斜拉索风雨振现场观测与振动控制_陈政清.pdf

第 22 卷?第 4 期2005 年 12 月建筑科学与工程学报Journal of Architecture and Civil EngineeringVol.22?No.4Dec.2005文章编号:1673-2049(2005)04-0005-06收稿日期:2005-09-20基金项目:国家自然科学基金项目(50178013)作者简介:陈政清(1947-),男,湖南湘潭人,湖南大学教授,博士生导师,工学博士.E-mail:zqchen 斜拉索风雨振现场观测与振动控制陈 政 清(湖南大学 风工程试验研究中心,湖南 长沙?410082)摘?要:介绍了斜拉索风雨振现场观测与振动控制研究的情况。在湖南岳阳洞庭湖大桥上建立了风雨振观测系统,并连续 4 年进行了长时间现场观测,在风速、风向、雨量等参数对风雨振的影响规律与拉索风雨振振动形态方面有了新的发现。提出了一种多模态振动控制的参数优化方法。进行了拉索?磁流变阻尼器系统的减振性能仿真研究与现场试验研究,全面评估了磁流变阻尼器的实际减振性能。开发了一套磁流变式拉索减振系统,并于 2002 年在该大桥全桥实施,3 年来显示了良好的减振效果。同时针对城市桥梁磁流变减振系统的低压供电线路最易受到人为破坏的问题,设计开发了一种永磁可调式磁流变阻尼器(PMAA-MR),并将其成功应用于湖南长沙洪山庙大桥的拉索减振。关键词:斜拉索;风雨振;现场观测;磁流变阻尼器;振动控制中图分类号:U441.3?文献标志码:AOn-site observation of wind-rain induced vibration ofstay cables and its controlCHEN Zheng-qing(Wind Engineering Experiment Research Center,Hunan University,Changsha 410082,China)Abstract:On-site observation of wind-rain induced vibration of stay cables and its control werestudied.A monitoring system for wind-rain induced vibration was built on the Dongting LakeBridge and has worked for four years.Some new discoveries were obtained in the influence ofwind speed,wind direction and rainfall on wind-rain induced vibration and in the vibration shapeof stay cables.A method for parameter optimization based on multimode vibration control waspresented.T o investigate the performance of MR dampers on mitigating cables vibration,both ofnumerical simulations and field tests were conducted.A new technique of mitigating cablesvibration using MR dampers was exploited and applied on the Dongting Lake Bridge in 2002.Theobservations of the past three years show that the effectiveness of the mitigating vibration is quitewell.T o avoid the destruction on purpose of the power supply system to MR dampers,a PMAA-MR damper was developed and successfully fitted on the Hongshanmiao Bridge in Changsha.Key words:stay cable;wind-rain induced vibration;on-site observation;MR damper;vibrationcontrol0引?