（道路與鐵道工程專(zhuān)業(yè)論文）磁流變阻尼器對(duì)斜拉索振動(dòng)控制的理論與試驗(yàn)研究.pdfVIP

武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 摘要 斜拉索是斜拉橋的關(guān)鍵部位和主要承載部件。索的大柔度、小質(zhì)量和小阻 尼等特點(diǎn)，極易在風(fēng)、風(fēng)雨、地震及交通等荷載作用下發(fā)生振動(dòng)。拉索長(zhǎng)時(shí)間 的大幅振動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)耐久性的影響己成為斜拉橋發(fā)展和運(yùn)營(yíng)中的嚴(yán)峻課題。具有 良好的智能特性的磁流變阻尼器為拉索減振提供了條件，開(kāi)辟了新的拉索減振 技術(shù)研究領(lǐng)域。本文將采用m r 阻尼器對(duì)斜拉索振動(dòng)控制進(jìn)行試驗(yàn)和理論研究， 系統(tǒng)深入地分析m r 阻尼器對(duì)拉索的減振效果。 本文運(yùn)用美國(guó)t a 儀器公司生產(chǎn)的a r e s r f s 磁流變液儀測(cè)試了由武漢理 工大學(xué)材料學(xué)院提供的磁流變液的剪切應(yīng)力與夕t - ；b n 磁場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系；分析其磁 流變液的組成，磁流變效應(yīng)的機(jī)理、本構(gòu)關(guān)系。為設(shè)計(jì)阻尼器做好了充分的材 料準(zhǔn)備。同時(shí)根據(jù)磁流變阻尼器的力學(xué)模型和工作模式，以及阻尼通道、材料 的選用、勵(lì)磁線(xiàn)圈的纏繞方式等結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則，設(shè)計(jì)出簡(jiǎn)易的磁流變阻尼器供 本文試驗(yàn)運(yùn)用，并簡(jiǎn)化其模型計(jì)算出阻尼器的磁通量的大小。 m r 阻尼器的參數(shù)可隨施加不同的電壓來(lái)改變，具有出力大、響應(yīng)快、能耗 低、工作穩(wěn)定性強(qiáng)等優(yōu)良特性。本文采用m r 阻尼器作為被動(dòng)控制器件，以室 內(nèi)6 0 5 m 長(zhǎng)的拉索為試驗(yàn)對(duì)象，通過(guò)人工激振方法獲得斜拉索在m r 阻尼器施 加不同電流情況下的自由衰減信號(hào)，通過(guò)采集到的信號(hào)計(jì)算得出拉索的模態(tài)阻 尼比；同時(shí)通過(guò)渦流激振器激振得到不同索力下的前兩階頻率。為了比較磁流 變阻尼器與其他阻尼的抑振效果，在安裝磁流變阻尼器的相同的位置分別安裝 油阻尼器和彈簧。通過(guò)對(duì)不同的阻尼裝置的對(duì)比分析，探討了不同阻尼器的減 振效果；并分析磁流變阻尼器在提供不同的電流情況下的模態(tài)阻尼比和基頻與 電流的關(guān)系，得出自己的結(jié)論，為m r 阻尼器廣泛應(yīng)用于實(shí)際斜拉橋的減振提 供一個(gè)有意義的試驗(yàn)和理論依據(jù)。 關(guān)鍵詞；斜拉索，m r 阻尼器，振動(dòng)控制，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，試驗(yàn)研究 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 a b s t r a c t a st h em o s ti m p o r t a n ts u u c t u r a la n dc a r r y i n gc o m p o n e n t si nc a b l e - s t a y e d b r i d g e s ，s t a yc a b l e s ，h o w e v e r , a r ev u l n e r a b l et ov i b r a t i o n sw i t hl a r g ea m p l i t u d e s u n d e ri o a da c t i o ns u c ha sw i n d , r a i n , e a r t h q u a k ea n dt r a f f i cd u et or e l a t es m a l lm a s s ， l o wi n t e r n a l s m l c t u r a ld a m p i n ga n dh i g hf l e x i b i l i t y l a r g e a m p l i t u d ev i b r a t i o no f c a b l e sm a yr e d u c et h el i f eo f c a b l e sa n dt h r e a t e nt r a f f i cs a f e ，a n dh a sb e e nc o n s i d e r e d t o d a y a so n eo ft h em o s tc r i t i c a l p r o b l e m s f o r c a b l e - s t a y e db r i d g e s m a g n e t o - r h e o l o g i c a l ( m r ) d a m p e r sw i t hg o o ds m a r tp r o p e r t i e sh a v es i g n i f i c a n t p o t e n t i a lt oc o n t r o lc a b l ev i b r a t i o n ，a n dd e v e l o p e da n e wc a b l ev i b r a t i o nt e c h n o l o g y r e s e a r c hf i e l d t l l i st h e s i sf o c u s e so nt h et e s ta n dt h e o r e t i c a lr e s e a r c ho ft h ef i e l do f c o n t r o lo fc a b l ev i b r a t i o nw i t hb yu s i n gm rd a m p e r sa n da n a l y s e ss y s t e m a t i l ya n d d e e p l yt h ev i b r a t i o nm e c h a n i s ma n dd a m p i n ge f f e c t t h i st h e s i st e s t e dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ns h e a rs t r e s sa n dm a g n e t i cd e n s i t yo f m a g n e t i cf l u i d , w h i c hp r o v i d e db ym a t e r i a l i n s t i t u t eo fw u h a nu n i v e r s i t yo f t e c h n o l o g yb yu s i n ga r e s - r f sm a g n e t i cf l