石首长江公路大桥斜拉索杠杆质量阻尼器应用研究

世界桥梁 2021年第49卷第2期(总第211期)World Bridges, Vol. 49, No. 2, 2021 (Totally No. 211)
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石首长江公路大桥斜拉索杠杆质量阻尼器应用研究
刘德清12,赵海威13，汪正兴14,王泽豪13
(1.桥梁结构健康与安全国家重点实验室，湖北 武汉430034； 2.武汉桥梁建筑工程监理有限公司，
湖北 武汉430034； 3.中铁桥研科技有限公司，湖北 武汉430034；
4.中铁大桥科学研究院有限公司，湖北 武汉430034)
摘 要：石首长江公路大桥主桥为主跨920 m 的双塔六跨连续不对称空间双索面混合梁斜拉桥，最长斜拉索长约440 m,在
外部激励作用下极易发生面内、外振动。

针对石首长江公路大桥斜拉索的振动特性，在常规阻尼器的基础上进行构造优化设
计，研发了一种双杆倒Y 形连接杆斜拉索杠杆质量阻尼器，具有景观协调性好、横向连接刚度大、减振效果好等优点$通过对
阻尼器的安装质量进行严格控制，安装位置比控制为2.23%〜2. 93%，使阻尼器达到了良好的减振效果，实测斜拉索阻尼对 数衰减率均在3%以上，满足大桥斜拉索减振要求$
关键词：斜拉桥；斜拉索；振动；双杆倒Y 形连接杆；杠杆质量阻尼器；阻尼对数衰减率；应用
中图分类号：U449. 27；U441. 3
文献标志码:A
文章编号：1671 —7767(2021)02 —0071 —07
1概述湖北省石首长江公路大桥主桥采用主跨920 m 的双塔六跨连续不对称空间双索面混合梁斜拉桥,
跨径布置为(75 + 75 + 75) m + 920 m+(300 + 100) m $混凝土箱梁和钢箱梁均采用分离式双箱断面,
钢一混结合面位于北塔附近，并伸入主跨距北塔中 心线26. 5 m ；北边跨混凝土主梁长251. 5 m ；中跨
和南边跨钢主梁长1 193. 5 m $桥塔采用收腿的倒
Y 形造型，北边跨锚点位于桥面以下1. 05 m,南边 跨和中跨锚点位于桥面以下1. 11〜1 77 m $斜拉
索采用标准抗拉强度,1 770 MPa 低松弛高强平行
钢丝束，斜拉索钢丝镀“锌一铝”合金层、高密度聚乙
烯护套保护层和护套表面缠包双层PVF 氟化膜胶
带。

斜拉索索面扇形布置，顺桥向标准间距为15 m,边跨混凝土箱梁段标准间距为7.5 m 。

全桥共
设4X26对斜拉索(1),包括LPES7 —109〜LPES7 — 367共16种类型，最长索长440. 113 m,最短索长 129.219 m 。

石首长江公路大桥主桥立面布置如图 1$
斜拉索作为斜拉桥的主要承重构件，因其柔度
大、阻尼小的特性，在风、风雨、交通等外部荷载激励
下容易发生较大振动「2「4)。

尤其随着斜拉桥跨度的 增加,斜拉索长径比增大,其刚度、阻尼进一步减小,
更易导致斜拉索的大幅振动&6)。

斜拉索长时间的
1 445
820
300
100
75 75 75图1石首长江公路大桥主桥立面布置
Fig. 1 Elevation view of main bridge of Shishou Changjiang River Highway Bridge
收稿日期2019 — 11 — 05
作者简介：刘德清(1966 —"，男，高级工程师，2003年毕业于中南大学土木工程专业(E-mail ： 173142544@qq. com ) $ 通信作者：汪正兴(1965 —)，男，教授级高工(E-mail ： wzx2332@ 126. com )。

研究方向：桥梁结构振动控制与健康监测。

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大幅振动将会引起锚固端疲劳，损坏端部腐蚀保护
系统,大幅降低斜拉索的使用寿命「7应。

石首长江公
路大桥主桥斜拉索较长，自振频率最低仅为0.229
Hz,在外部激励下极易发生大幅振动。

针对斜拉索
的大幅振动，目前的主要措施是在斜拉索锚固端附
近安装阻尼器以提高斜拉索模态阻尼卩山。

基于
此,针对石首长江公路大桥斜拉索的振动特性，进行
外置式阻尼器构造设计，并应用在实桥上。

2阻尼器构造设计
2.1阻尼器设计方案
影响超长斜拉索阻尼器减振效果的一个重要因
素是阻尼器的支撑刚度。

如支撑刚度较弱，会引起
斜拉索振动位移的损失，使得传递到阻尼耗能装置
的只是其中一部分，导致最终减振效果的折减。

常规斜拉索阻尼器控制面内振动效果比较好，且其支撑刚度也容易得到满足，而斜拉索的面外振动传递主要依靠阻尼器支架的抗弯刚度：
式中M为面外支撑刚度，即斜拉索发生单位位移时，阻尼器所受到的横向作用力F为弹性模量；/为连接杆的面外截面惯性矩池为连接杆长度。

