大跨斜拉桥拉索内外置阻尼器选型实例研究*

曾勇 莫磊 敖付勇 李强 董志龙 肖光烈

1.重庆交通大学山区桥梁及隧道工程国家重点实验室 400074

2.重庆市铁路（集团）有限公司 401120

3.中冶建工集团有限公司 重庆400084

4.中铁十六局集团第四工程有限公司 北京 101400

5.重庆市永川区公路服务中心 400074

引言

斜拉桥是大跨度桥梁最主要的常用桥型之一，由于其外形美观、经济性好，在国内外大跨度桥梁中非常流行。同时，随着跨度的增大，拉索长度变得更长，相应地斜拉桥的整体刚度变得更小，从而使大跨度斜拉桥越来越柔，斜拉索的内阻尼低、固有频率分布广的特点越来越突出，在各种外界因素的激励下易发生振动，有必要选择合适的阻尼器来进行斜拉索的减振控制。黄康等主要研究了大跨混合梁斜拉桥拉索的阻尼器选型［1］。Krzysztof Wilde等通过研究建立了斜拉索风雨振动的简单模型［2］。M.Matsumoto等对斜拉桥缆索的风致振动进行了研究［3］。目前，斜拉索阻尼器的研究都主要集中在减振效果的评估和影响减振性能的因素等方面［4-6］，在斜拉索阻尼器选型方面的研究还相对较少。本文调研并分析了长江上游地区的部分斜拉桥、全球范围主跨超过700m的斜拉桥的拉索阻尼器类型情况，对比研究了拉索阻尼器的内置式与外置式的选用情况，研究结果可以为大跨度斜拉桥拉索阻尼器的选型提供借鉴与参考。

1 长江上游地区斜拉桥拉索阻尼器选用情况

本文调研的区域位于四川的宜宾市和泸州市，以及重庆市和湖北省巴东地区，调研区域基本覆盖了长江上游地区。对比23座长江上游地区斜拉桥的阻尼器选型情况，其结构参数与阻尼器统计结果见表1。

表1 长江上游地区跨长江的斜拉桥结构参数与阻尼器类型Tab.1 Structural parameters and damper types of cable-stayed bridges across the yangtze river in the upper reaches of the yangtze river

从统计结果来看，在所调查的23座斜拉桥中，主梁的截面形式有钢主梁、混凝土梁、叠合梁、混合梁，几乎包含了斜拉桥主梁的主要截面形式，拉索内外置阻尼器选型特点具体分析如下：

主梁截面形式为钢主梁的斜拉桥，斜拉索大都使用内置阻尼器和外置阻尼器的组合形式，由于主梁具有较高的刚度，斜拉索的索力通常较大，采用内置式阻尼器就可以达到良好的减振效果，而长拉索和中长拉索通常采用外置阻尼器。但是东水门长江大桥是一个特例，其全部采用内置阻尼器，东水门长江大桥是一座主跨360m的公轨两用单索面双塔斜拉桥，其斜拉索直径大，索力吨位大，阻尼比大，因此只需设置内置阻尼器就能满足减振的性能要求，而无需采用外置阻尼器。主梁截面形式为混凝土梁的斜拉桥，斜拉索通常使用内置阻尼器，这是因为拉索的锚固点位于主梁内部或底板下方，斜拉索具有较大的索力。主梁截面形式为叠合梁的斜拉桥，斜拉索通常使用内置阻尼器与外置阻尼器相结合的形式，采用外置阻尼器的主要原因是其拉索具有较大的长度而索力较小。主梁截面形式为混合梁的斜拉桥，其跨度往往很大，由于边跨侧的主梁为预应力混凝土主梁，相应地其斜拉索通常也选用内置阻尼器，而中跨侧的主梁一般为钢截面主梁，斜拉索的长度与边跨侧相比要长很多，并且拉索的索力较小，因此使用的是外置阻尼器。

从分析结果可以发现，所有的大跨度斜拉桥在选择拉索内外置阻尼器时，通常需要对桥梁的多方面因素进行综合考虑，主要包括主梁的截面形式、斜拉索的索力情况、斜拉索的长度等方面。具有较大索力和较短长度的斜拉索通常使用内置阻尼器，而较大长度的拉索往往使用外置阻尼器。