u i d si n s t r u m e n t sp r o d u c t e db yu n i t e d s t a t e s a b o v ea 1 1 t h e t h e o l o g i c a l m e c h a n i c sa n dc o n s t i t u t i v er e l a t i o na n d c o m p o s i t i o na r ei n 仃o d u c e d t h e nt h es i m p l ym rd f d l l p e ri sd e s i g n e di n i t i a l l y a p p l y i n gm r m e c h a n i c a lm o d e l sa n dw o r k i n gp a t t e r n sa n ds u u c t u r a ld e s i g nc r i t e r i o n i n c l u d i n gd a m p i n gc h a n n e l ，m a t e r i a ls e l e c t i o n da n dw 船p p 崦f o r mo ft h em a g n e t c o i l a n ds i m p l i f i e dt h em o d e la n dc a l c u l a t e di t sm a g n e t i cf l u x m rd s r a p e rh a sa ne x c e l l e n tv a r i a b l ed a m p i n gp r o p e r t ys u c ha sl o wp o w e r r e q u i r e m e n t s ，l a r g ef o r c ec a p a c i t y ，s t a b i l i t ya n d s oo n ，a tt h es a m et i m ei t sd a m p i n g f o r c eo a nb ec h a n g e db ya d j u s t i n ge l e c t r i cc u r r e n ta p p l i e dt od a m p e r m a l a n gm r d a m p e r sa sap a s s i v ec o n t r o ld e v i c e , n s i n gc a b l eo f6 0 5m e t e r si n d o o ra st e s t i n g o b j e c t ，y o uc a na c q u i r e dd a m p i n gs i g n a l so fs t a y e d - c a b l eb ya d j u s t i n ge l e c t r i c c u r r e n t s 塒t ht h em e t h o do fa r t i f i c i a ls h o c ke x c i t a t i o n 0 1 s i m p l eh a r m o n i c e x c i t a t i o n t h e nt h r o u g ht h es i g n a lw h i c hg a t h e r sg o tm o d e lc l a m p i n gr a t i o 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 m e a n w h i l e ，i no r d e rt oc o m p a r et h ed a m p e re f f e c tb e t w e e nm r d a m p e r sw i t ho t h e r s ， i nt h es a m ep o s i t i o ni n s t a l i e dm rd a m p e r sa l s ow e r ei 1 1 s t a l l e do i l d a m p e r sa n d s p r i n g s t h r o u g ha n a l y s i sc o n t r a s t l yd i f f e r e n td a m p i n gd e v i c e s ，e x p l o r e dt h ee f f e c t d a m p i n gw i t hd i f f e r e n td a m p i n gd e v i c e sa n dt h ee f f e c t so fm rd 卸娜u n d e r d i f f e r e n te l e c t r i cc t t r r e n t s ，w h i c hp r o v i d eam e a n i n g f a dt e s ta n dt h e o r e t i c a lb a s i sf o r m rd a m p e r sw i d e l yu s e di nt h ea c t u a lc a b l e - s t a y e dl n i o g e k e yw o r d s ：s t a y e d c a b l e ，m rd a m p e r s ，v i b r a t i o nc o n t r o l ，s t r u c t u r a ld e s i g n , e x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o n l l i 獨(dú)創(chuàng)性聲明 本人聲明，所呈交的論文是我個(gè)人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的 研究成果。據(jù)我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包含 其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫(xiě)過(guò)的研究成果，也不包含為獲得武漢理工大學(xué)或其它教 育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書(shū)而使用過(guò)的材料。與我一同工作的同志對(duì)本研究所做的任 何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說(shuō)明并表示了謝意。 研究生簽名：王堅(jiān)箜日期三2 山 關(guān)于論文使用授權(quán)的說(shuō)明 本人完全了解武漢理工大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，即：學(xué)校有 權(quán)保留送交論文的復(fù)印件，允許論文被查閱和借閱：學(xué)?？梢怨颊撐牡娜?內(nèi)容，可以采用影印、縮印或其他復(fù)制手段保存論文。 ( 保密的論文在解密后應(yīng)遵守此規(guī)定) 研究生簽名：互壟圣 日期：窆：! ! ：坐 導(dǎo)師簽名：j 幺毳冬 日期：正2 ! ：蘭 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 1 1 斜拉橋的發(fā)展歷程 第1 章緒論 1 9 5 6 年，瑞典的s 仃o m s u n d 拉開(kāi)了現(xiàn)代斜拉橋建設(shè)的序幕，1 9 5 7 年德國(guó) d u s s e l d o r f 建成了跨徑為2 6 0 m 的t h e d o rh e u s s 橋，1 9 5 9 年德國(guó)c o l o g n e 建成跨 徑3 0 2 m 的s e v e r v i n 橋，橋面”漂浮”，為橋的抗震提出了有效的措施【1 1 。