言随着大跨度斜拉桥的兴建,拉索的大幅振动及其振动控制已成为亟待解决的关键问题。特别是斜拉索在风雨共现气候条件下发生的所谓风雨振现象,常常引发拉索的大幅振动,有时还会激起桥面的振动,对桥梁安全构成严重威胁 1 3。自 1984 年日本学者 H IKAMI 首先观察到拉索的风雨振现象并提出风雨振概念以来,拉索风雨振机理及其振动控制引起了各国学者越来越多的关注。关于拉索风雨振发生的条件及机理,各国学者已做了大量的风洞试验 4,同时还进行了为数不多的现场观测,目前已基本弄清了风雨振发生的条件。对于风雨振机理的研究,由于风雨振现象涉及因素多,情况异常复杂,虽然目前已取得了一定进展,但还远没有达到完善的程度。通过对实际斜拉桥进行风雨振观测,可以积累丰富的实测数据,有利于拉索风雨振机理的研究。安装阻尼器是抑制拉索振动的一种有效方法 5。磁流变阻尼器(MR Damper)是一种新型的智能阻尼器,具有良好的减振效果 6 8。应用磁流变阻尼器进行斜拉索振动控制,能克服被动阻尼器的缺点,并且可以通过调节输入电压来调整每根拉索的阻尼力以使其达到最佳状态,从而取得更好的控制效果。为此,笔者开展了连续 4 年的拉索风雨振现场观测与磁流变阻尼器拉索减振技术研究,并且获得了一些重要成果。本文是对这些研究成果的一个全面总结。1拉索风雨振现场观测岳阳洞庭湖大桥是一座预应力混凝土 3 塔斜拉桥,由于地处洞庭湖口,建成后发生了多次拉索风雨振现象。为了发现和揭示拉索风雨振的规律、机理,笔者在该桥上建立了拉索风雨振现场观测系统。该系统包括安装在桥塔顶部及桥面的 3 向超声风速仪、雨量计,在拉索和桥塔布置的加速度传感器等。从 2000 年 1 月至 2004 年 4 月,每年笔者都进行了长期连续的现场观测,获得了重要的现场实测资料,在拉索风雨振形成条件、振动形态方面有了一系列新的发现 9 20。1.1拉索振动形态图 1 3 分别给出了洞庭湖大桥某根拉索的第一 第三阶模态振动时的加速度及位移运动轨迹。从图 1 3 中可以看出:在拉索中部一个相当大的范围内每个拉索截面都有几乎相等的振幅,证明了拉索风雨振振动形态的驰振特征;拉索稳定的大幅振动总是由某一阶模态控制,其振动频率在 3 H z 以下,分析表明在拉索的起振阶段和振动停息阶段,常伴有主模态转移现象;拉索振动时,面内、外振动同时发生,但面内振动总是大于面外振动,因此在与拉索垂直的平面上,拉索的振动轨迹像一个斜置的椭圆,最大振幅可大于拉索直径的 3 倍。图 1拉索一阶模态振动时加速度及位移运动轨迹Fig.1Vibration track of acceleration and displacementof the first mode shape of cables1.2风雨振与气候参数的关系图 4 给出了该桥拉索振动与气候参数的关系,从图 4 中可以看出:降雨是拉索发生大幅度风雨激振的必要条件,但是风雨振与降雨强度却无明显的相关性,小到中雨都可能发生风雨振,降雨在拉索上形成的上水线是风雨振的必要条件;风雨振发生的风速为 6 20 m/s,当风速超过 14 m/s 时,就有较强烈的风雨振现象,在 14 20 m/s 范围内,振幅随风速增大而增加;风雨振时风与斜拉索的相对偏航角为 10?50?,说明迎风的拉索不易发生风雨振;该桥址区地形开阔,现场实测的风场紊流度明显低于规范的最低值(表 1),说明了桥址处风场低紊流度特征,这也是拉索容易发生风雨振的原因。1.3风雨振与拉索本身参数的关系以前有文献报道认为拉索与水平面的倾角大于60?以后,拉索不易发生风雨振,但洞庭湖大桥的观测结果表明:即使是非常靠近桥塔的拉索,其倾角已6建筑科学与工程学报?2005 年图 2拉索二阶模态振动时加速度及位移运动轨迹Fig.2Vibration track of acceleration and displacementof the second mode shape of cables图 3拉索三阶模态振动时加速度及位移运动轨迹Fig.3Vibration track of acceleration and displacementof the third mode shape of cables达 70?,也会发生明显的风雨振。1.4空气动力负阻尼比拉索的风雨振是拉索在风雨作用下产生的空气动力负阻尼比引起的,空气动力负阻尼比的大小对认识风雨振机理和研究减振措施是非常重要的。拉索振动的净负模态阻尼比可表示为?net=?mech+?aero(1)式中:?mech、?aero分别为拉索的固有结构阻尼比和空气动力阻尼比。