基于梁-索-阻尼器耦合振動的阻尼器減振效果數(shù)值分析?

劉大洋,胡建新,廖敬波,劉波

(招商局重慶交通科研設(shè)計院有限公司,重慶 400067)

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基于梁-索-阻尼器耦合振動的阻尼器減振效果數(shù)值分析?

劉大洋,胡建新,廖敬波,劉波

(招商局重慶交通科研設(shè)計院有限公司,重慶 400067)

摘要:以廈漳跨海大橋2根安裝外置阻尼器的不同參數(shù)的斜拉索為工程背景,通過數(shù)值方法分析在梁-索-阻尼器耦合振動下外置阻尼器對拉索位移、速度、加速度的減振效果。結(jié)果表明,較短的S05拉索,外置阻尼器對拉索振動的位移、速度、加速度的減振幅度為41.32%～66.55%,減振效果均很明顯;較長的N18拉索,外置阻尼器對拉索振動的位移、速度、加速度的減振幅度分別為12.53%～59.04%、20.92%～60.18%、40.58%～62.07%,長索各采集點的3個參數(shù)的減振幅值隨采集點向L/2索長高度延伸均有不同程度的減小,3個參數(shù)減振幅值減小趨勢由大到小依次為位移參數(shù)、速度參數(shù)、加速度參數(shù)。

關(guān)鍵詞:橋梁;耦合振動;外置阻尼器;減振效果;數(shù)值分析

近幾十年,隨著高強材料、設(shè)計理論、計算機工具的快速發(fā)展及施工工藝與管理水平的不斷提高,景觀優(yōu)美、跨越能力強的斜拉橋得到突飛猛進的發(fā)展。隨著跨徑的不斷增大,斜拉索的大幅振動問題越發(fā)嚴重。拉索的振動,使拉索錨固端、拉索與錨具的結(jié)合處出現(xiàn)疲勞裂紋,索中平行鋼絲產(chǎn)生相對滑動而使PE等保護材料發(fā)生破壞,鋼絲出現(xiàn)銹蝕,威脅整個橋梁的安全。

在工程應用中,為抑制拉索的大幅振動,在橋面與拉索之間安裝外置剪切型粘滯阻尼器成為常用的減振手段之一,該阻尼器可提供較大的阻尼力,且具有減振效果明顯、價格低廉、可靠性高、魯棒性好等特點。拉索安裝外置阻尼器后,拉索的振動模型變?yōu)榱?索-阻尼器的耦合振動,而目前關(guān)于耦合振動下外置阻尼器對拉索減振效果的相關(guān)研究較少。該文以廈漳跨海大橋2根分別代表不同長度、彎曲剛度、索力、外置阻尼器等參數(shù)的拉索為工程背景,通過有限元軟件建立單根拉索的梁-索-阻尼器模型,引入拉索與阻尼器端部實際存在的外界環(huán)境激勵,分析該激勵下外置阻尼器對拉索的減振效果。

1 梁-索-阻尼器耦合振動介紹

隨著有限元計算方法的不斷發(fā)展,以前很復雜的耦合振動問題成為研究熱點。該文針對安裝外置阻尼器減振設(shè)備的長短斜拉索,通過在有限元分析模型中施加白噪聲激勵來模擬現(xiàn)場的環(huán)境激勵。常見梁-索-阻尼器耦合振動模型有:1)不考慮橋面對拉索端部的外界時程激勵;2)只考慮橋面對拉索端部的外界時程激勵;3)只考慮橋面對阻尼器安裝端部的外界時程激勵;4)同時考慮橋面對拉索端部和阻尼器安裝端部的外界時程激勵(見圖1)。

圖1(a)最為簡化,即在現(xiàn)場不考慮拉索端部和阻尼器端部的環(huán)境激勵,這也是目前在工程中經(jīng)常采用的簡化方法。但在實際橋梁中,橋面的環(huán)境激勵是不可避免的,尤其是大跨度斜拉橋。圖1(b)只在拉索端部施加時程激勵,模擬主梁-拉索的耦合振動。圖1(c)只在阻尼器端部施加時程激勵,由于在橋上阻尼器的安裝位置距拉索的橋面錨固端較近,拉索端部和阻尼器安裝端部的橋面振動相差較小。該文研究中不單獨考慮這種情況,而是直接按圖1(d)考慮,在拉索端部和阻尼器安裝端部同時施加x、y方向的位移時程激勵。

2 梁-索-阻尼器耦合振動建模

2.1 拉索基本參數(shù)

選取廈漳跨海大橋南汊主橋一根相對短索和北汊主橋一根相對長索為研究對象,拉索編號分別為S05與N18,其基本參數(shù)見表1。

圖1 常見梁-索-阻尼器耦合振動模型

表1 拉索的技術(shù)參數(shù)

拉索的橋面激勵在模型中用高斯白噪聲模擬。高斯白噪聲幅值服從高斯分布,功率譜密度服從均勻分布,可較好地模擬橋面的環(huán)境激勵。模擬橋面激勵的高斯白噪聲位移時程見圖2。

圖2 橋面激勵的高斯白噪聲位移時程曲線

2.2 拉索模型建立

采用有限元軟件ANSYS建立梁-索-阻尼器的耦合振動模型,模型中的拉索采用Link10單元模擬,Link10單元具有雙線性剛度矩陣特性及應力剛化、大變形功能,是軸向僅受拉或僅受壓桿單元。阻尼器系統(tǒng)采用Combin14單元模擬,Combin14是一個彈簧-阻尼器系統(tǒng)單元,具有彈簧常數(shù)K與阻尼系數(shù)C兩個實常數(shù)。