隨后由于 結(jié)構(gòu)分析有了新的突破，采用電子計(jì)算機(jī)分析超靜定結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致密索體系的產(chǎn) 生。比如：1 9 6 7 年德國(guó)波恩建成的跨徑2 8 0 m 的f r i e d r i c h - - e b e r t 橋，1 9 6 9 年德 國(guó)建成的跨徑3 2 0 m 的k n i e 橋和1 9 7 1 年德國(guó)建成的2 8 7 m 的k u r t s c h m a c h e r 橋 為以后的斜拉橋發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。1 9 7 7 年法國(guó)建成跨徑3 2 0 m 的b r o t o r m e 混凝 土斜拉橋和1 9 7 8 年美國(guó)建成的跨徑2 9 9 m 的雙索面密索體系混凝土橋樹(shù)立了混 凝土斜拉橋的典范，對(duì)我國(guó)有一定的影響，隨后混凝土斜拉橋在中國(guó)迅速發(fā)展。 1 9 7 5 年在中國(guó)的四川省云陽(yáng)縣建造了中國(guó)的第一座斜拉橋云陽(yáng)橋，跨徑 7 6 m 。1 9 8 0 年廣西建成了跨徑9 6 m 的紅河水鐵路混凝土斜拉橋：1 9 8 8 年重慶建 成了跨徑為2 3 0 m + 2 0 0 m ，標(biāo)志著中國(guó)已具備4 6 0 m 斜拉橋的設(shè)計(jì)、施工能力。 1 9 9 1 年上海建成了南浦大橋標(biāo)志著中國(guó)建造斜拉橋的水平已進(jìn)入國(guó)際先進(jìn)行 列。隨后中國(guó)的楊浦大橋( 跨徑6 0 2 m ) 、南京二橋( 跨度6 2 8 m ) 和武漢白沙洲 大橋( 跨度6 1 8 m ) 也相繼問(wèn)世。目前正在建造兩座跨度逾千米的斜拉橋一香 港昂船州大橋( 主跨1 0 1 8 m ) 和江蘇蘇通大橋( 主跨1 0 8 8 m ) ( 其中昂船州大橋 在1 9 9 9 年國(guó)際橋梁方案比賽中，中國(guó)市政工程設(shè)計(jì)研究院與英國(guó)h a l c r o w 公司 合作投標(biāo)獲第一名) 【2 】。 雖然我國(guó)斜拉橋起步比國(guó)外晚2 0 年，但是經(jīng)過(guò)1 8 年的追趕，已經(jīng)達(dá)到國(guó) 際領(lǐng)先水平。我國(guó)至今已建成各種類(lèi)型的斜拉橋1 0 0 多座，其中有6 0 多座跨徑 大于2 0 0 m 。我國(guó)已成為擁有斜拉橋最多的國(guó)家，在世界l o 大著名斜拉橋排名 榜上，中國(guó)有8 座，主跨在6 0 0 m 以上的斜拉橋世界上僅有9 座，中國(guó)就占了7 座，中國(guó)的斜拉橋正向世界一流水平推進(jìn)。在我國(guó)交通發(fā)展總體規(guī)劃中，斜拉 橋扮演著重要的角色，斜拉橋?qū)?huì)得到更進(jìn)一步的發(fā)展。 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 1 2 拉索振動(dòng)研究的必要性 現(xiàn)代橋梁日益向著大跨度、輕柔方向發(fā)展，其代表橋型便是斜拉橋、懸索 橋和鋼管混凝土橋。這些橋型的一個(gè)共同特點(diǎn)就是以拉索為媒介，將大跨度橋 梁的受力形式轉(zhuǎn)換成等效的連續(xù)梁橋。拉索是斜拉橋上部結(jié)構(gòu)三大構(gòu)件之一， 拉索作為傳力構(gòu)件在這些橋型的受力中起著至關(guān)重要的作用，拉索的作用相當(dāng) 于在主梁跨內(nèi)增加了若干彈性支承，使主梁跨徑顯著減小，從而大大減小了梁 內(nèi)彎矩、梁體尺寸和梁體重量，使橋梁的跨越能力顯著增大。隨著斜拉橋跨度 的增大，斜拉橋拉索長(zhǎng)度也相應(yīng)增長(zhǎng)，如楊浦大橋最長(zhǎng)拉索達(dá)到3 2 5 m ，武漢三 橋最長(zhǎng)索為3 3 1 m ，主跨8 9 0 m 的多多羅大橋最長(zhǎng)拉索達(dá)到4 6 0 m 3 j ，主跨1 0 1 8 m 的昂船洲大橋和主跨1 0 8 8 m 的蘇通長(zhǎng)江公路大橋，最長(zhǎng)拉索分別達(dá)5 4 0 m 和 5 8 0 m 。 但另一方面，拉索的直徑卻基本穩(wěn)定在1 0 0 2 0 0 m m 之間，隨著斜拉橋跨 度的增大，拉索的基頻在逐漸降低。再加上拉索是一種柔性大、質(zhì)量小、阻尼 小的高應(yīng)力結(jié)構(gòu)，由此導(dǎo)致拉索對(duì)橋面活載、風(fēng)雨等引起的振動(dòng)極為敏感，尤 其是在中等風(fēng)速并拌有等強(qiáng)度降雨的情況下發(fā)生的風(fēng)雨振，拉索極易發(fā)生大幅 振動(dòng)。 日本結(jié)構(gòu)工程協(xié)會(huì)( j a p a ni n s t i t u t eo f c o n s t u c t i o ne n g i n e e r i n g ) 于1 9 8 8 年到 1 9 8 9 年之間對(duì)日本的五座斜拉橋b r o t o n i 橋，k o f i n 橋，m e i k e h 橋，a r a t s u 橋的拉 索振動(dòng)進(jìn)行了肉眼觀測(cè)和實(shí)地測(cè)量，發(fā)現(xiàn)它們的最大振幅都達(dá)到6 0 0 m m 以上； 另外，日本的h i k a m i 觀察到直徑1 4 0 m m 的斜拉索在1 4 m s 風(fēng)速下振幅達(dá)到 2 7 5 m m t 4 j ；y o s h i m u r a 介紹a r a t s u 橋在建造時(shí)就常有強(qiáng)烈的索振動(dòng)，最大振幅為 3 0 0 m m ，大約是拉索直徑的二倍【5 】；美國(guó)的德克薩斯州德f r e dh a r t m e n 橋在1 9 9 5 年通車(chē)后不久就發(fā)生了斜拉索風(fēng)雨振動(dòng)，最大振幅達(dá)拉索直徑的5 倍；荷蘭 e r a s m u s 橋發(fā)生風(fēng)雨振時(shí)單邊振幅達(dá)到8 0 0 m m ，橋管當(dāng)局為此緊急關(guān)閉全橋的 交通；法國(guó)的布魯東橋、泰國(guó)的r a m a i x 橋、日本的名港西大橋都有報(bào)導(dǎo)拉索 的振幅甚至大到相鄰拉索發(fā)生碰撞事件1 6 1 。在國(guó)內(nèi)，1 9 9 2 年建成的南浦大橋在一 次風(fēng)雨交加的情況下浦西岸尾部數(shù)根拉索發(fā)生了較大的振動(dòng)；楊浦大橋建成后 于1 9 9 5 年4 月曾發(fā)生2 9 號(hào)與3 0 號(hào)拉索因風(fēng)雨振動(dòng)而相碰撞的情況；武漢三橋 也觀察到風(fēng)雨作用下拉索的最大振幅超過(guò)1 0 0 c m 的強(qiáng)烈振動(dòng)；安徽的銅陵長(zhǎng)江 公路大橋自1 9 9 6 年通車(chē)以來(lái)也發(fā)現(xiàn)拉索不同程度的振動(dòng)經(jīng)常發(fā)生。 