在特别的风雨作用下,?aero可能变为负阻尼比,当负阻尼比超过结构阻尼比时,拉索的振动将越来越大而形成风雨振现象。根据测得的该桥拉索风雨振信号,采用非线性拟合方法,可以求得该图 4拉索振动与气候参数的关系Fig.4Relation of climate parameters and vibration of cables时段内的平均等效模态阻尼比。拟合得到其第一第三阶平均净负模态阻尼比分别为 0.054 8%、0.016%、0.069 1%。1.5主振模态及模态参与特性拉索风雨振时,对于特定拉索并非是以固定的某阶模态频率振动。随外界条件的变化,拉索的振动频率也会转移及变化。为了研究主要振动频率的分布特性,并以位移分量最大的模态为主振模态,笔者将7第 4 期?陈政清:斜拉索风雨振现场观测与振动控制测量得到的某一根拉索风雨振数据进行了统计分析,得到了拉索在风雨振时主振模态的直方图,如图 5 所示。从图5 中可看出:拉索风雨振的主振模态包括第一 第四阶固有模态,并主要分布在第三阶模态。表 1洞庭湖大桥拉索风雨振风场紊流强度Tab.1Turbulence intensity of wind-rain induced vibration of cables on Dongting Lake Bridge时?间位?置/m紊流强度实测值紊流强度标准值(类场地)IuIvIwIuIvIw2003 年 4 月1 2 日2003 年 4 月28 29 日16:51 21:3622:10 02:4816:51 21:3622:10 02:4821:32 03:22桥面(20?z?30)桥塔(100?z?150)桥面(20?z?30)桥塔(100?z?150)桥面(20?z?30)0.091 60.085 50.077 80.065 50.052 80.074 70.093 80.098 80.082 40.074 40.076 70.079 20.111 90.090 90.056 10.130.110.070.100.090.050.130.110.070.100.090.050.130.110.07?为了评估风雨振时单个模态的参与程度,定义模态参与指数(Modal Contribution Index)为IMC=An?iA2i(2)式中:IMC为模态参与指数;An为第n 阶主振模态的位移幅值;Ai为第i 个参与模态的幅值。图 6 为拉索风雨振时 IM C的直方图,从图 6 中可知:少部分响应表现为单模态振动,而大部分响应则表现为多模态参与的振动。图 5主振型模态分布Fig.5Distribution of main mode shape图 6IMC分布Fig.6Distribution of IMC2磁流变阻尼器拉索振动控制 9 202.1力学模型通过试验,研究了磁流变阻尼器阻尼力与振幅、频率、输入电压等参数的关系,建立了反映磁流变阻尼器强非线性的双线性力学模型;改进了 BOUC-WEN 磁流变阻尼器非线性模型,并对多种参数模型进行了程序设计。图 7为磁流变阻尼器力学模型试验。图 7磁流变阻尼器力学模型试验Fig.7Test of mechanical model of MR dampers2.2被动控制理论通过仿真研究,得到了磁流变阻尼器电压、拉索振幅、振动频率、安装高度等参数与拉索模态阻尼比的关系,提出了应用磁流变阻尼器进行拉索振动控制时优化电压的数学模型。采用磁流变阻尼器非线性双粘性模型,推导了磁流变阻尼器等效粘性阻尼系数的计算公式,提出了磁流变阻尼器拉索减振设计的工程实用方法。并且基于最优控制理论,提出了多模态控制的拉索减振设计方法。2.3被动控制试验采用自行研制的拉索激振设备,针对洞庭湖大桥多根拉索,采用不同安装高度、不同设计形式的磁流变式减振系统进行了多次试验,评估了各种参数条件下磁流变阻尼器的减振效果。图 8 为磁流变阻尼器拉索减振现场。图 9为拉索模态阻尼比与磁流变阻尼器输入电压的关系。图 10 为拉索风雨振时有阻尼器与无阻尼器拉索的振动对比。试验研究结果表明:安装磁流变阻尼器后拉索模态阻尼比提高8建筑科学与工程学报?2005 年了 3 6 倍,风雨振发生时的测试结果证明了磁流变阻尼器具有良好的减振效果。