防振锤抑制拉索振动的实桥试验研究

孙利民, 李长钊, 狄方殿, 覃 磊, 朱永权, 陈 林

(1.同济大学 土木工程学院,上海 200092; 2.同济大学 土木工程防灾国家重点实验室,上海 200092; 3.柳州OVM机械股份有限公司,广西 柳州 545006)

0 引 言

拉索作为传力构件在桥梁工程中有较多的应用,如斜拉桥斜拉索、悬索桥和下承式拱桥吊索等,然而,由于拉索的横向刚度小且自身阻尼低,其极易受到外部激励而产生振动问题[1-4]。拉索的长期振动将降低索的寿命并可能危及全桥的安全,同时拉索大幅振动会给过桥者及公众带来不适和恐慌。目前，已有多种减振措施在工程中应用[5],如改变拉索表面形状、在拉索近锚固点处安装机械阻尼器[6-7]及采用辅助索连接相邻拉索[8-9]等。其中改变拉索表面形状的空气动力学措施往往和其他措施配合使用，辅助索措施由于会造成桥梁美观的破坏而较少使用,而在索端安装阻尼器的方法可以有效控制多种类型的拉索振动,工程中得到了广泛的应用[10-11]。

拉索减振阻尼器种类较多,包括黏滞阻尼器、黏性剪切阻尼器、摩擦型阻尼器、磁流变阻尼器和高阻尼橡胶阻尼器等多种。阻尼器通常安装在拉索与桥面锚固点附近,阻尼器一端连接在拉索上,另一端通常通过支架与桥面板连接。对于倾角较大的拉索,如拱桥吊索,阻尼器及其支架的安装较为困难,也会影响桥梁美观；对于较长拉索,为了满足减振的需要,阻尼器往往需要较大安装高度;同时,为降低阻尼器支架柔度对阻尼器减振效果的不利影响,阻尼器支架往往需要较大的截面积。因此,阻尼器需要安装支架的问题也成为该类减振措施的一大弊端。

防振锤作为一种减振耗能装置最先用于高压输电线的减振中,它主要由锤头、钢绞线和线夹等3个部分组成,通过索夹与输电线连接[12]。后来,这种装置也被用于摩天轮轮辐式缆索、体育场支承索及桥梁缆索等各种结构。在桥梁工程领域,防振锤被用于斜拉桥拉索、悬索桥吊杆等索类构件的振动控制,并在多座桥得到应用,如韩国的Palyung 悬索桥、Pyeongtaek斜拉桥,中国的南沙大桥等。

防振锤结构简单、无需支架且安装方便、成本低,具有较高的性价比[12],较适合悬索桥和下承式拱桥吊杆和吊索的振动控制,以及用于控制拉索-阻尼器系统的高阶涡振。防振锤在世界范围内已有不少应用案例,其实桥减振效果有待进一步试验验证。为此,本文针对某桥2根实际的拉索设计防振锤装置,并进行实桥拉索的振动试验,以验证防振锤减振的实际效果;通过试验发现防振锤用于实桥拉索减振存在的问题,并提出解决方案。本文研究成果可以为实际拉索防振锤的设计提供参考。

1 试验概述

1.1 试验拉索

试验拉索为某桥中塔2根较长拉索,拉索类型为GJ15-7钢绞线挤压拉索。试验测试拉索的位置如图1所示 (见红色标记线)。拉索具体参数见表1所列。

图1 试验拉索示意图

表1 拉索参数

1.2 试验用防振锤

根据实际防振锤样式,本试验设计的防振锤如图2所示,主要由锤头、钢绞线和索夹等3个部分组成,其中防振锤锤头对称布置,即索夹两侧钢绞线长度相同。在进行实桥试验前,需要对防振锤的频率进行标定，本文通过改变防振锤钢绞线的长度来调节锤头的振动频率。防振锤单体实验装置如图3所示。

图2 试验用防振锤实物图片

图3 防振锤单体实验装置

单体实验中,防振锤索夹固定在工作台上,给定锤头初始位移让其作自由衰减振动,通过记录的锤头自由振动加速度数据识别防振锤振动频率,具体步骤参考文献[12]。实验对采用多根不同长度钢绞线的防振锤分别进行测试,最终通过单体实验确定2个分别对2根拉索一阶调谐的防振锤。防振锤1单个锤头质量为3.75 kg,钢绞线为直径13 mm的镀锌钢绞线,悬臂长度为500 mm (钢绞线中点到锤头顶面的距离);防振锤2单个锤头质量为3.75 kg,镀锌钢绞线直径为13 mm,悬臂长度为480 mm。

1.3 试验布置和方法

在拉索垂直于桥面约4 m处安装无线加速度传感器;为了实时获取拉索的振动情况,在靠近防振锤位置处安装微型加速度传感器;试验采用人工激振的方式,在拉索垂直桥面约5 m处悬挂绳索用于拉索的激振。