2 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 世界上己有多座斜拉橋因?yàn)槔髡駝?dòng)引起疲勞破壞：如德國(guó)k o h l b r a n d 橋五 年后就更換了8 8 根拉索，耗資6 0 0 多萬(wàn)美元；1 9 6 2 年建成的委內(nèi)瑞拉m a r a c i b o 橋，1 9 7 8 年發(fā)現(xiàn)有超過(guò)5 0 0 根鋼絲損壞，1 9 7 9 年更換了3 8 4 根拉索，耗資5 0 0 0 萬(wàn)美元；美國(guó)的帕斯科一肯尼威克橋( p k ) 和英國(guó)的伍埃橋( w y e ) ，使用期不 到1 0 年，均因拉索銹蝕原因，而更換了拉索；我國(guó)廣東的海印橋建成7 年后即 因拉索的斷落和松弛而更換了全橋1 8 6 根拉索，耗資2 0 0 0 多萬(wàn)元；山東濟(jì)南黃 河橋，也因拉索銹蝕嚴(yán)重，于1 9 9 5 年更換了全部8 8 根拉索。為了減少由于拉 索振動(dòng)引起的巨額經(jīng)濟(jì)損失，如何對(duì)斜拉索振動(dòng)進(jìn)行有效的控制日益被人們所 關(guān)注。 斜拉索的振動(dòng)不僅會(huì)引起結(jié)構(gòu)的疲勞，造成拉索錨固端的疲勞保護(hù)系統(tǒng)的 破壞，誘發(fā)拉索銹蝕乃至失效，縮短拉索的使用壽命，影響橋梁正常使用性能 的發(fā)揮。同時(shí)，也給行人、司機(jī)心理上帶來(lái)不適。為了保證橋梁的安全運(yùn)營(yíng)和 拉索的使用壽命，大跨度斜拉橋的振動(dòng)及其控制成為橋梁工程界面臨的需要解 決的關(guān)鍵問(wèn)題之一。為了延長(zhǎng)拉索的使用壽命、降低橋梁的維護(hù)費(fèi)用，確保斜 拉橋的安全使用以及消除行人的不安全感，各國(guó)橋梁工作者都在致力于斜拉索 減振的研究。 1 3 拉索振動(dòng)形態(tài) 斜拉索有多種振動(dòng)機(jī)理，可分為風(fēng)致振動(dòng)和非風(fēng)致振動(dòng)。風(fēng)致振動(dòng)指由空 氣動(dòng)力不穩(wěn)定引起的拉索振動(dòng)，包括卡曼渦激共振( k a r m a nv o r t e xi n d u c e d o s c i l l a t i o n ) 、尾流馳振( w a k eo a h o v i n g ) 、結(jié)冰索的馳振、風(fēng)雨激振( r a i n - w i n d i n d u c e d v i b r a t i o n ) 、軸向流激振等。 非風(fēng)致振動(dòng)是由于橋塔或橋面運(yùn)動(dòng)引起的支座激勵(lì)而導(dǎo)致的拉索振動(dòng)，主 要指參數(shù)共振( p a r a m e t r i cr e s o n a n c e o f c a b l eo s c i l l a t i o n s ) 和內(nèi)振動(dòng)。參數(shù)共振 是一種自激振動(dòng)，是由影響振動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力特征的某些參數(shù)周期性變化所引起的。 主梁和塔柱的振動(dòng)通過(guò)斜拉索支座引發(fā)索力的周期性交化，從而斜拉索發(fā)生參 數(shù)共振。斜拉索與主梁、塔柱間的耦合振動(dòng)有自共振和內(nèi)共振。 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 1 3 1 卡曼渦激共振 拉索橫斷面一般為圓形，當(dāng)氣流通過(guò)拉索時(shí)，氣流交替在拉索的上部及下 部產(chǎn)生漩渦，激起與氣流方向垂直的力，引起拉索的橫風(fēng)向振動(dòng)，這就是所謂 的卡曼漩渦。渦漩的脫落頻率為： 工= 罟 ( 1 - 1 ) 式中u 為風(fēng)速，d 是拉索的直徑，o r 為無(wú)量綱參數(shù)，稱(chēng)為斯脫羅哈數(shù)( s t r o u h a l n u m b e r ) ，對(duì)圓截面大約為0 2 ，當(dāng)漩渦的脫落頻率與索的某一階橫向固有振動(dòng) 頻率相等時(shí)，則產(chǎn)生橫風(fēng)向共振，稱(chēng)為渦激振動(dòng)。當(dāng)漩渦的脫落頻率與索的某 一階固有振動(dòng)頻率相等時(shí)，繼續(xù)增大風(fēng)速，漩渦的脫落頻率保持不變，這稱(chēng)為 鎖住區(qū)域共振現(xiàn)象。對(duì)索的k 階模態(tài)，產(chǎn)生渦激振動(dòng)的風(fēng)速可表達(dá)為： u = 坐= ( 1 - 2 ) 5 f 對(duì)于常見(jiàn)的拉索，假設(shè)索的k 階模態(tài)頻率，i 為4 h z ，索直徑d 為0 1 5 m ， 則可得k 階模態(tài)發(fā)生渦激共振的風(fēng)速u(mài) w 等于3 m s 。實(shí)際上，由于斜拉索的直徑 較小，產(chǎn)生渦激振動(dòng)的風(fēng)速較低，其能量不足以激發(fā)振動(dòng)，因此渦激振動(dòng)常發(fā) 生在索的高階模態(tài)，且振幅較小。 渦激共振引起的拉索振幅可由下面的公式近似計(jì)算： 和0 0 8 q ( 芳 。陸 2 m s ， 式中m 為拉索每米質(zhì)量，芎為拉索模態(tài)阻尼比，p 為空氣密度，l ，是氣動(dòng) 升力系數(shù)，與振動(dòng)幅度和雷諾數(shù)有關(guān)，可取0 3 。由上式可知，增大拉索的質(zhì)量 和阻尼比可以降低拉索的振幅。實(shí)際斜拉橋拉索的阻尼比在o 0 0 1 至0 0 0 5 之間， 按照公式( 1 - 3 ) 計(jì)算得到的拉索渦激振動(dòng)振幅很小，一般在索徑的0 5 倍以下。 渦激振動(dòng)由于渦振力很小，并不會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的后果，只要在斜拉索上附加對(duì)數(shù) 衰減率為a = o o l o 0 1 5 程度的結(jié)構(gòu)阻尼，就可以不考慮它的發(fā)生。但由于發(fā)振 風(fēng)速低，故產(chǎn)生這種振動(dòng)的機(jī)會(huì)較多，因此索端部的疲勞破壞應(yīng)引起重視。 4 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 1 3 , 2 尾流馳振 兩索沿風(fēng)向斜列時(shí)，來(lái)流方向的下游拉索發(fā)生比上游拉索更強(qiáng)烈的一種風(fēng) 致振動(dòng)，稱(chēng)為尾流馳振 7 1 。上游拉索的尾流中存在一個(gè)不穩(wěn)定的馳振區(qū)，如果下 游拉索正好位于這一不穩(wěn)定區(qū)中，且下風(fēng)索的固有頻率比它的旋渦脫落頻率及 上風(fēng)索的固有頻率都低時(shí)便激發(fā)尾流馳振，其振動(dòng)不斷加大，直至達(dá)到一個(gè)穩(wěn) 態(tài)大幅度的極限環(huán)。