桥梁索结构振动控制

桥梁索结构振动控制

摘要：本文介绍了桥梁索结构的振动特点，回顾了近几十年国内外桥梁索结构振动控制技术研究的进展情况，介绍了工程实例，指出了未来桥梁索结构振动控制的主要发展方向。

关键词:桥梁振动振动控制；被动控制；主动控制；索结构

越来越多的桥梁垮塌事故使得确保结构的稳定性和行车舒适性变得尤为重要。大跨径桥梁大多需要采用索结构（斜拉桥拉索、悬索桥主缆及其吊索和拱桥的吊杆等）的形式，而索结构的因质量小、阻尼低、柔性大的特点，在外界激励下极易发生大幅振动，大跨度桥梁索结构的振动控制往往就成了桥梁结构稳定的控制因素。

桥梁振动控制的主要对象是大跨度桥梁的风振、地震响应和行车响应。桥梁的风致响应可分为颤振和抖振。在较易挠曲的悬索桥和斜拉桥中，风致振动较为常见。悬索桥的缆索、吊杆都存在风振问题，且多为涡激振动。悬索桥的风致振动最著名的例子是1940年美国Tacoma海峡桥坠落事故，该桥跨度为853m。与悬索桥相比，虽然同样跨度下斜拉桥的刚度较大，但随着斜拉桥跨度越大，斜拉索柔性就越大。1988年3月，比利时的Ben Ahin桥的斜拉索就发生了振幅达1米的振动。

1桥梁振动控制的分类

被动控制：它不需要外界能量，只需无源的惯性、弹性与阻尼元件，控制力是控制装置与结构相互运行产生的。该种控制易于实现，减振防冲效果好，应用广泛。主要优点是结构简单和工作可靠。

主动控制：这种控制需要外界能量输入。由于大跨度桥梁的挠性很大，易发生低频振动，这种低频振动用被动控制装置或阻尼技术有一定的局限性。

混合控制：将主动控制与被动控制结合，发挥两种控制方法各自的优点，使主动控制所需提供的巨大控制力大幅度减小，以便有效地控制桥梁振动。

2被动控制的主要类型

2.1摩擦阻尼器

通过摩擦装置滑动作功，消耗能量。1973年建成的日本关门悬索桥在索塔施工中，采用滑动摩擦控制方式的防止缆索的涡激振动。

2.2粘性阻尼器

它是利用材料的粘弹性来瞬时改变结构的能量储备与瞬时耗散能量。1985年，日本因岛悬索桥的索塔施工中，采用了阻尼控制方式，即将滑车改为油压减振器。

2.3调谐质量阻尼器(TMD)

在主结构上附加一个由质量块、弹簧、阻尼组成的子振动系统，主系统发生振动时，通过参数设计，主结构的振动转移到子系统中，使主系统振动衰减。TMD的质量不宜过大，因为过大的质量势必对桥梁的静力强度不利，而且可能降低桥梁固有频率，反而使桥梁振动增大。

2.4多重调谐质量阻尼器(MTMD)

TMD往往只针对桥梁的某阶振型进行振动控制，尤其对于模态密集的大跨度桥梁，TMD的抑制效果就显著降低。Manikanahally和Crocker在1991年提出了用MTMD来抑制不同固有频率结构的振动。MTMD由几个小的TMD组成，小TMD的频率与受控振型频率对应，它不但对某一阶振型的抑制效率比常规TMD要高，且抑制频带较宽。九江长江大桥吊杆就采用了MTMD方案，每根吊杆采用8个TMD，实测表明：吊杆总有效阻尼增大近50倍，TMD对吊杆涡振具有很好的抑振效果。

2.5调谐液体阻尼器(TLD)

利用液槽中浅层的波浪效应来消耗振动能量，控制桥梁的振动反应。研究发现抑制桥梁横向抖振时，TLD比TMD的效果要好。1992年FuJino和Sun还提出了多重调谐液体阻尼器(MTLD)。调谐液体质量阻尼器综合TMD和TLD的优点，通过调谐阻尼器中的液体和质量块，液体和固体的耦合作用使阻尼器更有利于吸收并耗散主结构的能量。九江长江大桥吊杆抑振试验表明，TLMD抑振效果较TMD更好，能更好地运用于桥梁减振。

2.6磁流变阻尼器（MR）

磁流变阻尼器是利用亚纳米智能材料在外部磁场的作用下，磁流变体在几毫秒内由牛顿液体变为具有一定剪切屈服强度的宾汉姆体，一旦外磁场消失，又变为液体。通过改变电压来改变内置磁场强度，改变其阻尼特征，获得振动控制需要的可变阻尼，达到分级控制的目的。洞庭湖大桥工程成功地开发并安装了磁流变式拉索减振系统，经过几年的使用，证明它能可靠、有效地抑制强烈的拉索风雨振和其他振动。

3 主动控制

主动控制与被动控制相比有以下优点：(1)反馈控制力可直接作用于结构物，无TMD的滞后现象，具有较高的控制性能；(2)即使索结构的固有频率发生变化，

只需调整控制软件参数；(3)主动控制能控制二阶乃至更高的振型。

3.1主动拉索控制(Active Tendon Control)

主动拉索控制适宜于连续时间和脉冲控制算法。1979年Yang和Giannopulos 对主动拉索控制进行了理论研究。早期实验是在一系列结构模型上进行的，其中有一个简单的悬臂梁，一个单柱析架和一个自由立柱，控制装置是人工操作的拉索控制或伺服阀控制的作动筒。延时的影响是通过改变反馈控制力的相位来表示的。

3.2主动质量阻尼器

施工过程中，结构固有频率改变，就要相应地移动TMD的设置位置，并调整其固有频率。相对而言，主动控制方式性能较高，不仅能进一步实现小型化，同时具有只需改变控制程序，即可与索塔的固有频率做出相应的调整之优点。

3.3主动质量激发器(Active Mass Driver)

没有采用重锤，直接由外部能源提供控制力的装置，称为主动质量激发器。该方式与主动质量阻尼器相比，控制性能有时较差。因为没有设置重锤，而具有较易控制之优点。

3.4空气动力附件(Aerodynamic Appendages)

用空气动力附件作为主动控制装置来减小由于风力而引起的桥梁的运动。其主要特点在于设计者能用风能来控制桥梁振动。

3.5陀螺稳定器(Gyroscope)

1971年Murata和I，提出了用陀螺稳定器减小悬索桥的风振，该方式是在索塔的顶部设置陀螺仪，并对旋转产生的力矩实施主动控制来控制索塔的弯矩变形。

3.6脉冲发生器（Pulse Generators)

通过脉冲所产生的反力来控制桥梁振动，脉冲可以由释放压缩空气或由液压式、电磁式作动筒产生。该方式既可控制桥梁的线性振动，也可控制其非线性振动。它可以降低各种类型的外界扰动响应。

4 混合控制

1987年Abdel—Rohman和Nayfeh在进行了用单柱桁架—拉索被动控制桥梁振动方法之后指出，尽管这样可以将桥梁的固有频率移到共振范围之外，但同时伴随着桥梁的阻尼比减小。为了进一步减小振动幅值，引入主动控制力，用主动