悬索桥多阶竖向涡激振动塔梁阻尼减振系统研究.pdf

桥梁建设 年第 卷第期(总第 期)B r i d g eC o n s t r u c t i o n,V o l ,N o ,(T o t a l l yN o )收稿日期:基金项目:国家杰出青年科学基金项目()N a t i o n a lS c i e n c eF u n df o rD i s t i n g u i s h e dY o u n gS c h o l a r s()作者简介:华旭刚,教授,E m a i l:c e x g h u a h n u e d u c n.研究方向:桥梁风致振动与减振控制.文章编号:()D O I:/j i s s n 悬索桥多阶竖向涡激振动塔梁阻尼减振系统研究华旭刚,张建辉,万田保,孙英杰,陈政清,(湖南大学风工程与桥梁工程湖南省重点实验室,湖南 长沙 ;湖南大学土木工程学院,湖南 长沙 ;中铁大桥勘测设计院集团有限公司,湖北 武汉 ;中铁桥隧技术有限公司,江苏 南京 )摘要:为控制大跨度简支体系悬索桥的多阶竖向涡激振动,提出一种塔梁阻尼减振系统(在桥塔外伸牛腿与加劲梁之间布置耗能阻尼器),以武汉鹦鹉洲长江大桥为背景进行参数分析和减振效果研究.采用AN S Y S软件建立大桥整体有限元模型,采用复模态方法分析阻尼器安装位置与阻尼系数对桥梁阻尼比的影响,给出种优化准则,以选取最优阻尼系数和阻尼器安装位置,并将该系统应用在实桥中.结果表明:塔梁阻尼减振系统能同时提高桥梁多个竖弯模态的阻尼比,在相同阻尼系数下,模态阶数越高,最大附加阻尼比越大;随阻尼系数的增大,各阶竖弯模态的附加阻尼比先增加后减小,各阶竖弯模态均存在最大附加阻尼比和最优阻尼系数;随阻尼器安装位置与桥塔中心线距离的增大,各阶竖弯模态的附加阻尼比逐渐增大,最优阻尼系数逐渐减小,有利于降低阻尼器成本;实际安装阻尼器后大桥实测阻尼比较安装前有明显的提升.说明塔梁阻尼减振系统能够有效地控制大跨度简支体系悬索桥的多阶竖向涡激振动.关键词:悬索桥;多阶竖向涡激振动;振动控制;塔梁阻尼减振系统;参数优化;工程应用中图分类号:U ;U 文献标志码:AAT o w e r G i r d e rD a m p i n gS y s t e mt oC o n t r o lM u l t i M o d eV e r t i c a lV o r t e x I n d u c e dV i b r a t i o n so fS u s p e n s i o nB r i d g eH U AX u g a n g,Z H A N GJ i a n h u i,W A NT i a n b a o,S U NY i n g j i e,C HE NZ h e n g q i n g,(K e yL a b o r a t o r yf o rW i n da n dB r i d g eE n g i n e e r i n go fH u n a nP r o v i n c e(H u n a nU n i v e r s i t y),C h a n g s h a ,C h i n a;C o l l e g eo fC i v i lE n g i n e e r i n g,H u n a nU n i v e r s i t y,C h a n g s h a ,C h i n a;C h i n aR a i l w a yM a j o rB r i d g eR e c o n n a i s s a n c e&D e s i g nI n s t i t u t eC o,L t d,W u h a n ,C h i n a;C h i n aR a i l w a yB r i d g e&T u n n e lT e c h n o l o g i e sC o,L t d,N a n j i n g ,C h i n a)A b s t r a c t:E n e r g yd i s s i p a t i n gd a m p e r sa r ei n s t a l l e do nt h eo v e r h u n gb r a c k e t si nb e t w e e nt h et o w e r a n d t h e s t i f f e n i n gg i r d e r t