產(chǎn)生尾流馳振的條件是：晏= 3 5 5 ，其中l(wèi) 為上、下游 物體之間的距離，d 為上游物體的擋風(fēng)寬度。因此當(dāng)兩拉索相距較遠(yuǎn)，超出尾流 馳振不穩(wěn)定區(qū)時(shí)，就不會(huì)發(fā)生尾流馳振。 國(guó)外研究表明，發(fā)生尾流馳振的臨界風(fēng)速可近似表示為： u 。= 吼d ( 萼) j ( 1 - 4 ) 式中，c 為常數(shù)，當(dāng)沿風(fēng)向上、下游索間距為2 6 倍拉索直徑時(shí)，取c = 2 5 ； 當(dāng)上、下游拉索間距為1 0 2 0 倍拉索直徑時(shí)，取c = 8 0 。上式表明，發(fā)生尾流馳 振的臨界風(fēng)速與模態(tài)頻率成正比，與s c r u t o n 數(shù)的平方根也成正比。 尾流馳振一般表現(xiàn)為拉索的一階振動(dòng)。因而尾流馳振發(fā)生時(shí)，拉索中段的 振幅最大，自激振動(dòng)的能量也主要從拉索中段輸入。一般當(dāng)上下游拉索間隔為 2 5 或1 0 2 0 倍拉索直徑時(shí)發(fā)生。增大阻尼可有效抑制振動(dòng)。 1 3 3 風(fēng)雨激振 1 9 8 4 年日本學(xué)者h(yuǎn) i k a m i 第一次觀察和提出了風(fēng)雨激振概念。風(fēng)雨激振，是 指風(fēng)、雨共同作用引起的拉索大幅振動(dòng)現(xiàn)象，簡(jiǎn)稱(chēng)為雨振或風(fēng)雨振【8 】。它是目前 所有拉索風(fēng)致振動(dòng)中最強(qiáng)烈的一種，己在世界許多斜拉橋上都觀察到了這種現(xiàn) 象。如h i k a m i 觀察到直徑1 4 0 m m 的斜拉索在1 4 m s 風(fēng)速下振幅達(dá)到1 7 5 m m ； 法國(guó)的布魯東橋、泰國(guó)的r a m a l x 橋、日本的名港西橋報(bào)道的拉索振幅甚至大到 相鄰拉索發(fā)生碰撞的程度；荷蘭的e r a s t u s 橋發(fā)生風(fēng)雨振時(shí)單邊振幅達(dá)到8 0 0 m m ， 橋管當(dāng)局為此緊急關(guān)閉全橋的交通。國(guó)內(nèi)楊浦大橋和武漢三橋都觀察到了風(fēng)雨 作用下的強(qiáng)烈振動(dòng)，其最大振幅超過(guò)l i n 。拉索結(jié)構(gòu)的風(fēng)雨振有如下特點(diǎn)：大中 小雨的情況都可能發(fā)生風(fēng)雨振；主要發(fā)生在外包裹為聚乙烯套管的索上；振動(dòng) 頻率約為0 6 3 h z ，一般為單階模態(tài)頻率振動(dòng)。 風(fēng)雨激振的研究手段主要有現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)、風(fēng)洞試驗(yàn)和理論分析。現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)是 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 最早用于研究風(fēng)雨激振的手段，它可獲得拉索風(fēng)雨激振最準(zhǔn)確的特征，可為驗(yàn) 證風(fēng)洞試驗(yàn)和理論分析研究結(jié)果的真實(shí)性、可靠性提供寶貴的資料。美國(guó)在e a s t h u n t i n g t o n 和f r e dh a r t m a n 兩座橋上安裝了加速度計(jì)、雨量計(jì)、風(fēng)速儀等傳感裝 置，利用現(xiàn)代傳感技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和信號(hào)處理技術(shù)，在實(shí)橋上建立了風(fēng)雨振 長(zhǎng)期觀測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)長(zhǎng)期觀測(cè)，得到各種氣候條件下拉索的振動(dòng)情況。2 0 0 1 年 中南大學(xué)與香港理工大學(xué)合作，在岳陽(yáng)洞庭湖大橋上進(jìn)行了連續(xù)四年的風(fēng)雨振 觀測(cè)研究，通過(guò)安裝在拉索上的傳感器，至今已觀測(cè)到多次風(fēng)雨振，并記錄了 風(fēng)雨振發(fā)生的全過(guò)程【9 】。 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)雖然能獲得拉索風(fēng)雨激振最真實(shí)的特征，但無(wú)法對(duì)各種影響因素 進(jìn)行參數(shù)分析。為系統(tǒng)研究風(fēng)雨激振的機(jī)理，仍需要進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)。風(fēng)洞試驗(yàn) 可以重現(xiàn)風(fēng)雨激振的一些基本特征，還可研究振動(dòng)控制措施的有效性。v e r w i e b e 利用風(fēng)洞試驗(yàn)研究了風(fēng)雨振激振機(jī)理及風(fēng)速、攻角、水線(xiàn)等因素的影響； , a r o s e 等利用風(fēng)洞試驗(yàn)研究了前后排列拉索的風(fēng)雨激振，并利用風(fēng)洞試驗(yàn)評(píng)了多種減 振方法的性能；彭天波、劉慈軍、呂強(qiáng)、顧明等進(jìn)行了粘貼人工水線(xiàn)的斜拉橋 拉索模型的風(fēng)洞試驗(yàn)，建立了拉索風(fēng)雨振的力學(xué)分析模型，分析了拉索風(fēng)雨振 的動(dòng)力特性和各參數(shù)的影響。 與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和風(fēng)洞試驗(yàn)相比，理論分析的研究開(kāi)展得較晚。這是因?yàn)槔?風(fēng)雨激振現(xiàn)象是一個(gè)固、液、氣三相耦合系統(tǒng)，建立其運(yùn)動(dòng)微分方程非常困難。 最早的理論分析文獻(xiàn)為1 9 9 0 年y a m a g u c h i 建立的彎扭耦合兩自由度馳振模型， 之后在整個(gè)2 0 世紀(jì)9 0 年代基本無(wú)進(jìn)展【l o 】。進(jìn)入2 l 世紀(jì)以來(lái)，理論分析逐漸成 為研究拉索風(fēng)雨激振問(wèn)題的重要手段之一。 拉索風(fēng)雨激振現(xiàn)象機(jī)理非常復(fù)雜，受各種因素影響，例如：拉索傾角、來(lái) 流風(fēng)速、來(lái)流方向、來(lái)流紊流度、拉索的振動(dòng)頻率、拉索阻尼、降雨量、拉索 線(xiàn)質(zhì)量等。至今為止，拉索風(fēng)雨激振的機(jī)理雖然尚未完全被澄清，但研究者對(duì) 斜拉索風(fēng)雨激振現(xiàn)象的條件和振動(dòng)特征達(dá)到了以下共識(shí)： ( 1 ) 雨是拉索發(fā)生風(fēng)雨激振的必要條件，一般發(fā)生在雨量為小到中雨的天 氣。 ( 2 ) 風(fēng)雨激振發(fā)生時(shí)的風(fēng)速一般為6 1 8 m s ，更大或更小的風(fēng)速都不易引 起激振。 ( 3 ) 振動(dòng)頻率主要發(fā)生在0 6 3 i - i z ，與拉索的自振頻率相應(yīng)，進(jìn)入或退出 風(fēng)雨振狀態(tài)時(shí)常有振型轉(zhuǎn)換現(xiàn)象。 6 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 ( 4 ) 振動(dòng)主要發(fā)生紊流度小的風(fēng)環(huán)境下和拉索平面內(nèi)，但也存在一個(gè)面外 振動(dòng)分量，而且振動(dòng)多發(fā)生在聚乙烯包裹的光滑表面拉索上，拉索表面材料性 質(zhì)、灰塵等對(duì)振動(dòng)有重要的影響。振型多為單一振型，】4 階振型均有出現(xiàn)。 ( 5 ) 并不是所有索均發(fā)生振動(dòng)，也不一定長(zhǎng)索才發(fā)生振動(dòng)。是否產(chǎn)生振動(dòng) 與拉索的空間姿態(tài)有關(guān)：通常只在沿風(fēng)向向下傾斜的索上發(fā)生風(fēng)雨激振。 ( 6 ) 當(dāng)風(fēng)雨激振發(fā)生時(shí)，拉索的上下表面各有一條雨水形成的水線(xiàn)，沿傾 斜的拉索向下流動(dòng)。水線(xiàn)隨著拉索的振動(dòng)在拉索表面振蕩，下水線(xiàn)對(duì)拉索風(fēng)雨 激振的影響不大。 ( 7 ) 發(fā)生風(fēng)雨激振時(shí)的模態(tài)阻尼很小，隨著橋梁跨度的增加，拉索的阻尼 比將進(jìn)一步減小。 1 3 4 拉索參數(shù)振動(dòng) 參數(shù)共振是一種自激振動(dòng)，是由影響振動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力特征的某些參數(shù)周期性 變化所引起的。主梁和塔柱的振動(dòng)通過(guò)斜拉索支座引發(fā)索力的周期性變化，橋 梁在風(fēng)作用下以頻率兀發(fā)生抖振，當(dāng)厶正好等于拉索某階模態(tài)頻率的2 倍時(shí)， 拉索即發(fā)生參數(shù)共振。拉索的參數(shù)共振往往表現(xiàn)為拍振，振動(dòng)能量在拉索和橋 梁之間轉(zhuǎn)換。k o v a e s 于1 9 8 2 年第一次采用參數(shù)激振( 一種自激振動(dòng)) 來(lái)說(shuō)明拉 索振動(dòng)的機(jī)理”l 】；汪至剛等對(duì)斜拉橋拉索的參數(shù)振動(dòng)問(wèn)題建立了非線(xiàn)性力學(xué)模 型，并對(duì)其進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算分析”2 1 ；亢戰(zhàn)等對(duì)斜拉橋拉索參數(shù)共振問(wèn)題建立了多 自由度數(shù)學(xué)模型，并進(jìn)行了數(shù)值積分求解【1 3 】。 參數(shù)振動(dòng)系統(tǒng)是指激勵(lì)依賴(lài)于時(shí)間且作為參數(shù)出現(xiàn)在支配方程中，這種振 動(dòng)系統(tǒng)的一個(gè)特征就是系統(tǒng)中的參數(shù)是隨時(shí)間而變化的。與外激勵(lì)系統(tǒng)不同的 是在參數(shù)激勵(lì)系統(tǒng)中，當(dāng)激勵(lì)的頻率與系統(tǒng)某階固有頻率成倍數(shù)關(guān)系時(shí)，小的 激勵(lì)也可激發(fā)很大的系統(tǒng)響應(yīng)。在無(wú)阻尼情況下，拉索和橋面的振動(dòng)具有“拍” 的特征其振幅分別隨時(shí)間周期性變化，此消彼長(zhǎng)，表明能量在兩個(gè)自由度之間 轉(zhuǎn)換，但系統(tǒng)的總能量不變。拉索受參數(shù)振動(dòng)時(shí)所能達(dá)到的最大振幅與橋面的 激勵(lì)幅值、拉索與橋面的頻率匹配程度及橋面質(zhì)量與拉索質(zhì)量的比值有關(guān)，與 拉索的初始擾動(dòng)基本無(wú)關(guān)1 1 】。而拉索振動(dòng)時(shí)的拍頻與拉索的靜拉力有關(guān)，靜拉力 越大拉索參數(shù)振動(dòng)的拍頻越低。計(jì)算結(jié)果還表明發(fā)生參數(shù)振動(dòng)時(shí)的拉索與橋面 的頻率匹配程度也與橋面的激勵(lì)幅值及橋面質(zhì)量與拉索質(zhì)量的比值有關(guān)。 7 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 1 3 5 拉索內(nèi)共振 在索的非線(xiàn)性運(yùn)動(dòng)方程組中，存在面內(nèi)、外分量的耦合作用，拉索在面內(nèi) 荷載作用下，當(dāng)激勵(lì)頻率與索的面內(nèi)、外固有振動(dòng)頻率滿(mǎn)足一定關(guān)系時(shí)，可能 產(chǎn)生面外的大幅振動(dòng)；相反，在面外荷載作用下，也有可能產(chǎn)生面內(nèi)的大幅振 動(dòng)，這種振動(dòng)稱(chēng)為內(nèi)共振。引起索內(nèi)共振的原因分為：強(qiáng)迫振動(dòng)類(lèi)型、參數(shù)振 動(dòng)類(lèi)型及兩者的組合。強(qiáng)迫振動(dòng)引起的索內(nèi)共振是指當(dāng)索的兩端點(diǎn)固定不動(dòng)， 在外荷載作用下激起的面內(nèi)外耦合振動(dòng)。參數(shù)振動(dòng)引起的索內(nèi)共振是指索的端 點(diǎn)沿軸向周期運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的共振。 1 4 拉索的減振措施 控制拉索振動(dòng)有三種措施：空氣動(dòng)力學(xué)措施、結(jié)構(gòu)措施和機(jī)械阻尼措施。 空氣動(dòng)力學(xué)措施是日本學(xué)者提出的改變拉索表面形狀以阻止上水線(xiàn)的形成，使 其空氣動(dòng)力學(xué)性能得到改善。結(jié)構(gòu)措施就是將各拉索之間用一根或多根輔助索 聯(lián)接起來(lái)，形成一個(gè)索網(wǎng)，但是此種方法破壞了原有索面的景觀，輔助索設(shè)計(jì) 復(fù)雜，安裝困難，因此目前設(shè)計(jì)師都傾向于盡量不采用這種方法。機(jī)械阻尼措 施通過(guò)在拉索上附加阻尼器等結(jié)構(gòu)裝置，增加拉索的阻尼達(dá)到減小振動(dòng)的目的。 1 4 1 空氣動(dòng)力學(xué)減振措施 空氣動(dòng)力學(xué)措施主要從斜拉索在風(fēng)雨天氣里產(chǎn)生大幅振動(dòng)的機(jī)理出發(fā)，在 拉索套管上增加突起、開(kāi)設(shè)凹孔或凹槽、纏繞螺旋綴條等措施改變斜拉索的表 面形狀，起到干擾水流，阻止連續(xù)水線(xiàn)形成的目的，從而保證斜拉索的氣動(dòng)穩(wěn) 定性，抑制風(fēng)雨共振。空氣動(dòng)力學(xué)減振措施主要有以下幾種方法： ( 1 ) 表面制造凹痕 m i y a t a 等提出了增加拉索表面的粗糙度，在拉索表面制造凹痕能防止水線(xiàn) 的形成，控制風(fēng)雨振的方法。風(fēng)洞試驗(yàn)表明，該措施對(duì)抑制風(fēng)雨振具有較好的 效果，由于雷諾數(shù)的增大減小了拉索的阻力，而且在各種雨量及無(wú)雨的情況下 都有極好的穩(wěn)定性，拉索的氣動(dòng)阻尼隨風(fēng)速的提高顯著地穩(wěn)定上升，始終保持 為正值。