桥梁减振技术的发展与应用.pdf

第28卷第1期Vol.28 No.1 2007青 岛 理 工 大 学 学 报Journal of Qingdao Technological University桥梁减振技术的发展与应用张 伟,岳 澄,石九州(天津大学 力学系,天津300072)摘 要:介绍了既有铁路桥梁因横向刚度不足及列车提速致使的横向振动、城市桥梁轨道交通车桥耦合动力振动、大跨度桥梁拉索的风雨激振、轴向流激振等几类桥梁振动减振技术的发展与应用.在铁路桥梁和高架桥梁中,对车桥耦合振动体系,采用被动控制法,安装质量阻尼器,改变桥梁基础结构的型式,进行桥梁减振和降噪.在斜拉桥拉索减振上,主要采用机械减振控制,安装目前较常用的粘性剪切型阻尼器进行减振,介绍了新型的磁流变阻尼器半主动控制法减振技术.这些减振措施在一些实际的桥梁减振中都取得了不错的效果.同时,还阐述了近年来在人行桥梁中新发现的人致桥梁侧向振动的桥梁减振新问题.关键词:桥梁减振,横向振动,车桥耦合,风雨激振,人致侧向振动中图分类号:TU352.1 文献标志码:A 文章编号:16734602(2007)01003005桥梁属于大型、复杂建筑结构,它的静动力特性,包括空间内力计算、稳定、振动、风和地震响应等问题,如果在桥梁的设计当中解决不好,带来的危害是很大的122.就桥梁的振动问题,如在既有铁路桥梁基础上进行列车提速带来的过度振动、城市轨道高架桥振动带来的城市噪声污染、大跨度桥梁桥塔和拉索的风致振动等等问题,如何对桥梁进行减振,给广大设计人员提出了很多新的挑战性研究课题和试验.笔者就三类桥梁减振技术方面的发展状况做个介绍.1 三类桥梁振动减振技术的发展与应用1.1 铁路桥梁在我国的铁路桥梁设计中,多以竖向刚度作为控制梁体设计的主要依据,较少考虑梁体的横向刚度,近年来列车提速后,桥梁横向刚度不足的问题日益突出,尤其是当列车提速到70km/h后,一部分既有铁路桥梁特别是中小跨度的半穿式及下承式钢桁架桥普遍横向刚度不足,这直接威胁了列车的行车安全,甚至会导致列车脱轨.铁路桥梁振动横向振幅过大,主要原因在于:桥梁本身横向刚度不足,列车对桥梁的作用力随着车速的提高而增大,桥的横向振幅较大;当列车对桥梁的激励频率与桥梁的横向有载自振频率(即车 桥系统自振频率)接近时,桥梁的横向振幅迅速增大,出现“准共振”现象,因此,桥梁的横向振动的抑振、减振应从这两点出发324.传统的结构振动控制技术采用加强结构联系,加大构件断面,以提高结构刚度,减小结构振幅,控制结构振动.但这会增加结构的质量,很大程度上抵消了由于刚度的增加而带来的提高自振频率的趋势.目前更多的是考虑车 桥相互作用的动力效应,通过调整或改变结构体系动力参数的途径,来达到衰减结构振动反应,降低结构振幅的目的.减振技术上包括隔振、消能减振、各种被动控制、主动控制、混合控制等方法,实际应用中比较多的是被动控制方法,如质量阻尼器TMD,液体阻尼器TLD,调液柱型阻尼器TLCD等.其原理是当TMD的结构参数满足动力调协条件时,即当TMD的固有频率等于激振频率时,主结构系统的振动消失,TMD与主结构间的作用力等于激振力,二者方向相反,彼此平衡,从而抑制了主结收稿日期:20060406第1期 张 伟,等:桥梁减振技术的发展与应用构的振动,通过在TMD中加入适当的阻尼和采用多点TMD即MTMD来增加TMD使用的频域.近20年来,它被越来越多地应用于大跨度桥梁结构的减振问题中.如:沪宁线#121桥L=44m半穿式桁梁桥和沪宁线#51A桥L=64m下承式桁梁桥减振中,通过分析选定最优的阻尼减振方案,在桥上布置18个TMD阻尼器,使列车过桥时桥梁下弦跨中横向振动幅值最大的地方处于有效的减振区域,同时在顺桥向也布置了若干阻尼器,调节这些阻尼器的固有频率,使桥梁的有载频率处于多点阻尼器(MTMD)频率的中心频率附近,这样就增大了阻尼器的减振频域,取得的减振效果较好.当货车以80km/h速度过桥时,桥梁横向位移从71223mm下降到31896mm,降低了46%;客车以180km/h速度过桥时,桥梁横向振动幅值的最大值从31566mm下降到11896mm,降低了48%,效果明显.