o f o r ma t o w e r g i r d e r d a m p i n gs y s t e m,w h i c h i s a b l e t o c o n t r o l t h em u l t i m o d ev e r t i c a lv o r t e x i n d u c e d v i b r a t i o n so ft h el o n g s p a n,s i m p l y s u p p o r t e d s u s p e n s i o nb r i d g e T h eY i n g w u z h o uC h a n g j i a n gR i v e rB r i d g e i n Wu h a ni su s e df o rac a s es t u d y T h ef i n i t ee l e m e n tm o d e l o f t h e f u l l b r i d g ew a sd e v e l o p e d i nAN S Y S t oc a r r yo u t c o m p l e xm o d e c a l c u l a t i o n t oa n a l y z e t h ee f f e c t so fi n s t a l l a t i o nl o c a t i o n so ft h ed a m p e r sa n dt h ed a m p i n gc o e f f i c i e n t so nt h ed a m p i n gr a t i oo ft h eb r i d g e T h r e ep a r a m e t e rs e l e c t i o no p t i o n sw e r ep r o p o s e dt os o r to u tt h eo p t i m a ld a m p i n gc o e f f i c i e n ta n dl o c a t i o n so fd a m p e r s I nt h e Y i n g w u z h o u C h a n g j i a n g R i v e rB r i d g e,t h e t o w e r g i r d e r d a m p i n gs y s t e mi s c a p a b l eo f s i m u l t a n e o u s l y r a i s i n g t h ed a m p i n g r a t i o s o fm u l t i p l ev e r t i c a lb e n d i n g m o d e s W i t ht h es a m ed a m p i n gc o e f f i c i e n t,h i g h e r m o d e si n d i c a t e悬索桥多阶竖向涡激振动塔梁阻尼减振系统研究华旭刚,张建辉,万田保,孙英杰,陈政清g r e a t e rm a x i m u m a d d i t i o n a ld a m p i n gr a t i o s A st h ed a m p i n gc o e f f i c i e n ti n c r e a s e s,t h ea d d i t i o n a ld a m p i n gr a t i oo fe a c hv e r t i c a lb e n d i n g m o d ei n c r e a s e sf i r s t,b u td e c e a s e sa f t e r w a r d s,a n d m a x i m u ma d d i t i o n a l d a m p i n gr a t i oa n do p t i m a ld a m p i n gc o e f f i c i e n te x i s t i na l l t h ev e r t i c a lb e n d i n gm o d e s A st h ed i s t a n c eo f t h e d a m p e r s t o t h e c e n t e r l i n e o f t h e c e n t