斜拉索阻尼器减振效果检测技术研究

2012-09-25李劭晖

城市道桥与防洪 2012年1期

李劭晖

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市 200092）

1 拉索振动形式

拉索的风致振动现象在各种类型和跨经的斜拉桥上普遍存在，斜拉索的两端在梁内和塔内靠锚头支撑连接，摩擦阻尼很小，又由于拉索处于高应力状态，材料内阻尼也很小。实践表明，未采取减振措施的拉索一种本质上难于稳定的构件，在风的激励下极易产生风致振动。从受力角度看，斜拉索的钢丝主要承受拉应力，拉索振动所引起的弯曲应力会明显地降低钢丝的预期疲劳寿命，索振累计达到一定的次数后，锚固区的钢丝就会因疲劳和损伤而断裂，因此拉索的振动对其使用性能和耐久性有不利影响并进而影响桥梁整体结构的安全性；此外拉索的大幅度的振动也会引起行人对斜拉桥的安全性产生怀疑。所以抑制和减小拉索的振动具有重要意义，而拉索振动控制的关键在于如何将拉索的振动响应控制在安全的限度内。

引起拉索振动的主要原因是自然风和其他振动的作用，而风对结构物的动力作用十分复杂，为了使问题简化根据索的弹性动力响应把索的振动分为三类，即涡激振动、尾流驰振和风雨振，除此之外还有斜拉索的参数振动。

2 斜拉索减振措施

抑制斜拉桥振动的措施主要有三类：空气动力学措施、减振器和设置辅助索。

空气动力学措施：斜拉索的风雨振动的振幅比较大，其发振机理并没有完全研究清楚，风速、风向、雨量及拉索表面的状态、拉索的规格等都对其均有一定影响。对其进行抑制的一种主要手段是改变索的外表面形状，研究表明风雨振动产生的原因是雨水沿着斜拉索下流时形成上下水路从而改变了原来截面形状，从圆形异化为类似于结冰电缆，形成空气动力不稳定形状，当风速满足一定条件时，系统就出现了负阻尼，这时振动表现为幅值不断增大。气动措施就是通过优化斜拉索的外部形状，使其具有良好的空气静、动力特性，从一定程度上消除使其产生不稳定的因素。根据风雨激振的机理，可以抑制风雨激振的气动措施主要包括：在拉索表面设螺旋线、设置平行肋条或纵肋条、表面压花等技术。

减振器：拉索风振的产生需要满足两个条件：其一是振动频率吻合；其二是外界提供充足的能量。只有当激振提供的能量大于拉索起振所需要的初始势能，并满足拉索在振动过程中拉索自身结构阻尼消耗的能量才能产生风振，因此只需将拉索自身的结构阻尼提高到一定程度就可以抑制拉索的振动。常用的阻尼器有外置式油阻尼器、内置式橡胶减振器和外置式磁流变阻尼器。

辅助索：用辅助索将若干根拉索连接，或用连接器将并列布置的两根拉索连接，以增加索的刚度，提高索的振动频率。由于每根索的振动频率、相位、幅值不同，辅助索使各个拉索之间的运动相互制约，从而限制了单索的大幅振动。法国的诺曼底大桥就采用了辅助索，每个索面采用四道辅助索，将长索的基频提高了5倍，以避免拉索的参数振动发生。但是索面内设置了横向联结后破坏了桥梁整体的美观并且对面外振动的作用有限，因此这种减振措施并不是很理想。

3 拉索减振效果评定关键技术

在斜拉桥使用过程中，减振器存在松脱甚至失效的可能：1999年9月台风期间，广东某大桥斜拉索风激振动严重，部分长索的振幅超过1m，经检查发现该桥的减振器有3%完全失效，有9%的减振器松动。然而目前对于减振器实际功能检测评估手段还没有完善，由于客观条件的局限，斜拉桥的管养单位在桥梁定期检查时也很少关注减振器的情况，因此造成在斜拉索出现了振幅异常的情况再返回去找问题的被动局面。

当前桥梁检测中主要参考的规范如《公路桥涵养护规范》（JTGH11-2004）和《城市桥梁养护技术规范》（CJJ99-2003）都没有提出明确可行的办法来评估减振器的实际效果。

由于拉索阻尼器减振效果取决于减振器提供给拉索多少附加阻尼，因此拉索阻尼的测试是评估减振器效果的关键。

4 阻尼测试方法及其误差分析

振动的三要素，即频率、幅值和阻尼的测试中，阻尼的测试难度最大。目前国内外尚无桥梁结构阻尼测试方法的标准，主要的测试手段分为频域法和时域法两类，频域法是通过信号的频谱进行阻尼比的计算，以传统的半功率带宽法为代表。时域法是在测量单频自由衰减振动波形的基础上进行分析的，它要求必须能够测量结构的某一个固有频率（通常为最低阶固有频率）下自由衰减振动，然后根据波形的衰减速度计算阻尼比，该方法具有精度高的特点，但实际使用中受两方面的限制：信号必须为单频振动，并且是自由衰减振动波形。在实际应用中测到的衰减信号中可能包含多个频率成分，这时就需要使用包络线拟合的方法来计算结构阻尼。