当然,也不乏一些采用传统的调整结构形式进行减振的实例,如:滦河大桥上承式钢板梁采取了增设上下平联及横联方案加固后,跨中横向振幅明显减小,货物列车通过时,振幅的最大值、平均值和标准差分别降低了40%、3614%、36%;旅客列车通过时,振幅的最大值、平均值和标准差分别降低了2515%、2412%、5117%.对于预应力混凝土梁桥,有的采用体外预应力加固,增设预应力钢筋布置在混凝土截面外,提高结构的承载能力和整体刚度,减小振动,这种技术在京浦线南运河6#桥的加固中,取得了良好的效果;还有的采用加强梁的整体横向联系减小振动,在梁的横隔板处施加横向预应力加固横隔板,如:津浦线明光桥3117m预应力混凝土梁加固前横向振幅最大为2176mm,加固后为1110mm,减振效果明显.1.2 城市高架桥梁城市高架轨道交通在给我们带来了快捷灵活的交通方式的同时,也带来了噪音与振动污染的问题.对高架轨道交通引起的环境振动传播和衰减规律进行研究并寻找出减振的方法,将振动与噪声控制在最低限度内,是高架轨道交通在城市可行与否的关键问题之一.高架桥梁产生振动的振动源跟铁路桥梁振动的振动源一样,对于铁路桥梁的研究成果则比较成熟,夏禾、陈英俊等国内学者都做了很多的工作;Inglis,Biggs、松浦章夫等国外学者的研究则更早.为减小高架轨道列车过桥产生的振动,研究人员采用了许多办法,如:减小轨道不平顺,使用橡胶弹性支座,桥梁上安装TMD、MTMD等减振装置,设置防振沟等.同济大学在对上海轨道交通明珠线的高架桥梁研究中,考虑桥梁下橡胶支座及支架下部结构和地基基础等弹性变形的影响,研究了弹性支承车 桥体系的动力振动分析.实例计算的结果显示,在桥梁实际弹性支座计算条件下,考虑支座弹性后桥梁和车体的振动变化不十分明显.当把顶部橡胶支座的刚度降低时,车桥系统的振动反应减小,但在列车激发的振动频率接近系统固有频率时,可能引起车桥共振,所以在选择桥梁橡胶支座刚度系数时必须考虑车桥系统固有频率的变化,避免发生共振526.同时,研究表明,增大橡胶支座的阻尼比可以使车桥系统的阻尼比相应增大,能有效抑制车桥振动反应的加大,也是一种不错的抑振方法7.同时也对在轨道明珠线上安装的TMD减振装置进行了研究分析,结果表明,在桥梁上安装TMD后,桥梁跨中和车体振动的最大加速度都有所减小,桥梁跨中静位移有所增加,但动位移减小了.相比较而言,车体的最大加速度减少得很小,这主要是因为,TMD是作用在桥梁上的,同车体之间并无直接的相互作用力,所以对车体振动的影响很小.TMD系统的动力参数选择对于减振效果有很大影响,TMD的质量比越大,TMD的惯性力就越大,获得的振动控制效果就越好,但是同时也会使桥梁的静挠度增大,考虑TMD的动力参数进行减振时需要加以注意.由轨道交通系统的振动引起的噪声污染,有关研究人员也进行一些其他的减振措施.对于由基础结构振动产生的噪声,采用的解决方法大多数是改变基础结构的型式,从而改变轨道道床的动柔度,如:浮置板轨道结构和钢轨垫片,在轨道基础间插入一固有频率远低于激振频率的线性谐振器,借以减小传入基础的振动.华盛顿地铁、亚特兰大地铁、多伦多地铁都采用这种浮置板系统,隔振效果明显,我国的广州地铁1、2号线,上海的明珠线也都采用此种减振措施.采用轨道钢轨垫片也能有效降低钢轨与高架桥梁碰撞引起的振动.另有的城市桥梁则是在轨道两旁设置隔声屏障,也能适当地减小振动带来的噪声对附近居民的生活干扰.1.3 斜拉桥现代斜拉桥的跨度越来越大,这一发展趋势也对拉索的要求越来越高.对于斜拉桥的减振,这里主要考虑拉索的振动.由于斜拉索质量小、柔性大、阻尼小,在风和拉索锚固端运动的作用下,会发生强烈的横13青 岛 理 工 大 学 学 报第28卷向振动.随着斜拉桥跨度的增大,拉索的风雨激振、轴向流激振已经成为世界桥梁抗风研究领域的重点研究课题.拉索的风致振动,据目前研究,可分为以下几类:卡曼涡激共振、尾流驰振、结冰索的驰振、风雨激振、轴向流激振8.斜拉索振动引起索端接头部分疲劳,在索锚接合处产生疲劳裂纹,破坏索的防腐蚀系统,严重的还会造成索失效,索的振动还会引起行人的不舒适,对桥的安全性产生怀疑.当前对斜拉索的振动控制以空气动力学减振和机械减振为主要措施.空气动力学减振措施主要通过改变拉索的剖面形状来改善拉索与雨水线组合外形的空气动力学性能.