襄阳汉江三桥斜拉索振动控制研究

李昊天

摘 要：為了解决襄阳汉江三桥的斜拉索振动问题，采取理论分析和试验研究的方法进行研究。分析斜拉索可能产生的振动类型，对比常见的抑制斜拉索振动措施的优缺点，优选出摆式杠杆质量阻尼器（PLMD）作为阻尼减振方案；通过阻尼器优化理论，对PLMD阻尼器的安装位置、阻尼系数等参数进行优化；通过现场实测，验证阻尼器的实际减振效果。结果表明：安装PLMD阻尼器后，抽样检查的斜拉索的阻尼对数衰减率均达到了4%以上，具有良好的减振效果。

关键词：斜拉索；振动控制；PLMD阻尼器

中图分类号：TB

文献标识码：A

doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2016.33.190

1 引言

斜拉索是斜拉桥的主要受力构件，承担着将主梁荷载传递给桥塔的重要作用，由于斜拉索一般采用平行钢丝斜拉索，其初始阻比的对手衰减率值仅为8‰～9‰，且由于其长细比大，在外界风、风-雨和交通荷载作用下，容易发生大幅振动问题。而斜拉索的振动会导致斜拉索产生疲劳损伤积累，长期积累会形成斜拉索的安全隐患。因此，需要对斜拉索的振动进行有效的控制。

2 项目概况

襄阳汉江三桥主桥为主跨310m的预应力混凝土双塔双索面斜拉桥，其斜拉索按扇形布置，斜拉索采用平行钢丝斜拉索，钢丝采用为抗拉强度1770MPa的7mm高强度、低松弛镀锌钢丝，型号分别为PESC7-199、PESC7-241、PESC7-283、PESC7-313等型号，最长拉索为173m，斜拉索共计26×2×4=208根，斜拉索在主梁端锚固采用钢锚箱形式，锚点位于桥面以下，最大索力为7190kN。

一般斜拉桥在施工和运营阶段斜拉索可能发生的振动类型有：风致涡激振动、风雨振、参数振动，其振动特征及抑振措施分析如下：

（1）风致涡激振动是一种限幅振动，由来流风通过斜拉索断面产生的周期性漩涡脱落引起，当漩涡脱落频率接近斜拉索的某阶振动频率时，就会发生振动。在实际的斜拉索工程中，发生涡激振动的阶次在不同时间是不同的，甚至在同一时间不同高度时也会不同，因此其受控模态为多模态。

为了控制斜拉索的涡激振动，其模态阻尼比的对数衰减率δ需要大于1.5%。

（2）风雨振是在风-雨联合激励下产生的一种大幅振动类型，主要是因为雨水在拉索下缘形成了下雨线，改变了拉索的截面特征，从而在风的作用下产生的一种振动形式。风雨振的振幅很大，危害极为严重。

控制风雨振的控制措施一般体现在两方面：①采用空气动力学措施，比如在拉索表面设置凹坑、双螺旋线等措施，阻止雨线的形成，一定程度上避免拉索风雨振的产生；②提高斜拉索的模态阻尼对数衰减率δ，当δ大于3%时，可以避免风雨振的产生。

（3）参数振动是由于斜拉桥主梁振动形成的斜拉索端部位移激励引起的，当主梁的振动频率为拉索振动频率的2倍时，就会发生参数振动。由于本桥为预应力混凝土主梁，主梁的振幅相对较小，发生参数振动的概率较小。

综上所述，襄阳汉江三桥斜拉索可能的振动形式为涡激振动和风雨振，为了抑制上述振动，斜拉索自身设置双螺旋线构造，一定程度上减小风雨振发生的概率，同时设置斜拉索阻尼器，使斜拉索的附加阻尼比的对数衰减率δ大于3%。

3 襄阳汉江三桥斜拉索阻尼器设计

通过对长江斜拉索阻尼器的比选，本桥选用了摆式杠杆质量阻尼器PLMD，该阻尼器通过杠杆放大作用，将斜拉索的振动位移放大后传递至阻尼耗能装置处，可以有效提高阻尼器的减振效果，是该阻尼器的最大优点。另外该阻尼器的构造紧凑，可以适应不同倾角的拉索需要，安装方便。阻尼器的现场照片如图1所示。

襄樊汉江三桥斜拉索阻尼器的设计目标为：（1）对襄樊汉江三桥中跨13～26#斜拉索、边跨14～26#斜拉索安装PLMD阻尼器；（2）安装PLMD阻尼器后斜拉索前15阶模态阻尼对数衰减率大于3%。

为了达到上述目标，需要对PLMD阻尼器的安装位置比、等效阻尼系数进行优化，并通过文献的方法，对安装PLMD阻尼器后斜拉索的阻尼对数衰减率进行验证。

优化后的各斜拉索的安装高度为1.5m，安装位置比在4%～5.2%之间，以部分斜拉索为例，其安装位置比如图2所示。

各斜拉索的最优阻尼系数在25545N·s/m～51384N·s/m之间，以部分斜拉索为例，其最优阻尼系数如图3所示。

从图2和图3可以看出，在相同安装位置下，随着索号的增加，拉索的安装位置比逐渐减小，最优阻尼系数逐渐变大。

按照上述的理论优化结果，为襄樊汉江三桥设计斜拉索阻尼器。

4 斜拉索阻尼器实际减振效果测试

所有的斜拉索阻尼器在桥梁二期恒载铺设完毕后进行了安装，安装完毕后，对安装PLMD阻尼器的斜拉索的阻尼对数衰减率进行了抽样检查，部分拉索检测结果如图4所示。

从图4可以看出，安装阻尼器之前，斜拉索的阻尼比对数衰减率在1.3%以下，不满足减振要求；安装PLMD阻尼器后，经抽样的斜拉索的阻尼对数衰减率在4%以上，满足阻尼器的设计要求。

5 结语

（1）襄阳汉江三桥可能发生的振动形式为风致涡激振动和风雨振，抑制该振动形式所需要的阻尼比对数衰减率需要达到3%；

（2）采用PLMD阻尼器进行斜拉索的振动，阻尼器的安装高度为1.5m，安装位置比为4%～5.2%，最优阻尼系数为25545N·s/m～51384N·s/m。

（3）通过现场抽样检查，被抽样拉索安装阻尼器后，其阻尼比对数衰减率均在4%以上，达到减振效果。

参考文献

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