這對(duì)于大跨度斜拉橋來(lái)說(shuō)是非常有利的，因?yàn)樵诖罂缍刃崩瓨蛑欣?的阻力已和主梁的阻力一樣大。此方法己在日本的多多羅大橋( t a t a r a ) 大橋應(yīng) 8 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 用；顧明通過(guò)模擬人工降雨的表面壓痕凹坑拉索減振試驗(yàn)得出直徑1 3 9 m m 和直 徑1 5 8 r a m 的表面壓痕凹坑拉索均可有效抑制拉索風(fēng)雨激振的發(fā)生【1 5 】。 ( 2 ) 開(kāi)設(shè)凹槽或增加u 形套 y a m a d a , s a i t o 等指出在拉索p e 套管上開(kāi)槽及增加u 形套的方法對(duì)控制風(fēng)雨 振非常有效。拉索表面沿軸向開(kāi)凹槽，這一剖面形式能控制雨水在凹槽中沿索 軸向流動(dòng)，因而拉索不會(huì)因雨水積聚改變外形。這種外形設(shè)計(jì)要考慮美觀；也 要注意凹槽的拐角處不能有太大的應(yīng)力集中，以免縮短防護(hù)層的壽命，影響拉 索的使用；還要防止出現(xiàn)其它形式的氣動(dòng)不穩(wěn)定。日本已在東神戶(hù)( h i g a s h i k o b e ) 斜拉橋拉索和y u g e 橋上采用帶凹槽的拉索，有較好的風(fēng)雨激振減振效果。 ( 3 ) 多邊形截面拉索 采用多邊形截面的拉索，可以改變或控制水線(xiàn)在拉索表面的位置。試驗(yàn)表 明：水線(xiàn)分為幾股沿多邊形幾個(gè)角邊流動(dòng)，這樣就能防止水線(xiàn)在引起拉索不穩(wěn) 定振動(dòng)的位置形成。k o b a y a s h i 采用人工降雨試驗(yàn)方法對(duì)各種扭轉(zhuǎn)和不扭轉(zhuǎn)的多 邊形剖面的拉索模型做了風(fēng)雨激振減振研究，在風(fēng)洞中測(cè)試了各種模型的阻力 曲線(xiàn)、各種雨量情況下的氣動(dòng)阻尼曲線(xiàn)，并與模型振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。研 究表明將圓形的拉索斷面改為多邊形斷面可以改變拉索的氣動(dòng)性能。風(fēng)洞試驗(yàn) 表明，六邊形索是不穩(wěn)定的，而八邊形索具有很好的穩(wěn)定性。 ( 4 ) 表面纏繞螺旋線(xiàn) m a t s u m o t o 等提出在索表面沿軸向加螺旋帶的方法，干擾或截?cái)嗨€(xiàn)的形 成，起到減振作用f j q 。胡圣江和周述華也通過(guò)試驗(yàn)證實(shí)了在拉索表面纏繞螺旋線(xiàn) 或等距箍條可以破壞水線(xiàn)的形成，有效地減小拉索風(fēng)雨激振【1 7 】。在拉索表面沿軸 向纏繞帶狀物或間隔纏繞帶狀物，這是一種與高聳建筑物抗風(fēng)減振措施類(lèi)似的 方法，這種減振措施以前主要用于減小渦激振動(dòng)，破壞或減小脫落旋渦的相關(guān) 性。顧明通過(guò)模擬人工降雨的螺旋線(xiàn)拉索減振試驗(yàn)得出直徑1 3 9 m m 和直徑 1 5 8 m m 的螺旋線(xiàn)拉索均可有效抑制拉索風(fēng)雨激振的發(fā)生。試驗(yàn)還表明，所采用 的螺旋線(xiàn)拉索模型在不降雨時(shí)均不會(huì)導(dǎo)致其它不良振動(dòng)。該方法在n o r m a n d y 橋 “q 和我國(guó)南京長(zhǎng)江二橋等作為輔助減振措施。 ( 5 ) 表面設(shè)置橢圓環(huán)或在拉索表面安裝鰭 在傾斜柱體上間隔套上厚橢圓環(huán)，環(huán)的平面平行來(lái)流方向，不僅可以破壞 水線(xiàn)的形成，還可以控制局部流場(chǎng)，減弱軸向渦脫，相應(yīng)減小了局部激勵(lì)，可 以抑制風(fēng)雨激振。雖然無(wú)論從美觀，還是從實(shí)際安裝保養(yǎng)的角度，這種措施都 9 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 不能投入使用。在拉索表面間隔安裝鰭，也可以起至4 破壞拉索表面軸向流和漩 渦脫落的相關(guān)性的作用，這種減振措施也比較影響美觀。 ( 6 ) 拉索表面每隔一定角度安裝一根與軸向平行的細(xì)桿。 在拉索表面隔一定角度安裝一根與軸向平行的細(xì)桿使得水線(xiàn)在多個(gè)確定位 置形成，上水線(xiàn)被限制不能周向移動(dòng)，使拉索保持穩(wěn)定。它與拉索軸向開(kāi)設(shè)凹 槽的減振原理相似，但氣動(dòng)阻力增大，不適于較長(zhǎng)的拉索。 1 4 2 結(jié)構(gòu)措施 有效的結(jié)構(gòu)措施主要是輔助索方法。即將各拉索之間用一根或多根輔助索 聯(lián)接起來(lái)，形成一個(gè)索網(wǎng)。輔助索方法減少了拉索自由長(zhǎng)度，提高了整個(gè)索面 的剛度，另外使拉索之間產(chǎn)生耦合作用，形成有干擾效應(yīng)的索網(wǎng)或用高阻尼材 料做輔助索以提高系統(tǒng)阻尼，達(dá)到抑制拉索風(fēng)雨激振、參數(shù)共振等振動(dòng)的目的， 因而非常有效。 傳統(tǒng)的輔助索根據(jù)布置方式可分為三種形式，圖1 1 a 和b 屬于同一種類(lèi)型， 其機(jī)理是：因拉索的振動(dòng)帶有很強(qiáng)的局部性，當(dāng)幾根拉索滿(mǎn)足起振條件而產(chǎn)生 振動(dòng)時(shí)，其他的索并不振動(dòng)，輔助索將這些拉索連接起來(lái)，不滿(mǎn)足起振條件的 拉索將對(duì)滿(mǎn)足起振條件的拉索起到一定的抑振作用，即利用拉索之間的干擾效 應(yīng)來(lái)進(jìn)行減振控制；而圖1 1 c 屬于另一種類(lèi)型，其機(jī)理是：因輔助索與主梁或 索塔相連，當(dāng)輔助索具有足夠的軸向剛度和初張力，所有輔助索與拉索之間的 連接點(diǎn)都可以看成是固定點(diǎn)，相當(dāng)于輔助索將各根較長(zhǎng)的拉索轉(zhuǎn)換成較短的拉 索從而抑制振動(dòng)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，輔助索的間距大了有可能發(fā)生單根拉索的振動(dòng)， 問(wèn)距小了，則嚴(yán)重影響美觀，一般以5 0 m 為界；輔助索的位置最好位于振動(dòng)的 波峰并與拉索正交，但其構(gòu)造和施工的難度將會(huì)增加，維修保養(yǎng)費(fèi)用也會(huì)隨之 上升，因此需優(yōu)化設(shè)計(jì)【l 町。 酞心鹽 圖1 - 1 常見(jiàn)的輔助索形式 1 0 武漢理- i = 大學(xué)碩士學(xué)位論文 輔助索設(shè)想首先由f r i t z l e o n h a r t 在跨越m e s s i n a 海峽的斜拉橋方案中提出。 丹麥的f a r o 橋設(shè)置輔助索后，該橋拉索發(fā)生風(fēng)雨激振的振幅比別的沒(méi)有設(shè)置輔 助索的同等跨度斜拉橋拉索的風(fēng)雨激振振幅小。日本很多斜拉橋都安裝了輔助 索。法國(guó)諾曼底大橋每個(gè)索面有三道圓弧狀的輔助索。 