试验布置情况与部分试验的现场照片如图4所示。

图4 试验布置示意与现场照片

进行拉索自由衰减振动测试,方法如下：通过采集环境激励下拉索的振动数据,识别出实际拉索的前几阶振动频率,以对应的频率进行人工激振,依次激励起对应阶模态振动，在拉索振动幅值达到一定值后停止激励,使振动自由衰减；利用加速度传感器采集拉索自由衰减振动时程数据,对滤波处理后的自由衰减加速度时程数据进行曲线拟合,获取拉索的模态阻尼比。

1.4 试验工况

考虑测试拉索实际主要发生一、二阶振动,本试验分别对2根拉索的前2阶进行测试。试验工况见表2所列。

拉索1的位置1为防振锤安装点沿索轴向距桥面3.0 m处,位置2为防振锤安装点沿索轴向距桥面4.5 m处;拉索2位置1为防振锤安装点沿索轴向距桥面4.7 m处。

表2 试验工况

2 试验结果与分析

2.1 试验数据处理方法

通过分析拉索不同工况下面内振动加速度时程数据，可以得到拉索的模态阻尼比,具体的分析步骤如下:

(1) 从原始信号中截取索自由衰减段信号。

(2) 对截取的信号进行傅里叶频谱分析。

(3) 根据谱分析结果或者目标激振频率进行滤波,滤波采用Butterworth 带通滤波器,带宽为0.4 Hz,即滤波器通过的频率成分为索该阶模态频率加/减0.2 Hz。

(4) 获得自由衰减期内滤波加速度的包络线,并通过曲线拟合计算阻尼比。

典型工况下，通过测试加速度数据获取频率和阻尼比过程如图5所示。

图5 实测加速度数据处理曲线

2.2 试验结果与分析

采用2.1节数据处理方法,对所有工况下的数据进行处理,得到拉索目标阶模态的频率f和阻尼比ζ。本试验对每个工况重复测试3次,实际可用的试验数据见表3所列。

表3 频率和阻尼比试验结果

由表3可知,安装防振锤后,拉索阻尼比显著提高。对于拉索1,防振锤安装在位置1(3.0 m)处时,拉索一阶模态阻尼比没有提高,二阶模态阻尼比提高明显,由0.16%提高到0.34%以上;提高防振锤的安装高度,在位置2(4.5 m)处时,拉索一阶模态阻尼比由0.25%提高到0.44%以上,拉索二阶模态阻尼比由0.16%提高到0.42%以上。对于拉索2,安装防振锤后,拉索的一阶模态阻尼比由0.22%提高到0.58%,二阶模态阻尼比由0.15%提高到0.39%以上。

通过本次实桥拉索试验发现,防振锤的启动加速度较大,即当拉索振动的加速度较小时,防振锤无法工作。由表3可知,防振锤安装在拉索1位置1处时,对于拉索的一阶模态,防振锤未起到增加拉索模态阻尼的效果(D1-1-1)。拉索1和拉索2的一阶振动时程数据结果如图6、图7所示。

由图6、图7可知:当拉索振幅较大时,索振动衰减很快,对应的阻尼比较大;随着拉索振动幅度的减小,拉索振动衰减变慢,相应的阻尼比降低。

值得注意的是本次试验防振锤针对拉索的一阶振动设计,从试验结果可知,拉索的二阶模态阻尼比在安装防振锤后增加显著。其原因可能是:试验用防振锤2个锤头对称布置,即两侧钢绞线长度相同,2个锤头质量也相同,当防振锤水平放置时,两侧锤头振动频率理论上相同,类似调谐质量阻尼器(tuned mass damper,TMD)装置;而当防振锤安装在拉索上时,由于拉索具有一定的倾角,防振锤上、下侧的钢绞线在锤头重力的作用下,上侧钢绞线受到压力的作用,而下侧受拉力作用,使得上、下锤头振动的频率并不一致,这样的防振锤实际上是一个多重调谐质量阻尼器(multiple tuned mass damper, MTMD) 装置,防振锤的有效频率范围变广,因此,试验防振锤对于拉索的二阶振动也有较好的阻尼效果。

图6 工况D1-1-2下拉索加速度及不同振幅下阻尼比

图7 工况D2-1-1下拉索加速度及不同振幅下阻尼比

另外,防振锤的刚度呈非线性特点,即随着锤头振幅的改变,其自振频率也发生一定的变化。防振锤装置与理论上的线性TMD不同,其具有更好的鲁棒性。

3 结 论

本文试验研究防振锤对于实际斜拉索的振动控制效果,证明了其减振的有效性,同时也发现该装置实际存在的一些问题。

(1) 防振锤用于拉索的振动控制是可行的、有效的,其可以显著提高拉索的模态阻尼,并且具有较好的鲁棒性。

(2) 测试防振锤的启动加速度较大,对于低阶(一阶)的小振幅振动抑制效果不佳。

(3) 防振锤锤头可能会碰撞拉索,需要加以解决。

对于防振锤在实索减振中存在的问题,提出以下的处理思路:

(1) 减小锤头质量。可以同时安装多个防振锤,解决启动加速度大的问题。

(2) 在锤头可能碰到的拉索上安装防护装置,建议采用耗能较好的材料。当拉索大振幅振动时,锤头撞击拉索上的耗能材料产生耗能,起到碰撞调谐质量阻尼器的效果。