由式(1)可知：面外支撑刚度与连接杆长度的3次方成反比，安装高度越高，连接杆长度也越长，其刚度就越小。

因此，为了满足面外振动的刚度要求，需要加大其截面特性值，同时降低索夹安装高度。

在长大桥上用规阻器
现，斜拉索面外振动不能得到很好的控制。

为满足石首长江公路大桥斜拉索面内、外振动所需支撑刚度,设计了一种杠杆质量阻尼器，与常规阻尼器相比，杠杆质量阻尼器利用大刚度的支座作为连接杆的支撑点，可以有效提咼连接杆的横向刚度,保证斜拉索的面外振动位移有效传递至阻尼装置，提高阻尼器的面外减振效果。

杠杆质量阻尼器与常规阻尼器受力对比如图2所示，在连接杆截面惯性矩不变情况下，当%1=2%1时，杠杆质量阻尼器连接杆的横向刚度是常规阻尼器支架刚度的3倍。

设计杠杆质量阻尼器时，在尽量提高面外支撑刚度的同时，需综合考虑景观影响因素和加工制造成本，遂拟定单杆型杠杆质量阻尼器和双杆型杠杆质量阻尼器2种方案。

(1)单杆型杠杆质量阻尼器构造如图3所示,由索夹、连接杆、支座、链杆、转轴及阻尼装置组成,
图2杠杆质量阻尼器与常规阻尼器受力对比Fig.2Comparison of mechanical properties of lever
masdamperandconventiona(damper
其工作原理为:当斜拉索发生面内振动时,斜拉索振动能量由连接杆传递到阻尼装置，此时支座转轴1作为钱点进行摆动，通过连接杆的摆动，阻尼装置内部发生上下相对运动，通过粘性料的剪切作用，耗散振动能量。

当斜拉索发生面外振动时，转轴2作为支点，通过连接杆的摆动，阻尼装置内部发生左右相对运动，利用粘性料的剪切作用达到耗能目的，可以同时抑制斜拉索可能发生的面内、外振动。

图3单杆型杠杆质量阻尼器构造
Fig.3Details of lever mass damper with
sing(econnectionbar
!)双杆杆量阻器4
工作原理同单杆型杠杆质量阻尼器。

为进一步简化结构，设计中对连接杆的构造与连接方式进行了优化设计:连接杆由单杆构造型式改为双杆构造，并采
石首长江公路大桥斜拉索杠杆质量阻尼器应用研究刘德清，赵海威，汪正兴，王泽豪73
用倒Y形在中部只弯折一道，降低制造难度，保证
产品质量；连接方式采用螺栓连接取代焊接,使主体
结构与连接杆件分离，便于制造、运输与现场安装；
改善构件局部传力性能及视觉效果，与主桥桥塔形
状呼应，使整体观感更加和谐统一。

图4双杆型杠杆质量阻尼器构造
Fig.4Details of lever mass damper with
doub(econnectionbars
2.2阻尼器方案比选
基于阻尼器面外支撑刚度对减振效果的影响，
对单杆型杠杆质量阻尼器和双杆型杠杆质量阻尼器
2种方案进行比选。

引入无量纲的刚度折减系数
R#,R#越大，阻尼器所能提供的理论阻尼值越大，减
振效果越好,其简化公式为：
R#!)c,H)—-k-_E•)c
=1+(k，k=F2)
式中，k为阻尼器面外支撑刚度)c为阻尼器与锚点的距离H为斜拉索索力；；为无量纲阻尼参数$由式(2)可知：该折减系数与斜拉索模态无关，与k和)c成正比，与H成反比，而且可以确定R kt 的最小值，保证阻尼器的减振效果，对阻尼器连接杆构造设计起到指导作用$
双杆型连接杆采用2根!89mmX8mm X 1950mm的无缝钢管加工成型，单杆型连接杆采用!121mm X10mm X1900mm的无缝钢管$面外支撑刚度k只与截面特性和长度有关，通过计算单杆型面外支撑刚度k=430000N/m,双杆型k= 1220000N/m$以石首长江公路大桥斜拉索SJ1、SJ26为例，杠杆质量阻尼器的刚度折减系数R#随面外支撑刚度k的变化情况如图5所示$
2种杠杆质量阻尼器对同一根斜拉索的减振效果如表1所示。

