孫利民, 李長釗, 狄方殿, 覃 磊, 朱永權(quán), 陳 林

(1.同濟(jì)大學(xué) 土木工程學(xué)院,上海 200092; 2.同濟(jì)大學(xué) 土木工程防災(zāi)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200092; 3.柳州OVM機(jī)械股份有限公司,廣西 柳州 545006)

0 引 言

拉索作為傳力構(gòu)件在橋梁工程中有較多的應(yīng)用,如斜拉橋斜拉索、懸索橋和下承式拱橋吊索等,然而,由于拉索的橫向剛度小且自身阻尼低,其極易受到外部激勵(lì)而產(chǎn)生振動(dòng)問題[1-4]。拉索的長期振動(dòng)將降低索的壽命并可能危及全橋的安全,同時(shí)拉索大幅振動(dòng)會(huì)給過橋者及公眾帶來不適和恐慌。目前，已有多種減振措施在工程中應(yīng)用[5],如改變拉索表面形狀、在拉索近錨固點(diǎn)處安裝機(jī)械阻尼器[6-7]及采用輔助索連接相鄰拉索[8-9]等。其中改變拉索表面形狀的空氣動(dòng)力學(xué)措施往往和其他措施配合使用，輔助索措施由于會(huì)造成橋梁美觀的破壞而較少使用,而在索端安裝阻尼器的方法可以有效控制多種類型的拉索振動(dòng),工程中得到了廣泛的應(yīng)用[10-11]。

拉索減振阻尼器種類較多,包括黏滯阻尼器、黏性剪切阻尼器、摩擦型阻尼器、磁流變阻尼器和高阻尼橡膠阻尼器等多種。阻尼器通常安裝在拉索與橋面錨固點(diǎn)附近,阻尼器一端連接在拉索上,另一端通常通過支架與橋面板連接。對于傾角較大的拉索,如拱橋吊索,阻尼器及其支架的安裝較為困難,也會(huì)影響橋梁美觀；對于較長拉索,為了滿足減振的需要,阻尼器往往需要較大安裝高度;同時(shí),為降低阻尼器支架柔度對阻尼器減振效果的不利影響,阻尼器支架往往需要較大的截面積。因此,阻尼器需要安裝支架的問題也成為該類減振措施的一大弊端。

防振錘作為一種減振耗能裝置最先用于高壓輸電線的減振中,它主要由錘頭、鋼絞線和線夾等3個(gè)部分組成,通過索夾與輸電線連接[12]。后來,這種裝置也被用于摩天輪輪輻式纜索、體育場支承索及橋梁纜索等各種結(jié)構(gòu)。在橋梁工程領(lǐng)域,防振錘被用于斜拉橋拉索、懸索橋吊桿等索類構(gòu)件的振動(dòng)控制,并在多座橋得到應(yīng)用,如韓國的Palyung 懸索橋、Pyeongtaek斜拉橋,中國的南沙大橋等。

防振錘結(jié)構(gòu)簡單、無需支架且安裝方便、成本低,具有較高的性價(jià)比[12],較適合懸索橋和下承式拱橋吊桿和吊索的振動(dòng)控制,以及用于控制拉索-阻尼器系統(tǒng)的高階渦振。防振錘在世界范圍內(nèi)已有不少應(yīng)用案例,其實(shí)橋減振效果有待進(jìn)一步試驗(yàn)驗(yàn)證。為此,本文針對某橋2根實(shí)際的拉索設(shè)計(jì)防振錘裝置,并進(jìn)行實(shí)橋拉索的振動(dòng)試驗(yàn),以驗(yàn)證防振錘減振的實(shí)際效果;通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)防振錘用于實(shí)橋拉索減振存在的問題,并提出解決方案。本文研究成果可以為實(shí)際拉索防振錘的設(shè)計(jì)提供參考。

1 試驗(yàn)概述

1.1 試驗(yàn)拉索

試驗(yàn)拉索為某橋中塔2根較長拉索,拉索類型為GJ15-7鋼絞線擠壓拉索。試驗(yàn)測試?yán)鞯奈恢萌鐖D1所示 (見紅色標(biāo)記線)。拉索具體參數(shù)見表1所列。

圖1 試驗(yàn)拉索示意圖

表1 拉索參數(shù)