r a l p y l o nb e c o m e s l a r g e r,t h e a d d i t i o n a l d a m p i n g r a t i oo fe a c hv e r t i c a lb e n d i n g m o d eg r a d u a l l yi n c r e a s e s,w h i l et h eo p t i m a ld a m p i n gc o e f f i c i e n tg r a d u a l l yd e c r e a s e s,w h i c hi sf a v o r a b l ef o rc o s tr e d u c t i o n A f t e re q u i p p e dw i t hd a m p e r s,t h ed a m p i n gr a t i o so fp r o m i n e n t v e r t i c a l b e n d i n gv i b r a t i o nm o d e so f t h eb r i d g ea r en o t a b l yh i g h e r t h a nt h eo r i g i n a l s t r u c t u r e,i n d i c a t i n g t h a tt h et o w e r g i r d e rd a m p i n gs y s t e mc a ne f f e c t i v e l yc o n t r o lt h em u l t i m o d ev e r t i c a lv o r t e x i n d u c e dv i b r a t i o n so f t h e l o n g s p a n,s i m p l y s u p p o r t e ds u s p e n s i o nb r i d g e K e y w o r d s:s u s p e n s i o n b r i d g e;m u l t i m o d e v e r t i c a l v o r t e x i n d u c e d v i b r a t i o n;v i b r a t i o nc o n t r o l;t o w e r g i r d e rd a m p i n gs y s t e m;p a r a m e t r i co p t i m i z a t i o n;e n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n引言随着悬索桥跨度的不断增大,结构的刚度和阻尼比越来越小,这使得桥梁结构的抗风问题尤其是风致振动问题成为大跨度桥梁设计和建造的关键控制因素之一.涡激振动是一种气流流经结构表面产生周期性脱落漩涡而引起的大幅振动现象.虽然涡激振动是一种限幅的自激振动,但是大跨度桥梁在低风速下容易出现涡激振动现象,且振幅过大会引起桥梁结构的疲劳问题,对行车安全与舒适度也会产生影响.悬索桥具有结构固有频率较低且竖向模态频率分布密集的特点,在常遇风速下,随着风速的逐渐增大会从低到高依次产生各阶竖弯模态的振动,这种现象就是大跨度悬索桥的多阶竖向涡激振动问题.近年来已经在多座悬索桥上观测到了多阶模态竖向涡激振动现象,例如西堠门大桥在 m/s风速区间内观测到了第阶竖弯模态的振动;虎门大桥在 m/s风速区间内观测到了个模态的竖向涡激振动,而这些风速区间在桥梁运营期出现概率较高.因此,多阶模态竖向涡激振动现象应该引起高度重视.桥梁结构的涡激振动控制一般有种措施:结构措施、气动措施与阻尼措施.其中,结构措施会影响桥梁的整体力学性能,一般不作为大跨桥梁的振动控制方式.气动措施是桥梁初步设计阶段的优选控制措施,正确的气动措施可从根本上解决桥梁的涡激振动问题,常用的气动措施有稳定板、导流板、抑流板、风嘴和风屏障等.但是由于涡激振动机理的复杂性,各种形式的气动措施并不具备普适性,每一座桥梁仍需根据经验,并通过风洞试验的方式选择合适的气动措施,且附 加 气 动 措 施 还 可 能 会 影 响 桥 梁 的 颤 振 性能;另一方面对于已经建成的既有桥梁,想要追加气动措施具有一定的困难,所以气动措施的使用受到一定的限制.