相對(duì)于其它減振措施的研究，對(duì)輔助索的研究尚不多見(jiàn)。r h s c a n l a n 從能 量重分布的角度解釋了輔助索的減振機(jī)理。y a m a g u e h i 應(yīng)用基于能量的阻尼理論 分析了斜拉索一輔助索系統(tǒng)，并進(jìn)行了模型試驗(yàn)研究，得出了柔性輔助索可以 有效地提高拉索系統(tǒng)阻尼的結(jié)論。 總而言之，輔助索減振措施提高了拉索體系的整體剛度，提高了拉索各階 振型的廣義質(zhì)量，增加了拉索的機(jī)械阻尼和氣動(dòng)阻尼，使拉索振動(dòng)時(shí)各模態(tài)之 間相互耦合。盡管輔助索方法有如此之多的優(yōu)點(diǎn)，然而它在實(shí)際工程中的應(yīng)用 并不是很普遍，其主要原因是：首先，輔助索結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，其作用和機(jī)理仍 沒(méi)有確切的定論，因此沒(méi)有比較完善的設(shè)計(jì)理論，設(shè)計(jì)、施工中只能依照經(jīng)驗(yàn)， 由此發(fā)生了不少斷索事故；其次，輔助索破壞了原有拉索系統(tǒng)獨(dú)有的美觀效果； 再次，輔助索方法的費(fèi)用相對(duì)于其他減振方法是最昂貴的。因此目前設(shè)計(jì)師都 傾向于盡量不采用這種方法，只是將輔助索減振方法作為施工時(shí)的一種臨時(shí)減 振措施而加以使用。 1 4 3 機(jī)械減振措施 增加拉索阻尼是控制拉索振動(dòng)最直接和最有效的方法。y a m a g u c h i 等指出采 用某些高阻尼材料增加拉索結(jié)構(gòu)阻尼的方法是非常困難的，因此在拉索和橋面 之間安裝阻尼器成了必然的選擇。就目前而言，實(shí)橋所采用的拉索減報(bào)阻尼器 按阻尼介質(zhì)的不同，大致可以分為：高阻尼橡膠阻尼器、油壓阻尼器、粘性剪 切型阻尼器和磁流變阻尼器。 ( 1 ) 高阻尼橡膠阻尼器( h i g hd a m p i n gr u b b e rd a m p e r ) 高阻尼橡膠阻尼器是利用高阻尼橡膠剪切變形滯交阻尼來(lái)耗能的，其構(gòu)造 簡(jiǎn)單，主要由高阻尼橡膠層( 可多層) 及連接鋼板組成 2 0 l 。高阻尼橡膠屬于粘彈 性材料，與普通橡膠相比，其具有更高的阻尼及衰減能力。當(dāng)拉索發(fā)生振動(dòng)時(shí)， 帶動(dòng)橡膠產(chǎn)生剪切變形，從而引起橡膠體系內(nèi)摩擦，將振動(dòng)能量轉(zhuǎn)換為熱能而 消耗掉，高阻尼橡膠兼具彈性固體性質(zhì)和粘性流體性質(zhì)，因此高阻尼橡膠阻尼 器不僅可以抑制拉索的振動(dòng)，還可以減小拉索錨固端處由活載產(chǎn)生的二次力。 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 同時(shí)高阻尼橡膠阻尼器對(duì)溫度的依賴(lài)性小，環(huán)狀造型可以控制拉索各個(gè)方向的 振動(dòng)，其最佳阻尼系數(shù)也不會(huì)因振動(dòng)模態(tài)而異；阻尼器外形簡(jiǎn)潔，可隱蔽于護(hù) 桶內(nèi)部，不會(huì)影響橋梁的美觀性；維護(hù)、更換阻尼器也十分方便。雖然它的阻 尼特性略差于粘性剪切型阻尼器，但其剛度對(duì)拉索有靜力作用。吸收振動(dòng)的能 量。 目前國(guó)內(nèi)大多數(shù)斜拉橋都在錨固端的鋼護(hù)筒內(nèi)安裝了高阻尼橡膠阻尼器。 實(shí)踐證明，因?yàn)橄鹉z阻尼器安裝高度較低，拉索在該處振動(dòng)位移很小，吸收振 動(dòng)能量有限，難以對(duì)風(fēng)雨振等大幅強(qiáng)烈振動(dòng)產(chǎn)生有效的控制。如上海楊浦大橋、 岳陽(yáng)洞庭湖大橋都安裝了橡膠減振阻尼器，仍發(fā)生了強(qiáng)烈的風(fēng)雨振。 ( 2 ) 油壓阻尼器 日本在油壓阻尼器的使用上起步較早，并首先從理論上采用復(fù)特征值法計(jì) 算粘性阻尼系數(shù)，使油壓阻尼器成為具有理論和實(shí)際工程意義的裝置。油壓阻 尼器在橋梁上的應(yīng)用是源于汽車(chē)的減振措施。它由活塞、油缸及節(jié)流孔構(gòu)成， 節(jié)流孔的大小決定通過(guò)活塞的油量從而確定其所能提供的阻尼力。從某種意義 上說(shuō)，油壓阻尼器是一種耗能裝置，通過(guò)吸收斜拉索振動(dòng)的動(dòng)能以減小拉索振 幅從而達(dá)到抑振的目的。法國(guó)的b r o t o n n e 橋、美國(guó)的s u n s h i n es k y w a y 橋、日本 的a r a t s u 橋、t s u r u n m i t s u b a s a 橋以及我國(guó)的南京長(zhǎng)江第二大橋( 圖1 3 ) 和錢(qián) 塘江三橋等都采用了在拉索和橋面之間安裝油阻尼器，油阻尼器設(shè)計(jì)方法已趨 于成熟。 1 2 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 油阻尼器阻尼系數(shù)幾乎不與溫度有關(guān)；除特殊情況外，通常形式的油阻尼 器幾乎沒(méi)有剛性的影響。但除在微小振幅區(qū)，油阻尼器的阻尼附加效率難以確 定，這是油阻尼器設(shè)計(jì)以及提高可靠度急需解決的一個(gè)問(wèn)題。油阻尼器容易漏 油，難于維護(hù)，因此其推廣應(yīng)用存在一定困難。 圖1 3 南京長(zhǎng)江第二大橋安裝的油阻尼器 ( 3 ) 剪切型粘滯阻尼器 繼油阻尼器之后，隨著高阻尼材料的研制成功，日本于八十年代初開(kāi)發(fā)了 用一個(gè)阻尼器就可控制拉索面內(nèi)及面外方向振動(dòng)的粘性剪切型阻尼器，被稱(chēng)為 第二代阻尼器( 簡(jiǎn)稱(chēng)v s d 阻尼器) 2 1 l 。這種阻尼器己成功地用于幸魂大橋、東 名柄橋、青森港橋等共九座橋上。我國(guó)1 9 9 8 年長(zhǎng)安大學(xué)的劉健新教授成功研制 出具有優(yōu)良性能的粘性剪切型阻尼器已在銅陵大橋1 2 2 1 ，武漢二橋，武漢軍山大橋， 白沙州大橋等橋梁的拉索上得以應(yīng)用，減振效果明顯。 粘性剪切型阻尼器由上下兩部分構(gòu)成，上部為帶有插板的下開(kāi)口外殼，下 部為裝有粘性體的箱體，外殼罩在箱體外側(cè)，箱體的外側(cè)四周固定一圈防水橡 膠，外殼和箱體分別和拉索與主梁固定( 圖1 4 ) 。當(dāng)拉索振動(dòng)時(shí)，插板與拉索 做同步運(yùn)動(dòng)，使高粘性體發(fā)生反復(fù)剪切變形，產(chǎn)生很高的阻尼并耗散振動(dòng)能量 插板。 圖1 _ 4 剪切型粘滯阻尼器 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 v s d 阻尼器的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維護(hù)方便，機(jī)械加工誤差要求低，可通過(guò) 調(diào)節(jié)插板的面積和粘性材料的注入量很容易得到所需的粘性阻尼系數(shù)。一個(gè) v s d 阻尼器可同時(shí)抑制面內(nèi)、面外振