1.2 試驗(yàn)用防振錘

根據(jù)實(shí)際防振錘樣式,本試驗(yàn)設(shè)計(jì)的防振錘如圖2所示,主要由錘頭、鋼絞線和索夾等3個(gè)部分組成,其中防振錘錘頭對稱布置,即索夾兩側(cè)鋼絞線長度相同。在進(jìn)行實(shí)橋試驗(yàn)前,需要對防振錘的頻率進(jìn)行標(biāo)定，本文通過改變防振錘鋼絞線的長度來調(diào)節(jié)錘頭的振動(dòng)頻率。防振錘單體實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示。

圖2 試驗(yàn)用防振錘實(shí)物圖片

圖3 防振錘單體實(shí)驗(yàn)裝置

單體實(shí)驗(yàn)中,防振錘索夾固定在工作臺上,給定錘頭初始位移讓其作自由衰減振動(dòng),通過記錄的錘頭自由振動(dòng)加速度數(shù)據(jù)識別防振錘振動(dòng)頻率,具體步驟參考文獻(xiàn)[12]。實(shí)驗(yàn)對采用多根不同長度鋼絞線的防振錘分別進(jìn)行測試,最終通過單體實(shí)驗(yàn)確定2個(gè)分別對2根拉索一階調(diào)諧的防振錘。防振錘1單個(gè)錘頭質(zhì)量為3.75 kg,鋼絞線為直徑13 mm的鍍鋅鋼絞線,懸臂長度為500 mm (鋼絞線中點(diǎn)到錘頭頂面的距離);防振錘2單個(gè)錘頭質(zhì)量為3.75 kg,鍍鋅鋼絞線直徑為13 mm,懸臂長度為480 mm。

1.3 試驗(yàn)布置和方法

在拉索垂直于橋面約4 m處安裝無線加速度傳感器;為了實(shí)時(shí)獲取拉索的振動(dòng)情況,在靠近防振錘位置處安裝微型加速度傳感器;試驗(yàn)采用人工激振的方式,在拉索垂直橋面約5 m處懸掛繩索用于拉索的激振。

試驗(yàn)布置情況與部分試驗(yàn)的現(xiàn)場照片如圖4所示。

圖4 試驗(yàn)布置示意與現(xiàn)場照片

進(jìn)行拉索自由衰減振動(dòng)測試,方法如下：通過采集環(huán)境激勵(lì)下拉索的振動(dòng)數(shù)據(jù),識別出實(shí)際拉索的前幾階振動(dòng)頻率,以對應(yīng)的頻率進(jìn)行人工激振,依次激勵(lì)起對應(yīng)階模態(tài)振動(dòng)，在拉索振動(dòng)幅值達(dá)到一定值后停止激勵(lì),使振動(dòng)自由衰減；利用加速度傳感器采集拉索自由衰減振動(dòng)時(shí)程數(shù)據(jù),對濾波處理后的自由衰減加速度時(shí)程數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合,獲取拉索的模態(tài)阻尼比。

1.4 試驗(yàn)工況

考慮測試?yán)鲗?shí)際主要發(fā)生一、二階振動(dòng),本試驗(yàn)分別對2根拉索的前2階進(jìn)行測試。試驗(yàn)工況見表2所列。

拉索1的位置1為防振錘安裝點(diǎn)沿索軸向距橋面3.0 m處,位置2為防振錘安裝點(diǎn)沿索軸向距橋面4.5 m處;拉索2位置1為防振錘安裝點(diǎn)沿索軸向距橋面4.7 m處。

表2 試驗(yàn)工況

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法

通過分析拉索不同工況下面內(nèi)振動(dòng)加速度時(shí)程數(shù)據(jù)，可以得到拉索的模態(tài)阻尼比,具體的分析步驟如下:

(1) 從原始信號中截取索自由衰減段信號。

(2) 對截取的信號進(jìn)行傅里葉頻譜分析。

(3) 根據(jù)譜分析結(jié)果或者目標(biāo)激振頻率進(jìn)行濾波,濾波采用Butterworth 帶通濾波器,帶寬為0.4 Hz,即濾波器通過的頻率成分為索該階模態(tài)頻率加/減0.2 Hz。

(4) 獲得自由衰減期內(nèi)濾波加速度的包絡(luò)線,并通過曲線擬合計(jì)算阻尼比。

典型工況下，通過測試加速度數(shù)據(jù)獲取頻率和阻尼比過程如圖5所示。

圖5 實(shí)測加速度數(shù)據(jù)處理曲線

2.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

采用2.1節(jié)數(shù)據(jù)處理方法,對所有工況下的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,得到拉索目標(biāo)階模態(tài)的頻率f和阻尼比ζ。本試驗(yàn)對每個(gè)工況重復(fù)測試3次,實(shí)際可用的試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表3所列。