由表1可知：双杆型比单杆型面外
图5刚度折减系数1?壮随面外支撑刚度上变化
Fig.5Variation of stiffness reduction factor R kt
along with out-of-plane supporting stiffness k
支撑刚度提高了 1.8倍，减振效果分别提升了25%和24%，故石首长江公路大桥阻尼器采用双杆型杠杆质量阻尼器减振效果更好$
表1不同杠杆质量阻尼器理论减振效果
Table1Theoreticalvibration:uppre:ionefect:ofdiferent
type:ofleverma:damper:
阻尼器类型
面外支撑
刚度k/N・m—i
刚度折减系数R#/%
SJ1SJ26单杆型4300004250
双杆型12200006774
3阻尼器实桥应用
3.1阻器
全桥斜拉索共计安装208套外置式阻尼器，安装位置比控制为2.23%〜2.83%，高度偏差在士50 mm之内，保证安装夹角精度使各部件转动灵活且行程满足士30mm,现场焊接无裂纹、气孔，咬边控制在0.5mm以内$阻尼器安装前对斜拉索PVF 带进行保护处理。

由于阻尼器是斜置于斜拉索与主梁之间,阻尼器与斜拉索通过索夹采用4根M16螺栓连接，阻尼器与钢箱梁连接采用焊接，阻尼器与混凝土梁连接采用预埋板焊接，预埋板现场植筋安装$阻器6$
阻器的量接减振效果$在正式安装开始前，需要对桥面的状况、阻尼器底座预埋板的安装质量、安装彳置的桥面标高等进行全面地普查和了解，使固定在桥面的阻尼器的基座位置准确且连接可靠$阻尼器运抵施工现场后，按图7所示流程进行安装。

(1)阻尼器定位及预埋板安装$阻尼器的安装高度为桥面到斜拉索中心线高度垂直距离，考虑到桥面的平整度及其竖曲线影响，安装高度容许误差为士50mm$阻尼器的底座中心顺桥向距离以斜拉索的出梁点和塔尺底脚为基准测量(见图8),
结
74
世界桥梁 2021,49(2)
图6 安装示意
Fig. 6 Schematic iilustration of dampers
insta(ationforstaycab(es
丨定位1
|混凝土梁段预埋”现场植筋安装|
[--------------- PVF 带诂护处朗---------1
|索夹安装| |底座焊接|
---------T 阻尼器调试卜---------|实桥减拊试验|
/
图7 安装流程Fig. 7 Damper installation process
图8预埋板定位
Fig. 8 Embedded plate positioning
合斜拉索外置阻尼器预埋板设 ，复核出最终阻尼器的底座位置，进行预埋板安装(见图9)。

)阻尼器安装。

①
理：根据理论计
算的阻尼器 度，确定索夹在斜拉索上的固定
置，对该位置的PVF 带进 护处理。

②索夹安:索夹和斜拉索之间加设橡胶护垫，防止斜拉索损
③
焊接：根据阻尼器
在预埋板上的实
置，进 修割与预埋板焊接%焊缝要求无裂
纹、夹焊和焊瘤等缺陷(见图10)。

图9预埋板安装
Fig. 9 Embedded plate installation
图10底座修割及焊接
Fig. 10 Treating and welding of footings
(3) 阻尼器定位、安装必须有 员在场指
导， 序须在 员 合
，才能进入下
道工序施工。

(4) 全桥阻尼器安装调试完毕后，进行焊接部
分涂装。

据石首长江公路大桥斜拉索特性，为保证安
装阻尼器后的减振效果，全桥
度控制在2. 0〜
3.2 m,相应地安装位置比范围为2.23%〜2.93%。

为适应斜拉索倾角的变化，阻尼器安装角度也相应 调整，近塔处阻尼器安装角度不小于54°,远塔处阻
尼器 角度均保证90。

，该桥部分斜拉索特性及 阻尼器
参 表2 。

阻尼器 景 |
11所示，阻尼器主体支 杆的高度，景观协
调性好。

石首长江公路大桥斜拉索杠杆质量阻尼器应用研究刘德清，赵海威，汪正兴，王泽豪75
表2部分斜拉索特性及阻尼器安装参数
Table2Characteristicsofsomestaycablesanddamper
instalationparameters
斜拉索特性阻尼器安装参数
索号索长/m成桥
力/kN
安装
夹角/（°）
安装
咼度/m
安装
位置比/%
SJ26440475690 3.2 2.49 SJ22392490090 3.1 2.44 SJ19325414990 2.9 2.43 SJ12243323490 2.6 2.41 SJ9192294794 2.4 2.43 SJ5159235779 2.2 2.49
2 > <
、鏗«
吕
图11阻尼器安装实景
Fig.11View of field installation of dampers
3.2减振效果测试
为进一步验证阻尼器实桥安装后的减振效果，
取阻尼器后的斜拉索进行测试「12）。