2 全球主跨超过700m的斜拉桥的阻尼器选用情况

目前，全球共有15座斜拉桥主跨超过700m。除去法国的诺曼底大桥，其他的斜拉桥均位于东亚地区，且均位于中国及其周边地区，全球主跨超过700m的斜拉桥的拉索阻尼器的选用情况见表2。

表2 全球主跨700m以上斜拉桥的拉索阻尼器选用情况Tab.2 Selection of cable dampers for cable-stayed bridges with main spans above 700m in the world

从主跨大于700m的大跨度斜拉桥的斜拉索阻尼器的统计结果来看，斜拉索阻尼器的类型不尽相同，都具有更好的使用性能和相对多元化的类型选择。所有的大跨度斜拉桥在选择阻尼器形式时，一般都要进行多方面因素的综合考虑，主要包括桥梁自身的结构特性、桥梁的位置特征、桥梁斜拉索的索力情况、桥梁斜拉索气动措施等方面，使得选用的阻尼器的外观和性能达到最佳，从而在实际使用中达到最好的减振效果。

中国香港的昂船洲大桥主跨为1018m，主梁为相对较宽的分离式钢箱梁，有较大的横向刚度，斜拉索采用内置式阻尼器。日本多多罗大桥主跨为890m，由于拉索表面配备了凹坑气动措施，阻尼比较大，所以其斜拉索采用内置式阻尼器。韩国Incheon大桥主跨为800m，其斜拉索全部使用内置式阻尼器。上海长江大桥主跨为730m，是一座公轨两用的斜拉桥，其拉索具有较大的索力，斜拉索采用内置式阻尼器。

全球范围内已经建成的15座主跨700m以上的斜拉桥，有7座斜拉桥的拉索采用了内置式阻尼器，有8座斜拉桥的拉索采用内置+外置式阻尼器的组合形式，这两种阻尼器形式的使用情况几乎相等。从统计结果来看，阻尼器的类型并不完全是由斜拉桥的主跨跨径与斜拉索的长度作为主要决定因素，如香港昂船洲大桥（分离式钢箱梁）、多多罗大桥（钢箱梁）、韩国Incheon大桥、金角湾大桥等均采用内置式阻尼器。内置式阻尼器成为国外的大跨斜拉桥的主流选择，而内置+外置式阻尼器的组合形式则是国内的大跨斜拉桥的主要选择。

3 内置式阻尼器的锚筒与长度的实例分析

对于采用内置式阻尼器的斜拉索，拉索锚头的长度与阻尼器的减振效果直接相关，其外形美观也会受到影响。在本节中分析6座国内外采用内置式阻尼器的斜拉桥的跨中区拉索的锚筒直径与内置式阻尼器的安装高度，其主跨跨度均在700m以上。

昂船洲大桥离海平面高度仅73.5m，以钢箱梁结构作为该桥的主梁，采用锚箱式的拉索锚固结构，箱梁内部为锚固区域，该桥没有设置人行道。从图1可以看出，该桥的锚筒直径比拉索直径大得多，约为拉索直径的4～5倍，并且桥面防撞护栏的高度比内置式阻尼器的安装高度略高。从外观上看，该内置式阻尼器具有良好的美观效果，其颜色与防撞护栏和大海的颜色相互协调，保证了整体的统一性，具有良好的美学参考价值。

图1 昂船洲大桥的跨中最长索内置阻尼器锚头Fig.1 The anchor head with built-in dampers for the longest mid-span cable of Stonecutters Bridge

日本多多罗大桥主跨为890m，位于本州到四国岛的联络桥西线上，主塔高220m，钢箱主梁上采用锚箱式的拉索锚固结构，箱梁内部为锚固区域，该桥的桥面设置了检修道，拉索的位置处于检修道内侧的预留区域。从图2可以看出，该桥防撞护栏的高度高于内置式阻尼器的安装高度，安装高度基本位于桥面处，该桥锚筒的直径大约是拉索直径的3～4倍。

图2 日本多多罗大桥的跨中最长索内置阻尼器锚头Fig.2 Anchor head with built-in damper for the longest mid-span cable of Tatara Bridge in Japan