阻尼措施是一种有效的涡激振动控制方式,其中安装调谐质量阻尼器(T u n e dM a s sD a m p e r,TMD)是 主要的方法.TMD通过将质量块的振动频率调整到主结构频率附近,改变结 构 共 振 特 性,达 到 吸 能 减 振 的 效 果 .但是TMD难以运用在大跨度悬索桥的涡激振动控制中,主要原因是悬索桥的振动频率较低,调谐后TMD弹簧单元的静伸长量大于加劲梁内部的安装空间,导致TMD系统无法安装.现有的结构措施、气动措施与TMD阻尼措施都难以对悬索桥多阶竖向涡激振动问题进行有效控制,因此需对悬索桥多 阶竖向涡激 振动的控制 措 施 进 行研究.按照塔梁交汇处加劲梁是否存在振型位移,可以将大跨度悬索桥分为两类:塔梁交汇处有振型位移的多跨连续全飘浮体系悬索桥 如西堠门大桥、恰纳卡莱大桥(C a n a k k a l eB r i d g e)等、塔梁交汇处无振型位移的简支体系悬索桥(如武汉鹦鹉洲长江大桥、虎门大桥等).针对全飘浮体系悬索桥,杨兴龙 提出了一种在加劲梁塔梁交汇处附加直接耗能阻尼器的多阶竖向涡激振动控制措施,并以西堠门大桥为例进行数值模拟和参数分析.而针对简支体系悬索桥的多阶竖向涡激振动还没有有效的控制措施,因此本文在分析全飘浮体系悬索桥附加直接耗能阻尼器的控制措施后,进一步提出一种塔梁阻尼减振系统,即在桥塔外伸牛腿与加劲梁之间布置耗能阻尼器的直接减振系统,以控制简支体系悬索桥的多阶竖向涡激振动.为检验塔梁阻尼减振系统对简支体系悬索桥多阶竖向涡激振动控制的有效性及可行性,以武汉鹦鹉洲长江大桥为背景进行有限元模拟,利用复模态方法进行参数分析,并按照参数优化结果在实桥上安装该塔梁阻尼减振系统,测试该系统安装前、后的阻尼比,研究其减振效果,为大桥梁建设B r i d g eC o n s t r u c t i o n ,()跨度悬索桥多阶竖向涡激振动控制提供参考.塔梁阻尼减振系统对于全飘浮体系悬索桥,在桥塔与加劲梁间未设置竖向支座,当发生竖向涡激振动时,各阶模态在塔梁交汇处均会产生振型位移.因此,将直接耗能阻尼器安装在塔梁交汇处可有效控制悬索桥多阶模态的竖向涡激振动.而对于简支体系悬索桥,其在塔梁交汇处没有振型位移,为实现对多阶竖向涡激振动的控制,提出一种塔梁阻尼减振系统.该系统需首先在桥塔上安装组向跨中方向延伸的牛腿,再将直接耗能阻尼器(简称阻尼器,这种阻尼器具有结构简单、安装方便的优点)安装在外伸牛腿与加劲梁之间,以保证阻尼器安装位置处存在振型位移.简支体系悬索桥塔梁阻尼减振系统布置见图.图简支体系悬索桥塔梁阻尼减振系统布置F i g L a y o u t S c h e m eo fT o w e r G i r d e rD a m p i n gS y s t e mf o rS i m p l y S u p p o r t e dS u s p e n s i o nB r i d g e工程背景武汉鹦 鹉 洲 长 江 大 桥 为()m三塔四跨简支体系悬索桥,主缆垂跨比/.加劲梁采用钢混结合梁,梁宽 m,中心线处梁高m,标准节段长 m.中塔高 m,采用钢混组合结构;边塔高 m,采用钢筋混凝土框架结构.在中塔、边塔和桥墩处约束加劲梁的竖向位移和扭转;在中塔、边塔和桥墩处设置侧向抗风支座;在中塔和桥墩处设置纵向固定支座.综合考虑该桥阻尼器安装条件和涡激振动减振控制要求,拟在该桥中塔左、右两侧桥墩与加劲梁之间各布置套塔梁阻尼减振系统,共套,其布置见图.有限元模拟和参数分析 有限元建模利用AN S Y S软件建立全桥有限元模型,见图图武汉鹦鹉洲长江大桥塔梁阻尼减振系统布置F i g L a y o u t o fT o w e r G i r d e rD a m p i n gS y s t e mi nY i n g w u z h o uC h a n g j i a n gR i v e rB r i d g e i nW u h a n.模型中,吊杆和主缆采用L i n k 单元模拟,桥塔与加劲梁采用B e a m 单元模拟;加劲梁采用单梁式力学模型,由于加劲梁两侧与主缆之间由吊杆连接,因此在建模过程中采用从加劲梁单元伸出刚臂至吊杆连接处的鱼骨形式来模拟;二期恒载采用M a s s 单元模拟;阻尼器采用C o m b i n 单元模拟.图全桥有限元模型F i g F i n i t eE l e m e n tM o d e l o fF u l lB r i d g e由 公路桥梁抗风设计规范(J T G/T )中的斯特劳哈尔数(S t r o u h a lN u m b e r)公式可知:当风速在 m/s以下时,H z以下的各阶竖弯模态都有可能出现.