采用人工激振方式，由测试仪器接收和记录斜拉索的振动衰减曲线，计算测斜拉索在外置式阻尼器后各模态阶数下的衰减率。

以SJ12号斜拉索（索长243m）为例，通过人工激励，明显的受迫振动，释放激励，斜拉振，通过振曲算
阻尼器之后的衰减率）SJ12号斜拉阻尼器后2阶振动响应时程曲线（滤波后）如图12所示，由时域法算出阻尼比W=0.599%，根据对数衰减率）与阻尼比g）=2兀&计算可得2阶模态衰减率）=3.7%；其3阶振动响曲线（滤波后）如图13所示，其阻尼比g=0.622%，对应的对数衰减率）=3.9%，均达到3%以上，减振效果良好。

全桥阻尼器后，斜拉索振有效控制，
3gr
11hHH H H H H JII
lg-
-lg
-2g|11J y H H H v v HI
_3------------------------------------------------------------------------------012345678
时间/s
图122阶振动响应时程曲线
Fig.12Time history curve of2nd mode of vibration
图133阶振动响应时程曲线
Fig.13Time history curve of3r d mode of vibration 分斜拉衰减率测表3。

由表3可知：石首长大桥在外置式阻尼器，斜拉衰减了3%以上，安装阻尼器后斜拉索的振有效抑制。

表3安部分
Table3Tested*aluesoflogarithmicdecrementof
staycableswithdampers
斜拉模态对数斜拉索模态对数
索号阶数衰减率/%索号阶衰减率/% NA62 3.99SJ63 4.43
NA123 4.32SJ103 4.12
NA233 4.11SJ224 3.99
NJ164 3.54SA93 3.22
NJ234 4.16SA193 4.23
NJ264 4.33SA254 5.10
4结语
石首长江公路大桥斜拉索具有柔度大、阻尼小的特性，在风、风雨、交通等外部荷载激励下更容易较大振动。

桥斜拉索振动特性，在已有斜拉杆质量阻尼器基础上，通过对阻尼器内部参数和外形进设计，提出了一种双杆型杆质量阻尼器。

该阻尼器连接杆采用双杆倒Y 形，横向抗弯刚度，构件的局部传力性能与效果。

理论分析及实桥测试
76世界桥梁2021,49(2)
结果表明：安装杠杆质量阻尼器后，石首长江公路大桥斜拉索对数衰减率均可达到3%以上，满足斜拉索减振要求。

石首长江公路大桥2019年9月完工，期间未发现斜拉索发生肉眼可见的振动，该杠杆质量阻尼器有效抑制了斜拉索振动，保障了运营期桥梁结构安全$
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(1.State Key Laboratory for Health and Safety of Bridge Structures,Wuhan430034,China； 2.Wuhan Bridge and
Building Works Supervision Co.Ltd.,Wuhan430034,China； 3.China Railway Britech Co.,Ltd.,Wuhan 430034,China； 4.China Railway Bridge Science Research Institute,Ltd.,Wuhan430034,China)
Abstract:The main bridge of Shishou Changjiang River Highway Bridge is a two-pylon hybrid girder cable-stayed bridge.The bridge has six spans,with the main span of920m.The stay cables arearrangedinasymmetricalspatialdoublecableplanesandthelongeststaycablesreaches440m which are prone to in-and-out of plane vibrations under external excitations.A type of inversed Y-shaped lever mass dampers that contains two connection bars are bespoke for the stay cables of thebridge basedonthestructuraloptimizationofconventionaldampers whichcan we l merge withthe surroundings o f er big transverse connection sti f ness and provide good vibration suppression e f ect.The insta l ation of the dampers wasstrictlycontro l ed andtheinsta l ation height ratios were contro l ed within the range of2.23%to 2.93%ensuringthatthedampers couldgivefu l playtotheirdampinge f ect.Themeasureddampinglogarithmicdecrementsofthe damperswerea l above3%meetingthevibrationsuppressionrequirementsofthestaycables.
Key words:cable-stayed bridge；stay cable；vibration；inversed Y-shapedtwin connection bars；levermassdamper；logarithmicdecrement；application
（编辑:刘海燕）。