表3 頻率和阻尼比試驗(yàn)結(jié)果

由表3可知,安裝防振錘后,拉索阻尼比顯著提高。對于拉索1,防振錘安裝在位置1(3.0 m)處時(shí),拉索一階模態(tài)阻尼比沒有提高,二階模態(tài)阻尼比提高明顯,由0.16%提高到0.34%以上;提高防振錘的安裝高度,在位置2(4.5 m)處時(shí),拉索一階模態(tài)阻尼比由0.25%提高到0.44%以上,拉索二階模態(tài)阻尼比由0.16%提高到0.42%以上。對于拉索2,安裝防振錘后,拉索的一階模態(tài)阻尼比由0.22%提高到0.58%,二階模態(tài)阻尼比由0.15%提高到0.39%以上。

通過本次實(shí)橋拉索試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),防振錘的啟動(dòng)加速度較大,即當(dāng)拉索振動(dòng)的加速度較小時(shí),防振錘無法工作。由表3可知,防振錘安裝在拉索1位置1處時(shí),對于拉索的一階模態(tài),防振錘未起到增加拉索模態(tài)阻尼的效果(D1-1-1)。拉索1和拉索2的一階振動(dòng)時(shí)程數(shù)據(jù)結(jié)果如圖6、圖7所示。

由圖6、圖7可知:當(dāng)拉索振幅較大時(shí),索振動(dòng)衰減很快,對應(yīng)的阻尼比較大;隨著拉索振動(dòng)幅度的減小,拉索振動(dòng)衰減變慢,相應(yīng)的阻尼比降低。

值得注意的是本次試驗(yàn)防振錘針對拉索的一階振動(dòng)設(shè)計(jì),從試驗(yàn)結(jié)果可知,拉索的二階模態(tài)阻尼比在安裝防振錘后增加顯著。其原因可能是:試驗(yàn)用防振錘2個(gè)錘頭對稱布置,即兩側(cè)鋼絞線長度相同,2個(gè)錘頭質(zhì)量也相同,當(dāng)防振錘水平放置時(shí),兩側(cè)錘頭振動(dòng)頻率理論上相同,類似調(diào)諧質(zhì)量阻尼器(tuned mass damper,TMD)裝置;而當(dāng)防振錘安裝在拉索上時(shí),由于拉索具有一定的傾角,防振錘上、下側(cè)的鋼絞線在錘頭重力的作用下,上側(cè)鋼絞線受到壓力的作用,而下側(cè)受拉力作用,使得上、下錘頭振動(dòng)的頻率并不一致,這樣的防振錘實(shí)際上是一個(gè)多重調(diào)諧質(zhì)量阻尼器(multiple tuned mass damper, MTMD) 裝置,防振錘的有效頻率范圍變廣,因此,試驗(yàn)防振錘對于拉索的二階振動(dòng)也有較好的阻尼效果。

圖6 工況D1-1-2下拉索加速度及不同振幅下阻尼比

圖7 工況D2-1-1下拉索加速度及不同振幅下阻尼比

另外,防振錘的剛度呈非線性特點(diǎn),即隨著錘頭振幅的改變,其自振頻率也發(fā)生一定的變化。防振錘裝置與理論上的線性TMD不同,其具有更好的魯棒性。

3 結(jié) 論

本文試驗(yàn)研究防振錘對于實(shí)際斜拉索的振動(dòng)控制效果,證明了其減振的有效性,同時(shí)也發(fā)現(xiàn)該裝置實(shí)際存在的一些問題。

(1) 防振錘用于拉索的振動(dòng)控制是可行的、有效的,其可以顯著提高拉索的模態(tài)阻尼,并且具有較好的魯棒性。

(2) 測試防振錘的啟動(dòng)加速度較大,對于低階(一階)的小振幅振動(dòng)抑制效果不佳。

(3) 防振錘錘頭可能會(huì)碰撞拉索,需要加以解決。

對于防振錘在實(shí)索減振中存在的問題,提出以下的處理思路:

(1) 減小錘頭質(zhì)量。可以同時(shí)安裝多個(gè)防振錘,解決啟動(dòng)加速度大的問題。

(2) 在錘頭可能碰到的拉索上安裝防護(hù)裝置,建議采用耗能較好的材料。當(dāng)拉索大振幅振動(dòng)時(shí),錘頭撞擊拉索上的耗能材料產(chǎn)生耗能,起到碰撞調(diào)諧質(zhì)量阻尼器的效果。