在目前尚无分析方法的情况下,主要通过风洞试验来提出和验证这种减振措施的具体方案;机械减振措施通过在拉索上附加阻尼器或辅助索等机械(结构)装置,增加拉索的等效阻尼或形成有干扰效应的索网,提高索网的频率,达到抑制振动的目的.斜拉索的空气动力学减振措施,主要有以下几种:采用多边形截面的拉索以防止形成水线而引起拉索不稳定振动.目前此种方案仍在研究未投入使用.在拉索表面沿轴向开设凹槽,拉索不会因雨水积聚改变拉索截面外形而形成雨水线.在索表面打凹孔,即进行表面处理,可破坏雨水线和轴向流的形成,抑制轴向流激振、风雨激振.在拉索表面沿轴向螺旋缠绕带状物或间隔缠绕带状物.这是一种传统的建筑物抗风振的减振措施.这种减振措施主要用于减缓涡致振动,破坏或减小脱落旋涡的相关性,减弱拉索风雨激振和轴向流激振9.还有一些诸如在拉索上间隔套上厚椭圆环、在索模型表面每隔30o粘一根细杆等破坏雨水线形成的减振措施.空气动力学减振措施应用、维修保养简便,不需附加其它设备,效果明显、费用较低,是拉索减振措施的重点发展方向之一.在空气动力减振控制中,日本已经在Higashi2Kobe斜拉桥拉索上采用带凹槽的拉索,取得较好的风雨激振减振效果,但实用中也发现在37m/s的高风速下(对应基频01499Hz折算风速为4618m/s),直径为0116m的拉索的振动幅值突然增大到0125m.斜拉索的机械减振控制措施,主要有以下几种:辅助索或称二次索方法.其作用是减小索的有效长度,提高索的固有频率,另外使各索之间产生耦合、牵制作用.这种方法的结构较复杂,辅助索和主索之间联接扣受力大,容易疲劳损坏10.索锚处加装橡胶阻尼器或者是粘性剪切型阻尼器.这是目前国内最常用的方法.对于橡胶阻尼器,由于它所能提供的模态阻尼不大,另外对于振幅较大的拉索振动,附加于拉索上的结构阻尼最大值比起粘性剪切型阻尼器、油阻尼器要来得小,因此这种方法只能起有限的减振作用.粘性阻尼器可以解决两个方向的振动,还可以很容易的调整粘性阻尼系数,具有很好的减振效果:在武汉军山桥的减振试验中,对部分拉索进行环境激励,在目标拉索安装粘性剪切型阻尼器,安装前后测得的拉索振动加速度分别为01296m/s2和010523m/s2,减振效果达82%,安装阻尼器后拉索的振动得到明显的抑制;在武汉白沙洲大桥的拉索减振试验中,测得附加阻尼器后的拉索对数阻尼率均超过了0103,这对一般的涡激振动和风雨激振均能取得有效的减振效果11.在索的根部和桥面之间加装油阻尼器.油阻尼器的阻尼力是油通过小孔产生的,阻尼系数几乎与温度无关,这种方法已有很多大桥采用,有较好的效果.主动控制方法及半主动控制法.国外学者Natori和Fujino等研究人员通过理论分析和试验研究显示用模态控制法控制拉索的刚度可有效控制其振动.在索端加上激振器,随时间改变索张紧程度,主动控制索张力,从而改变拉索的固有频率、振型以及横向阻尼,能达到很好的减振效果,但存在设备昂贵、复杂以及可靠性等问题.在我国,中南大学研究人员在洞庭湖大桥拉索安装了磁流变阻尼器,进行半主动控制拉索减振试验,结果显示,安装阻尼器后,拉索系统的模态阻尼比大大提高,具有很好的可变阻尼特性,拉索系统的模态频率也大大提高,这也就降低了低频率下拉索发生风雨激振的可能性,有效地进行了减振.通过对拉索长时间的观察发现,在其他拉索均发生大幅振动的情况下,安装了磁流变阻尼器的拉索却稳定如常,振动的加速度响应仅为相邻拉索的1/201/30,这充分证明了磁流变阻尼器是拉索振动控制的有效手段9.目前,洞庭湖大桥已经开始全桥安装磁流变阻尼器,它是世界上首座应用该阻尼器进行拉索振动控制的斜拉桥,这对推动智能阻尼技术应用和开展科学研究都具有重要意义.机械减振措施与空气动力学减振措施相比已有较多的理论研究基础,结合拉索风致振动的风洞试验,可以对减振措施做初步的理论分析,在许多大桥上已有实际应用,目前需要通过进一步理论和试验研究,提高减振措施针对各种拉索振动的通用性.23第1期 张 伟,等:桥梁减振技术的发展与应用2 桥梁振动的新问题在伦敦千禧桥发生人致大幅度侧向振动后,人桥侧向同步振动问题受到了重视,工程界也已认识到在设计人行桥时应该对该类问题进行相应的考虑,但到目前为止,国际上还没有哪一个国家的规范对此有相应的规定.其中的一个原因是由于这种侧向振动不同于一般的共振问题,具有其自身的复杂性.目前国内一些特殊的有新意的人行桥的设计大多数委托科研部门进行专门的立项研究12.