韩国的仁川大桥（Incheon bridge）通航净空为74m，主跨为800m，大桥主塔高238m，其形状为经典的倒Y字型。以钢箱梁结构作为该桥的主梁，采用锚箱式的拉索锚固结构，箱梁内部为锚固区域。从图3可以看出，该桥防撞护栏的高度与内置式阻尼器的安装高度基本一致，该安装高度较矮，该桥锚筒直径是拉索直径的4～5倍。

图3 韩国Incheon Bridge的跨中最长索内置阻尼器锚头Fig.3 The anchor head with built-in damper for the longest mid-span cable of Incheon Bridge，South Korea

海参崴金角湾大桥主跨为734m，桥面宽度为28.5m，主塔高度为226.25m，位于俄罗斯海参崴市的中心，略长于主跨跨径为730m的万州长江三桥。该桥桥面设置了人行道，斜拉索采用锚拉板式结构的锚固形式，并且拉索的位置处于人行道内侧的预留区域。该桥防撞护栏的高度远低于内置式阻尼器的安装高度，安装高度约为人身高的2倍，约为3.6m。该桥的锚筒上下两端的直径不同，其中下端约为上端直径的2倍，并且大约是拉索直径的3倍。该桥的锚筒下端较粗，从下端到上端是具有一定特征的渐变式结构，看起来非常漂亮。从图4可以看出，该桥防撞护栏的高度略高于锚筒下端的高度，锚筒下端的高度大约为1.8m，人行道与其他桥的桥面布置不同，其标高低于车行道的标高。该桥跨中最长拉索的内置阻尼器锚头外形有点像某种准备发射的导弹的形状，这可能与俄罗斯的民族文化有关。

图4 海参崴金角湾大桥的跨中最长索内置阻尼器锚头Fig.4 Anchor head with built-in damper for the longest mid-span cable of the Golden Horn Bridge in Vladivostok

上海长江大桥主跨为730m，该桥桥面没有设置人行道。以钢箱梁结构作为该桥的主梁，采用锚箱式的拉索锚固结构，箱梁内部为锚固区域。从图5可以看出，该桥防撞护栏的高度略高于内置式阻尼器的安装高度，该桥锚筒的直径大约是拉索直径的3倍。

图5 上海长江大桥的跨中最长索内置阻尼器锚头Fig.5 The anchor head of the longest cable with built-in damper in the middle of the Shanghai Yangtze River Bridge

上海闵浦大桥主跨为708m，主塔高210m，东西岸分别位于闵行区浦江镇沈杜公路和闵行区吴泾镇放鹤路。闵浦大桥一跨过江，其跨径为世界上双层公路斜拉桥之最。该桥以钢桁架结构作为主梁，采用锚拉板式的拉索锚固结构，锚固区域位于桥面处，该桥桥面设有人行道。从图6可以看出，该桥在跨中段拉索的内置式阻尼器，其安装高度不高，并且与桥面的行车道护栏高度大致相同，其护筒长度约为1.0m，该桥锚筒的直径约是拉索直径的2～3倍。

4 结论

1.从对长江上游地区斜拉桥的阻尼器选型统计结果可以看出，内置阻尼器通常被使用于混凝土斜拉桥的拉索，即使是大跨度混凝土斜拉桥也常常使用，主要原因是其斜拉索具有较大的索力，斜拉桥的边跨侧拉索通常也使用内置阻尼器，这是因为边跨侧斜拉索长度较短。分析表明，具有较大索力和较短长度的斜拉索通常使用内置阻尼器，而较大长度的拉索往往使用外置阻尼器。

2.对全球主跨超过700m斜拉桥的拉索内外置阻尼器选型分析表明，所有的大跨度斜拉桥在选择阻尼器形式时，通常要同时考虑桥梁自身的结构特性、位置特征、斜拉索的索力情况以及气动措施等因素，内置式阻尼器成为国外的大跨斜拉桥的主流选择，而内置+外置式阻尼器的组合形式则是国内的大跨斜拉桥的主要选择。

3.大跨度斜拉索阻尼器的选型在借鉴国内外同类型桥梁的同时，有必要考虑自身的结构特点和地域位置来做出选择，以满足拉索减振的要求，还应考虑景观、维护、耐久性等功能，并满足某些创新性要求。从某种角度来说，大跨度斜拉桥拉索阻尼器的选型研究不仅具有重要的工程实用价值，而且具有重要的国际参考意义。