4.1 半功率带宽法

半功率带宽法识别系统阻尼比，是利用自功率谱的共振峰寻找系统的固有频率，再根据功率谱曲线求得系统阻尼，见图1。

图1 半功率带宽测阻尼

在纵坐标上寻找半功率点，并过此值作一条水平线，它与功率谱曲线的交点称为半功率点，两个半功率点对应的频率分别为ωa和ωb，则求得系统模态阻尼比为：

此方法简单易用，在工程中应用极广，但是在小阻尼的情况下，在低频段如果峰值频率即使有很小的误差，计算出的阻尼误差也较大，而且当频率分辨率不是很高的情况下，利用半功率带宽法需要采用插值，因此该方法识别的系统阻尼值有一定误差。

为了提高阻尼的测试精度，本文利用DASP平台的INV阻尼计，对传统的半功率带宽法进行了改进，特别较好地解决了实测频率峰值不压谱线的问题。

4.2 时域法

实际测试中保证波形保证是自由衰减不难，但是一般情况下外力激励结构肯定会激起多阶振型，测得的信号很难是单频衰减信号，而是包含了多个频率成分，本文通过包络线拟合的方法来计算结构阻尼。具体的方法如下图所示：首先从信号频谱中选择需要计算阻尼比的频率成分进行带通滤波，然后计算带通滤波后的包络线，最后对包络线按指数衰减函数进行拟合，得到指数函数的系数，并计算阻尼比，见图2。

图2 包络线拟合法测阻尼

在斜拉索阻尼测试中，由于拉索的本身为低频振动，且阻尼值较小，因此不适宜用半功率带宽法进行测试。为了保证精度，应优先选择时域方法，即通过人为激励，引起拉索振动，然后测试其自由振动衰减波形，据此计算阻尼，由于拉索不会只呈现单频振动，所以需要对关心的频率进行带通滤波计算包络线并进而计算阻尼。

5 实测数据分析

5.1 工程概况

选择在一座斜拉桥上进行相关测试工作，该桥为双塔单索面预应力混凝土斜拉桥，桥宽11.5m，跨径布置为56m+98m+56m，主梁采用漂浮体系，斜拉索为扇形布置，共有1 1对斜拉索，在塔下设置竖直索。主梁为单箱三室箱梁，采用C 50预应力混凝土，梁高2.5m，箱宽11.3m；主桥横断面布置为：0.5m（护栏）＋4.5m（人和机动车道）＋1.5m（护索区）＋4.5m（人和机动车道）＋0.5m（护栏），见图3。

图3 测试桥梁正面图

拉索两端均安装了橡胶减振圈，塔端和梁端的阻尼器都安装在预埋钢管的端部，图4给出了拉索在塔端阻尼器安装位置。拉索分两次张拉施工完毕，在第一次张拉并安装减振器后，进行了拉索的阻尼测试。

图4 塔端减振器布置

5.2 测试结果

采用人工激励的办法，用力锤敲击拉索，激起其振动，然后测试其自由振动衰减波形，据此计算拉索的阻尼比。限于篇幅，本文以边跨4号索为例，介绍了阻尼测试过程，该索长度为43.651m，塔端减振器距离上锚固端距离为2.6m，梁端减振器距离下锚固端距离为2.4m，图5给出了拉索全程时域波形。

图5 拉索振动全程时域波形和频谱图

根据实测的频谱图进行包络线计算，共振频带范围按一阶振动确定，见图6，根据包络线计算斜拉索的一阶频率为0.986 H z，阻尼为2.1 9%，见图7。

图6 包络线计算参数

图7 时域法计算阻尼

为了进一步探讨阻尼实测值的可信性，采用频域方法进行了比对，分别是半功率带宽法和D A S P系列软件自带的I N V阻尼计进行了比对，其中半功率带宽法测得的阻尼值为2.68%，频率为0.996Hz，INV阻尼计法测得的阻尼值为2.24%，频率为0.986Hz，见图 8。

图8 频域法计算阻尼

可见在安装了减振器后，拉索一阶振动的阻尼达2.19%，而没有减振器的情况下，拉索阻尼值很小，接近于0，说明减振器安装后显著提高了拉索阻尼，并且该桥拉索长度小，阻尼器安装位置与锚固端的距离相对索长比较大，这也是减振效果明显的重要因素。

表1给出了该索前三阶实测阻尼，比较可知阻尼器安装后对拉索第一阶模态阻尼的提高最为显著。

表1 拉索实测各阶阻尼

通过对时域法和频域法两种方法进行比对，认为时域方法测试斜拉索阻尼概念清晰，且多次测试结果稳定，频域方法中的半功率带宽法精度稍差，振动频率的测试结果与另外两种方法有一定差异，阻尼测试值偏大。D A S P系列软件中I N V阻尼计测试结果是对半功率带宽法的一个较大的改进，可以在实际测试中作为时域法的补充。