由墩台倾倒、错位而引起, 碰撞则与支座构造不当有关, 侧倾主要发生在T 形梁横向联接较薄弱的情形。对于钢桥来说，也常常会导致钢箱梁的局部失稳。

(4) 对于大跨度桥梁来说，地震导致的二次结构破坏的危害性更为明显。

2. 桥梁的振动控制

正因为桥梁的震（振）动会对桥梁结构造成不同程度的损害，为了维护桥梁结构的安全，保证行车的舒适性和安全性，我们有必要对桥梁的振动采取一些控制措施。目前主要采用的振动控制手段主要可以分为被动、主动、半主动振动控制系统和桥梁减隔震措施。

2.1 桥梁振动被动控制系统

桥梁风致振动的被动控制不需要提供外部能源，可分为气动措施和机械措施。气动措施是通过修改结构断面形状或安装风嘴，导流板等空气稳定装置，改善绕过断面的气流形态，以减少风振的空气力。机械措施则是通过增加结构刚性、质量、阻尼而减少振动，常用的机械措施有在桥梁结构上设置调谐质量阻尼器（TMD），调谐液体阻尼器（TLD）等，其中以TMD 应用最为广泛。这些装置的原理是在与所控模态谐频的情况下，依靠控制装置的大幅振动使梁体振动大大减小，故又称之为动力吸振器。但是由于这些机械减振措施仅对个别振型有效，而且减振效果非常有限，可以看出它有一定的局限性。不过其造价低廉，易于实现，目前也得到了广泛应用。采用TMD 控制梁体风振的工程实例有：英国Kessock 斜拉桥、法国Normandy 斜拉桥、泰国Dao Khanong 斜拉桥、我国虎门副航道桥；九江长江大桥吊杆采用了TMD 来控制涡振；上海杨浦大桥、南浦大桥亦进行了TMD 控制方案研究。

2.2 桥梁振动的主动控制

桥梁风致振动的主动控制是利用外部能源,在结构受激励振动过程中，对结构施加控制力，从而达到迅速减振的目的。主动控制研究的主要内容和难点是控制算法的研究和控制装置的研究。目前主要应用的方法有：主动连杆控制(Active Bracing System)、主动调质阻尼器系统(AMD) 控制和电液伺服主动支座。其中AMD系统是在被动调质阻尼器( TMD) 的基础上增加了主动控制系统而形成的。它通过对结构施加主动控制力, 克服了TND 系统对地震运动频率敏感的缺点, 从而显著提高了减振效果。主动控制方法由于其对振动的控制效果好，控制的振型范围也比较广，因此具有很大的应用前景。但是由于目前主动控制系统都比较昂贵，一般都需要较大的能量和多个作动器，在实际工程中难以获得最优控制，因此可行性还不是很高，需要学者进行进一步的研究。

2.3 桥梁振动的半主动控制

半主动控制是集合了被动控制和主动控制的特点而提出来的一种振动控制方法。其基本原理仍然是改变桥梁结构的动力特性来达到减隔振的目的。半主动控制与主动控制相比, 它所需外部能量小得多, 维护要求不高, 更容易实施也更为经济, 而且控制效果又与前者接近, 因此半主动控制具有较大的研究和应用开发价值, 是当前的研究热点。常见的半主动控制系统有可变刚度系统（AVS）、可变阻尼系统（AVD）、变刚度变阻尼系统（AVSD）等。但是，从目前的实际工程来看，半主动控制系统与被动控制系统相比，减振效果改善非常有限，需要进一步的改进。

2.4 桥梁隔震措施

隔震的本质和目的是将结构与可能引起结构破坏的地面运动尽可能的分离开来。为了达到这个目的可以通过延长结构的周期,避开地震的卓越周期,从而降低传入到结构中的地震能量。但是随着结构周期的延长,结构的位移反应必然随着增加,可能会造成设计上的困难。此外,由于结构较柔,在正常使用荷载作用下结构可能会发生有害的振动。为了控制结构的有害振动减小结构的变形,可以通过增加结构阻尼来吸收一部分地震能量,减小结构的地震反应。

减隔震技术包括地基隔震、基础隔震以及上部结构的隔震。(1)地基隔震方法可分成绝缘和屏蔽两种:绝缘是希望在地基自身中降低输入波的方法,可以采用软弱地基或高刚性基础及利用地基逸散衰减的方法;屏蔽是在建筑物周围挖深沟或埋入屏蔽板等,将长周期为卓越的那部分表面波隔断,但这种方法不能屏蔽直下型输入波。(2)基础的隔震是在基础与上部结构之间设置隔震装置,分为周期延长、能量吸收及绝缘等方法。 (3)上部结构的隔震是指在桥墩与上部结构之间设置隔震装置,目前主要是通过使用抗震支座来实现。

3.桥梁结构健康监测和养护

桥梁的振（震）动是长期存在的，即使我们采取各种振动控制和隔震措施，也不能完全避免。但是，桥梁振动往往又会带来结构的一定程度损伤。某些损伤常常是隐形的，不容易被直观发现，但是发展到一定阶段，就会造成结构的整体破坏。因此，检测已有桥梁结构在一些灾害性事件（比如地震、台风等）的健康状况，或者是监测桥梁在日常运营中的健康状况，并对桥梁结构进行定期和不定期的养护，都是很有必要的。

桥梁的健康监测就是指利用现场的无损传感技术,通过包括结构响应在内的结构系统特性分析,达到检测结构损伤或退化的目的。结构健康监测的过程包括:通过一系列传感器得到系统定时取样的动力和静力响应测量值,从这些测量值中抽取对损伤敏感的特征因子,并对这些特征因子进行统计分析,从而获得结构当前的健康状况。对于长期的健康监测,系统得到的是关于结构在其运行环境中老化和退化所导致的预期功能变化的实时信息。现代桥梁结构整体健康监测可以规为三大类：（1）指纹分析和模式识别方法；（2）模型修整与系统识别方法；（3）神经网络方法。这三种方法各有其优缺点，在此就不详述了。但是，总体来说，目前对桥梁结构健康状态的评价仍然缺乏统一有效的损伤量化指标,并且难以反映某个局部构件的损伤对整个桥梁的工作状态的影响情况。另外，通过桥梁结构的监测数据反演其结构健康状态和可能的结构损伤,是一个复杂结构体系在不完善条件下的反问题,结构的状态反演、损伤识别和状态评估尚有待深入研究。