图 8磁流变阻尼器拉索减振现场试验Fig.8On-site test of mitigating vibration of cables usingMR dampers图 9拉索模态阻尼比与磁流变阻尼器输入电压的关系Fig.9Relation of damper ratio of mode shape of cablesand input voltage of MR dampers图 10拉索风雨振时的振动对比Fig.10Vibration comparison of wind-rain inducedvibration of stay cables2.4半主动控制针对拉索?磁流变阻尼器系统,提出了基于结构加速度响应识别的拉索?磁流变阻尼器系统模型、进行闭环控制的神经网络算法以及状态微分反馈算法,并应用实时控制系统进行了系列现场试验。2.5磁流变式拉索减振系统在对拉索?磁流变阻尼器系统进行大量研究的基础上,开发了磁流变式拉索减振系统,如图 11 所示,并对该减振系统各部件进行了精心设计,保证了系统的有效性和耐久性。图 11洞庭湖大桥拉索减振系统Fig.11System of mitigating vibration of cables onDongting Lake Bridge2.6永磁可调式磁流变阻尼器针对该桥拉索减振的实际工程情况,自主研制了永磁可调式磁流变阻尼器,该阻尼器能调节阻尼力大小,不需电源,进一步提高了磁流变式拉索减振系统的可靠性和工程适用性。研究成果已向国家申请了发明专利和实用新型专利,并应用于长沙洪山庙大桥、浏阳河大桥,图 12 为洪山庙大桥。图 12洪山庙大桥拉索减振系统Fig.12System of mitigating vibration of cableson Hongshanmiao Bridge3结语在湖南岳阳洞庭湖大桥上建立了风雨振观测系统,并进行了连续、长期的现场观测,获得了风速、风向、雨量等参数对风雨振的影响规律,在拉索风雨振9第 4 期?陈政清:斜拉索风雨振现场观测与振动控制振动特征和机理研究方面取得了一些重要成果。(1)对磁流变阻尼器拉索减振效果进行了深入、系统的研究,提出了磁流变式拉索减振系统的实用工程设计方法。(2)开发的磁流变式拉索减振系统成功应用于岳阳洞庭湖大桥,解决了该桥严重的拉索风雨振问题。2003 年 1 月该系统被 Civil Engineering Maga-zine 评价为世界上第一套将磁流变阻尼器应用于桥梁结构的智能控制系统;2005 年 4 月 20 日中国中央电视台十套 科技之光 (前沿版)栏目对岳阳洞庭湖大桥磁流变式拉索减振系统作了专题报道。(3)发明的永磁可调式磁流变阻尼器,已分别应用于长沙洪山庙大桥、浏阳河大桥的拉索减振,取得了很好的效果。参考文献:1?HIKAMI Y,SHIRAISHI N.Rain-wind induced vibra-tions of cables in cable-stayed bridges J.Journal ofWind Engineering and Industrial Aerodynamics,1992,43(3):2 011?2 022.2?SWAN R.Vibrations damped J.Bridge Design andEngineering,1997,41(9):44?45.3?TAKENA K,MIKI C,SHIMOKAWA H.Fatigue re-sistanceoflarge-diametercableforcable-stayedbridges J.Journal of Structural Engineering,1992,118(3):701?715.4?VERWIEBE C.Exciting mechanisms of rain-wind-in-duced vibration J.Structural Engineering Interna-tional,1998,53(8):129?135.5?PACHECO B M,FU JINO Y,SULEKH A.Estima-tion curve for modal damping in stay cables with vis-cous damper J.Journal of Structural Engineering,1993,119(6):1 961?1 979.6?DYKE S J,SPENCER J B F,SAIN M K,CARLSONJ D.On the efficacy of magnetorheological damper forseismic response reduction A.1997 ASME DesignEngineering T echnical 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