国外有关学者采用频率调整法和振动响应分析法对伦敦千禧桥和日本的户田公园大桥人致桥梁侧向振动进行过研究.在研究报告中也提出了相应的桥梁设计准则以进行减振.但是这两种研究方法也有其局限性,频率调整法由于边界条件难以模拟、受力的辅助结构的简化考虑、材料性质的不精确都不能使频率的计算值达到想要的精度;动力响应法对桥梁动力载荷和阻尼的模拟尚不够精确,计算的响应值比计算频率具有更大的不确定性,也达不到想要的精度.现实的桥梁设计中,可以综合二者的优点,采用模态分析进行定性判断,如不能满足人行桥侧向振动的频率要求,则采用振动响应分析法来进行定量的求解.国内外目前还没有明确的对人致桥梁侧向振动的设计规范,所以此类振动问题还有待专家学者们做进一步的研究.3 结束语笔者主要陈述了当前既有的国内外铁路桥、城市高架桥、斜拉桥等桥梁的减振技术发展状况,包括传统的和新型的减振方法,和一些成功的桥梁减振实例应用;阐述了当前国内外研究学者对新发现的人行桥梁的人致侧向振动问题.随着桥梁设计水平的不断提高,新型桥梁的出现也将带来更多的桥梁减振问题,这也就相应地给国内外桥梁的研究人员提出了更高的挑战.参 考 文 献1 范立础,徐光辉.桥梁工程:上册M.北京:人民交通出版社,2003:1217.2 项海帆,陈政清.桥梁风工程M.北京:人民交通出版社,2005:127.3 夏禾,张楠.列车提速引起的桥梁振动及减振措施J.工程力学,2003(增刊):962101.4 王淼.既有铁路钢桥的阻尼减振研究D.上海:同济大学桥梁系,2003.5 马超勇.高架轨道交通桥梁结构减振方法的分析研究D.上海:同济大学桥梁系,2004.6 吴新利.城市轨道交通高架桥梁减振降噪措施概述J.科学技术通讯,2003(3):30232.7 郁有升,王燕.海洋平台阻尼隔振减振原理及振动控制效果分析J.青岛建筑工程学院学报,2005,26(1):34236.8 刘慈军.斜拉桥拉索风致振动研究D.上海:同济大学桥梁系,1999.9 王修勇.斜拉桥拉索振动控制新技术研究D.长沙:中南大学桥梁系,2002.10 黄继民.大跨度斜拉桥辅助索减振研究D.上海:同济大学桥梁系,2001.11 石雄伟.斜拉索采用粘性阻尼器的减振效果研究D.西安:长安大学桥梁系,2002.12 闫新非,孙利民,张锋.人致桥梁侧向振动的计算和设计方法研究A/中国公路学会桥梁和结构工程学会.2003年全国桥梁学术会议论文集C.北京:人民交通出版社,2003:7792784.Development and application of bridge decreasing vibration techniqueZHANG Wei,YUE Cheng,SHI Jiu2zhou(Department of Mechanics,Tianjin University,Tianjin 300072)Abstract:The development and application of bridge decreasing vibration technique,which consists ofexisting railway bridge transverse vibration due to the lack of transverse stiffness and the train speed in2creasing,urban bridge railway traffic vehicle2bridge coupled dynamic vibration,long2span bridge rain233青 岛 理 工 大 学 学 报第28卷wind2induced vibration and axial flow vibration,is introduced in this paper.In order to decrease vibrationand reduce noise,a passive control method is adopted and TMD(Tuned Mass Damper)is fixed,type ofbridge foundation is modified in vehicle2bridge coupled