因此,本文选取频率 H z以下的 阶竖弯模态为对象,通过模态分析得到武汉鹦鹉洲长江大桥各阶竖弯模态的自振频率与模态振型,结果见表,部分竖弯模态振型见图.复模态方法分析验证基于简谐涡激力模型的涡激振动振幅估算公式 可知:钢箱梁的涡激振动振幅通常对阻尼比非常敏感,随阻尼比的增大,其涡激振动振幅会逐渐减小.为验证结构阻尼比对涡激振动振幅的影响,进行武汉鹦鹉洲长江大桥的节段模型风洞试验.试悬索桥多阶竖向涡激振动塔梁阻尼减振系统研究华旭刚,张建辉,万田保,孙英杰,陈政清表前 阶竖弯模态振动频率T a b V i b r a t i o nF r e q u e n c i e so fF i r s t V e r t i c a lB e n d i n gM o d e s竖弯模态阶数振动频率/H z竖弯模态阶数振动频率/H z 图部分竖弯模态振型F i g S e v e r a lV e r t i c a lB e n d i n gV i b r a t i o nM o d e s验中使用了一种板式电涡流阻尼器,通过改变电涡流阻尼器的空气间隙达到改变结构阻尼比的效果,由于本文只研究竖弯模态,所以将电涡流阻尼器安装在节段模型两端的中心位置处.节段模型风洞试验见图.图节段模型风洞试验F i g S e c t i o n a lM o d e lW i n dT u n n e lT e s t本文仅给出最不利风攻角()时的试验结果.为研究阻尼比的影响,在试验中逐渐增大结构的阻 尼 比(依 次 取 、),直到竖向涡激振动消失.竖向涡激振动振幅随阻尼比的变化见图.由图可知:节段模型的涡激振动振幅随阻尼比的增大而减小,且呈近似线性的关系.因此,节段模型风洞试验验证了阻尼比与涡激振动振幅基本成反比关系.图 风攻角下竖向涡激振动振幅随阻尼比的变化F i g R e s p o n s e so fV e r t i c a lV o r t e x I n d u c e dV i b r a t i o nA m p l i t u d e s t oV a r i a t i o no fD a m p i n gR a t i o sa tW i n dA t t a c kA n g l eo f 考虑到阻尼比与涡激振动振幅基本成反比关系,故可以通过塔梁阻尼减振系统安装前、后加劲梁各阶模态阻尼比的变化评价其对武汉鹦鹉洲长江大桥多阶模态竖向涡激振动的控制效果.在该桥全桥有限元模型中进行复模态分析,得到阻尼器安装后各阶竖弯模态的附加阻尼比,以阻尼器对结构的附加阻尼比大小来评估减振效果.在复模态分析中假定武汉鹦鹉洲长江大桥的固有阻尼比为,此时复模态分析得到的阻尼比直接反映了阻尼器的附加阻尼比.参数分析影响阻尼器对各阶竖弯模态附加阻尼比大小的主要因素有阻尼器的安装位置Ld及阻尼系数C.在进行参数分析时,阻尼器安装位置选择距离桥塔中心线为、m的个位置,分析种工况下(表)阻尼器的阻尼系数对各阶竖弯模态附加阻尼比的影响.经有限元分析得到工况时各阶竖弯模态附加阻尼比,结果见图.表有限元模拟工况T a b L o a dC a s e s i nN u m e r i c a l S i m u l a t i o n工况阻尼器安装位置Ld/m阻尼系数C/N(m/s)桥梁建设B r i d g eC o n s t r u c t i o n ,()图工况时各阶竖弯模态附加阻尼比变化F i g V a r i a t i o no fA d d i t i o n a lD a m p i n gR a t i o so fA l lV e r t i c a lB e n d i n gM o d e sS e l e c t e dC o r r e s p o n d i n g t oL o a dC a s e s t o由图可知:在安装阻尼器后,各阶竖弯模态均在工况时取得最大附加阻尼比,除第阶竖弯模态的最大附加阻尼比小于 外,其余各阶竖弯模态的最大附加阻尼比均在 以上,且第阶以上的竖弯模态最大附加阻尼比均在 以上.说明本文提出的塔梁阻尼减振系统可显著增加各阶竖弯模态的阻尼比,且高阶模态的附加阻尼比增幅更大.