建立拉索模型,對拉索的兩端和阻尼器端部節(jié)點施加全約束,按傾角方向施加重力加速度模擬拉索斜度。先對系統(tǒng)進行靜力分析、模態(tài)分析,得出拉索的自振頻率;再對系統(tǒng)進行瞬態(tài)分析,按上述工況分別在拉索橋面端部輸入位移時程、拉索和阻尼器端部同時輸入位移時程,提取拉索不同位置的位移、速度、加速度時程曲線。2根拉索的信號采集點見圖3。

圖3 拉索采集點示意圖(單位:m)

數(shù)據(jù)采集點的布置首先考慮阻尼器的位置,短索的第一個測點布置在阻尼器位置,剩余測點依次向拉索中間布置至L/2;長索的第一個測點布置在橋面與阻尼器之間,第二個測點布置在阻尼器位置,剩余測點依次向拉索中間布置至L/2。

在有限元模型中分別采集以上各測點在白噪聲激勵下的位移、速度和加速度時程曲線。

3 梁-索-阻尼器耦合振動數(shù)據(jù)分析處理

3.1 信號降噪處理

在模型中施加模擬環(huán)境激勵的位移白噪聲時,采集的數(shù)據(jù)信號會受到很多高頻信號的干擾,以sym7小波基為降噪小波基,對采集的位移、速度和加速度信號進行降噪處理,通過降噪后與降噪前信號的信噪比和均方根誤差來判斷降噪效果。以S05號拉索在拉索與阻尼器端部同時輸入位移時程工況下P4點的速度信號為例,降噪效果見圖4。

通過對P4點位移、速度和加速度信號的降噪效果對比,發(fā)現(xiàn)P4點3種信號的降噪效果中,速度的降噪效果最好,位移的降噪效果次之,加速度的降噪效果較差。

3.2 阻尼器的減振效果

通過采集安裝外置阻尼器前后2根拉索的位移、速度和加速度信號并進行分析,對比外置阻尼器對長、短拉索的減振效果。

3.2.1 短索的減振效果

南汊主橋S05號拉索的P1點位于阻尼器位置[見圖3(a)],距橋面較近,本身的振幅很小,加之在阻尼器端部施加有位移時程激勵。因此,該點的減振效果不作對比。以拉索L/2點為例,繪圖說明在安裝外置阻尼器前后位移、速度和加速度時程的減振效果(見圖5)。其余P2、P3、P4點的外置阻尼器的減振效果不單獨列圖,直接用表格對比減振作用(見表2)。

圖5 S05號拉索L/2點的減振效果對比

表2 短索外置阻尼器減振效果對比

由圖5可看出:安裝外置阻尼器后,位移、速度和加速度的減振效果均很明顯。

由表2可看出:S05號拉索在安裝外置阻尼器后,3個數(shù)據(jù)采集點的位移減振幅值為51.91%～61.33%,速度減振幅值為55.14%～75.16%,加速度減振幅值為41.32%～66.55%,減振效果均很明顯。短索各采集點的3個參數(shù)的減振幅值隨采集點向L/2索長高度延伸無明顯變化。

3.2.2 長索的減振效果

北汊主橋的N18號拉索的第一個采集點P1′位于外置阻尼器與橋面的中點位置[見圖3(b)],此處振幅較小,且受拉索端部和阻尼器端部的位移時程激勵的影響。第二個采集點P2′位于阻尼器位置,受阻尼器端部施加的位移時程激勵的影響。因此,不對P1′、P2′點的采集信號作減振效果對比。P3′、P4′、P5′點的外置阻尼器位移、速度和加速度的減振效果見表3。

表3 長索外置阻尼器減振效果對比

由表3可看出:N18號拉索在安裝外置阻尼器后,3個數(shù)據(jù)采集點的位移減振幅值為12.53%～59.04%,速度減振幅值為20.92%～60.18%,加速度減振幅值為40.58%～62.07%。相對于短索,長索各采集點的3個參數(shù)的減振幅值隨采集點向L/2索長高度延伸均有不同程度的減小,其中位移減振幅值減小趨勢最明顯,速度減振幅值減小趨勢次之,加速度減振幅值減小趨勢最小。

4 結(jié)論

該文通過有限元軟件模擬單根拉索的梁-索-阻尼器耦合振動,按照斜拉索阻尼器的實際位置參數(shù)與阻尼器參數(shù),引入拉索與阻尼器端部實際存在的外界環(huán)境激勵,分析該種激勵下外置阻尼器對拉索的減振作用,主要結(jié)論如下:

(1)對于較短的S05拉索,在安裝外置阻尼器后,3個數(shù)據(jù)采集點的位移減振幅值為51.91%～61.33%,速度減振幅值為55.14%～75.16%,加速度減振幅值為41.32%～66.55%,減振效果明顯。

(2)對于較長的N18拉索,在安裝外置阻尼器后,3個數(shù)據(jù)采集點的位移減振幅值為12.53%～59.04%,速度減振幅值為20.92%～60.18%,加速度減振幅值為40.58%～62.07%。相對于短索,長索各采集點的3個參數(shù)的減振幅值隨采集點向L/2索長高度延伸均有不同程度的減小,其中位移減振幅值減小趨勢最明顯,其次為速度減振幅值減小趨勢,加速度減振幅值減小趨勢最小。

參考文獻:

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收稿日期:2015-11-10

基金項目:?重慶市科技人才計劃項目(cstc2014kjrc-qnrc30003)

中圖分類號:U441

文獻標志碼:A

文章編號:1671-2668(2016)02-0154-04