dynamic system of railway bridge and urbanbridge.In stay cable vibration control,a mechanical control method is applied and viscous shearingdamper is fixed on the cables.Semi2active decreasing vibration control method adopting new magneto2rheological is also introduced.Obvious effects are gained with these decreasing vibration methods.Simul2taneously,human2induced lateral vibration of pedestrian bridge is given,as a new problem of bridge de2creasing vibration,which is researched in recent years.Key words:bridge decreasing vibration,transverse vibration,vehicle2bridge coupled vibration,rain2wind2induced vibration,human2induced lateral vibration作者简介:张 伟(19832),男,2004级硕士研究生,桥梁结构气动力特性方向(上接第16页)参 考 文 献1 刘自明.桥梁工程检测手册M.北京:人民交通出版社,2002.2 崔玉萍,杨党旗.钢 混凝土组合梁桥结构的振动特性测试与计算分析J.公路,2002(9):13216.3RW 克拉夫,J 彭津.结构动力学M.王光远,译.北京:新科技出版社,1981.4M 帕兹.结构动力学M.李裕澈,刘勇生,译.北京:地震出版社,1985.5 魏丽华,岳渠德,姜福香.桥梁结构延性抗震分析J.青岛理工大学学报,2005,26(6):27229.6 沙丽新,阮欣.桥梁结构健康检测与评估方法发展现状综述J.青岛建筑工程学院学报,2003,24(4):19222.Dynamical load test used in bridge test and evaluationWAN G Zi2bin1,YUE Qu2de1,ZHAO Jin2huan2,CHEN Jian2qiang3(1.School of Civil Engineering,Qingdao Technological University,Qingdao 266033;2.Editorial Department of Journal of Qingdao Technological University,Qingdao 266033;3.President Office of Qingdao Technological University,Qingdao 266033)Abstract:The power spectral density function and autocorrelation function of linear MDOF structure un2der the random loading is presented in the paper.Based on the principle,the test purpose,the test itemsare introduced.Combining with the project,the paper illuminates the use of the bridge dynamic load testin the bridge test and evaluation.Key words:bridge test and evaluation,dynamical load test,dynamical characteristics,test methods作者简介:王自彬(19822),男,2003级硕士研究生,桥梁及大型结构物检测加固方向43