在不同位置安装阻尼器后,随阻尼系数的增大,结构各阶竖弯模态的附加阻尼比先增大后减小;各阶竖弯模态均存在最大附加阻尼比与最优阻尼系数.以第阶竖弯模态为例,分析不同安装位置处附加阻尼比随阻尼系数的变化,结果见图.由图可知:随安装位置距离桥塔中心的不断增大(从 m增加到 m),各阶竖弯模态附加阻尼比的最大值均逐渐增大,对应各阶竖弯模态的最优阻尼系数均逐渐减小.说明阻尼器安装位置距离桥塔越远,所提供的附加阻尼比越大,对振动的控制效果就越好;而且需要的阻尼系数也越小,阻尼器的造价就越低,有较好的工程应用可行性,但是外伸牛腿的刚度会在一定程度上限制外伸的距离.图第阶竖弯模态附加阻尼比随阻尼系数的变化F i g R e s p o n s eo f t hV e r t i c a lB e n d i n gM o d eA d d i t i o n a lD a m p i n gR a t i o t oD a m p i n gC o e f f i c i e n t此外,当阻尼器的安装位置从 m变化到 m,前 阶竖弯模态的最优阻尼系数从()N(m/s)变 化 到()N(m/s),说明随阻尼器安装位置距离桥塔中心线的增大,前 阶竖弯模态附加阻尼比峰值对应的 最 优 阻 尼 系 数 的 差 值 逐 渐 减 小 从 N(m/s)减小到 N(m/s),最优阻尼系数也逐渐减小(从 数量级减小到 数量级).这表明随阻尼器安装位置距桥塔中心线的不断增大,越容易实现用一个较小的阻尼系数较好地控制多个竖弯模态的振动.悬索桥多阶竖向涡激振动塔梁阻尼减振系统研究华旭刚,张建辉,万田保,孙英杰,陈政清优化准则与减振效果仿真分析 优化准则由 节分析可知:各阶竖弯模态均存在最大附加阻尼比与最优阻尼系数.若想控制某一阶模态的振动,只需选取相对应的最优阻尼系数即可.如 年武汉鹦鹉洲长江大桥在平均风速 m/s时,发生了第阶竖弯模态的振动,则要想控制第阶竖弯模态的振动,选取阻尼器的安装位置Ld m、阻尼系数C N(m/s)时控制效果最佳.由于悬索桥具有多阶竖向涡激振动问题,因此对涡激振动控制的目标不能局限在某一阶模态的振动上,应考虑在常遇风速下出现的所有振动模态,为了能够用种阻尼系数和安装位置来控制多阶竖向涡激振动,本文从以下个角度给出优化准则.()采 用 第 阶 竖 弯 模 态 附 加 阻 尼 比()均方根值最大时的阻尼系数和安装位置作为优化参数,此时附加阻尼比最大值m a x的计算公式为:m a x 通过计算可知,附加阻尼比取得最大值时对应的阻尼系数C N(m/s),安装位置Ld m.()采 用 第 阶 竖 弯 模 态 附 加 阻 尼 比()平均值最大时的阻尼系数和安装位置作为优化参数.分别为第 阶竖弯模态的附加阻尼比所占比重.其中,/,此时附加阻尼比最大值m a x的计算公式为:m a x 通过计算可知,附加阻尼比取得最大值时对应的阻尼系数C N(m/s),安装位置Ld m.()采用以控制常遇风速下出现概率较高的竖向涡激振动阶数为主要目标的优化参数,即对常遇风速下容易出现的竖弯模态赋予较大比重,来求得优化参数.这种方法针对不同桥梁结构和桥梁所在地的常遇风速,可以选择不同的竖弯模态作为主要控制目标,并通过赋予各阶竖弯模态不同的权重得到更符合实际工程的优化参数.由于武汉鹦鹉洲长江大桥曾在 m/s的风速下出现过竖向涡激振动,根据斯特劳哈尔数和武汉鹦鹉洲长江大桥竖弯模态频率分析可知第、阶竖弯模态出现概率较大,所以在计算优化参数时对第阶与第阶竖弯模态赋予较大比重,最终求出优化参数.即,此时附加阻尼比最大值m a x的计算公式为:m a x 通过计算可知,附加阻尼比取得最大值时对应的阻尼系数C N(m/s),安装位置Ld m.通过以上种优化准则进行武汉鹦鹉洲长江大桥附加阻尼比最大值计算,可知:在阻尼系数C N(s/m),安装位置Ld m时,对前 阶竖弯模态均有最优的控制效果.因此后续减振效果仿真分析与实桥应用均采用该参数值.通过AN S Y S分析得到各阶竖弯模态的附加阻尼比的计算值,结果见表.表C N(m/s),Ld m时各阶竖弯模态附加阻尼比T a b A d d i t i o n a lD a m p i n gR a t i oo fE a c hV e r t i c a lB e n d i n gM o d ea tC N(m/s),Ld m竖弯模态阶数振动频率/H z附加阻尼比/减振效果仿真分析为了得到更直观的控制效果,在AN S Y S模型中模拟计算武汉鹦鹉洲长江大桥安装阻尼器前、后的涡激力响应.其中阻尼器的优化参数为阻尼系数C N(m/s)、安装位置Ld m,假设桥梁结构自身阻尼比为;涡激力采用简谐力模型加载于加劲梁上,本文以第阶竖弯模态为例,涡激力的频率为 H z;由于该桥发生涡激振动的最大振幅约为 m,故模拟时安装阻尼桥梁建设B r i d g eC o n s t r u c t i o n ,()器前结构的最大振幅取 m左右.计算得到安装阻尼器前、后第阶竖弯模态涡激振动响应位移时程曲线,结果见图.由图可知:安装阻尼器前,大桥在简谐荷载作用下第阶竖弯模态的最大振幅为 m;安装阻尼器后,第阶竖弯模态振幅减小至 m,减振率达到 ,减振效果很好.图第阶竖弯模态涡激振动响应位移时程曲线F i g D i s p l a c e m e n tT i m eH i s t o r yR e s p o n s eo fV o r t e x I n d u c e dV i b r a t i o n so f t hV e r t i c a lB e n d i n gM o d e工程应用数值模拟得到阻尼器的优化参数为:阻尼系数C N(m/s)、安装位置Ld m(即第根吊杆位置处),选取该优化参数在武汉鹦鹉洲长江大桥上安装阻尼器.与传统的油阻尼器相比,扭转电涡流阻尼器具有构造简单、可靠度高、易于调节阻尼系数、使用寿命长等优点.因此,在该桥中塔左、右两侧桥墩与加劲梁之间各安装套塔梁阻尼减振系统,阻尼器采用扭转电涡流阻尼器,见图.为了验证塔梁阻尼减振系统的有效性,在阻尼器安装前、后通过连续跳车激振试验进行该桥动力图 扭转电涡流阻尼器F i g T o r s i o n a lE d d yC u r r e n tD a m p e r特性测试,并比较阻尼器安装前、后各阶竖弯模态的阻尼比增加量,部分结果见表.由表可知:在安装阻尼器前,桥梁结构各阶竖弯模态的阻尼比为 ,安装阻尼器后阻尼比均有显著提升;但附加阻尼比的实测值与数值模拟计算得到的理论计算值(表)仍有较大差距,特别是对于高阶模态.如第阶模态的附加阻尼比理论计算值为 ,而实测值为 .但是相较于安装阻尼器前,安装阻尼器后武汉鹦鹉洲长江大桥的第阶模态阻尼比增加了倍,仍能够大幅减小涡激振动的振幅.对误差的原因进行分析后认为:阻尼器自身存在着间隙,桥梁结构在阻尼器安装位置处的振型位移会大于阻尼器的位移,使得阻尼器未能完全发挥作用;阻尼器自身存在一定的刚度和摩擦,使阻尼 器的等效阻 尼系数未能 达到设定值;连续跳车激振的方法所激发的振动幅度太小,无法充分发挥阻尼器的性能.这表明阻尼器、牛腿和加劲梁之间的局部特征对阻尼器的性能有较大的影响,后续需要进一步进行探究.表安装阻尼器前、后部分竖弯模态附加阻尼比实测值T a b M e a s u r e dA d d i t i o n a lD a m p i n gR a t i o s o f S e v e r a lV e r t i c a lB e n d i n gM o d e sb e f o r e a n da f t e r I n s t a l l a t i o no fD a m p e r s竖弯模态阶数实测频率/H z阻尼比/安装前安装后 结论本文 通 过 分 析 现 有 结 构 措 施、气 动 措 施 和TMD阻尼措施对悬索桥多阶竖向涡激振动控制的不足与困难,在全飘浮体系悬索桥研究的基础上,针对简支体系悬索桥提出了塔梁阻尼减振系统,以武汉鹦鹉洲长江大桥为背景进行数值模拟与参数分析,并提出了种优化准则,最后将该塔梁阻尼减振系统应用在实桥中.通过数值分析与工程应用,得到如下结论:()塔梁阻尼减振系统不会影响桥梁结构的正常运营,具有结构简单、安装方便、可靠性高、鲁棒性好等优点,可以对多个模态的竖向涡激振动进行有效控制,提高了涡激振动控制的经济性.()塔梁阻尼减振系统可显著提升各阶竖弯模态的阻尼比,且高阶模态的阻尼比增幅更大,对于简悬索桥多阶竖向涡激振动塔梁阻尼减振系统研究华旭刚,张建辉,万田保,孙英杰,陈政清支体系悬索桥,采用塔梁阻尼减振系统来控制多阶竖向涡激振动切实有效.()随着阻尼器阻尼系数的增大,结构各阶竖弯模态的附加阻尼比先增大后减小.各阶竖弯模态均存在最大附加阻尼比与最优阻尼系数.()阻尼器的安装位置距离桥塔越远,各阶竖弯模态最大附加阻尼比越大,对振动的控制效果越好,且需要的阻尼系数越小,更节省阻尼器的造价,有着较好的工程应用可行性,但是外伸牛腿的刚度会在一定程度上限制外伸的距离.()随阻尼器安装位置距桥塔中心线距离的不断增大,各阶竖弯模态的最优阻尼系数差距减小,大部分模态可以同时达到最优控制效果,更容易实现用一个阻尼系数较好地控制多阶竖弯模态的振动.()在实桥安装阻尼器后,实测阻尼比较安装前有较为明显的提升,但是相比于数值模拟结果仍有较大差距,需要进一步深入研究.参考文献(R e f e r e n c e s):赵会东,陈良江,肖海珠,等高速铁路大跨度桥梁涡激振动 振幅 限值 研 究J桥 梁 建 设,():(Z HAOH u i d o n g,CHE NL i a n g j i a n g,X I AOH a i z h u,e t a lS t u d y o n V o r t e x I n d u c e d V i b r a t i o nAm p l i t u d eT h r e s h o l d so fH i g h S p e e dR a i l w a yL o n g S p a nB r i d g eJB r i d g eC o n s t r u c t i o n,():i nC h i n e s e)高云峰,张年红,叶元芬,等半开口分离双箱梁断面涡激共振及气动优化风洞试验研究J世界桥梁,():(G AO Y u n f e n g,Z HAN G N i a n h o n g,Y E Y u a n f e n,e t a lW i n dT u n n e lT e s tt oV e r i f yV o r t e xR e s o n a n c ea n d O p t i m i z e A e r o d y n a m i cP r o p e r t i e so fS e m i O p e nS e p a r a t e dT w i n B o xG i r d e r S e c t i o nJW o r l dB r i d g e s,():i nC h i n e s e)项海帆现代桥梁抗风理论与实践M北京:中国人民交通出版社,(X I AN G H a i f a n M o d e r n T h e o r y a n d P r a c t i c e o nB r i d g eW i n dR e s i s t a n c eM B e i j i n g:C h i n aC o mm u n i c a t i o n sP r e s s,i nC h i n e s e)华旭刚,黄智文,陈政清大跨度悬索桥的多阶模态竖向涡振 与 控 制 J中 国 公 路 学 报,():(HUA X u g a n g,HUA N G Z h i w e n,C H E N Z h e n g q i n g M u l t i M o d eV e r t i c a lV o r t e x I n d u c e dV i b r a t i o no fS u s p e n s i o n B r i d g e s a n d C o n t r o l S t r a t e g yJ C h i n aJ o u r n a l o fH i g h w a ya n dT r a n s p o r t,():i nC h i n e s e)L I H,L A I MA S,OU J,e t a lI n v e s t i g a t i o n o fV o r t e x I n d u c e dV i b r a t i o no faS u s p e n s i o nB r i d g ew i t hT w o S e p a r a t e d S t e e l B o x G i r d e r s B a s e d o n F i e l dM e a s u r e m e n t sJ E n g i n e e r i n g S t r u c t u r e s,():葛耀君,赵林,许坤大跨桥梁主梁涡激振动研究进展与思考J中国公路学报,():(G E Y a o j u n,Z HAO L i n,XU K u n R e v i e w a n dR e f l e c t i o n o n V o r t e x I n d u c e