土木工程索結(jié)構(gòu)減振控制方法綜述

劉理吾

摘要：索結(jié)構(gòu)作為斜拉橋與懸索橋等大跨徑橋梁的主要傳力結(jié)構(gòu)，在當(dāng)今交通基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)中發(fā)揮了重要作用。索結(jié)構(gòu)具有高長細(xì)比與低阻尼等動(dòng)力特性，極易在環(huán)境激勵(lì)或車輛荷載等激勵(lì)下發(fā)生大幅振動(dòng)，使得結(jié)構(gòu)容易出現(xiàn)疲勞破壞等問題，因此索結(jié)構(gòu)的減振問題一直是工程界的研究熱點(diǎn)。本文總結(jié)了近幾年索結(jié)構(gòu)減振控制方法及其組合在工程中的應(yīng)用，從減振控制原理、減振控制具體作用方式及減振方法主要使用場景3個(gè)方面分析了各減振控制方法在理論研究及實(shí)際工程應(yīng)用中的發(fā)展現(xiàn)狀，并針對(duì)各減振方法的優(yōu)劣性及逆行了對(duì)比，得出的結(jié)論對(duì)于實(shí)際工程中減振方法的選取具有一定的指導(dǎo)作用。

關(guān)鍵詞：土木工程索結(jié)構(gòu)減振控制阻尼器輔助索空氣動(dòng)力學(xué)

中圖分類號(hào)：U445.7???????????????????????? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Summary of Vibration Control Methods for Cable Structures in Civil Engineering

LIU Liwu

（ Hunan Huda Civil Engineering Inspection Co.， Ltd.， Changsha， Hunan Province， 430056China）

Abstract： As the main force-transmitting structure of long-span bridges such as cable-stayed bridges and suspension bridges， cable structures play an important role in the construction of today's transportation infrastructure. The cable structure has dynamic characteristics such as high slenderness ratio and low damping， and it is very easy to vibrate greatly under the excitation of environmental excitation or vehicle load， which makes the structure prone to fatigue damage and other problems. Research hotspots. This paper summarizes the application of vibration reduction control methods and their combinations for cable structures in engineering in recent years， and analyzes the vibration reduction control methods from three aspects： vibration reduction control principle， specific action mode of vibration reduction control， and main application scenarios of vibration reduction methods. The development status in theoretical research and practical engineering application， and the advantages and disadvantages of each vibration reduction method and the retrograde comparison are compared.

Key Words： Civil Engineering; Cable Structures; Vibration Control; Dampers; Auxiliary Cables; Aerodynamics

隨著國家在交通基礎(chǔ)設(shè)施上的投入不斷增大，斜拉橋與懸索橋等大跨徑橋型逐漸得到了廣泛應(yīng)用[1-3]。作為大跨徑橋梁的主要傳力機(jī)構(gòu)，索結(jié)構(gòu)在如今交通建設(shè)中正在發(fā)揮著極其重要的作用。索結(jié)構(gòu)以承受拉力為主，具有高長細(xì)比與低阻尼等動(dòng)力特性，極易在環(huán)境激勵(lì)或車輛荷載等激勵(lì)下發(fā)生大幅振動(dòng)，產(chǎn)生疲勞損傷甚至斷裂等實(shí)際工程問題[4-6]。如何限制索結(jié)構(gòu)的大幅振動(dòng)問題，是如今工程界研究的熱點(diǎn)之一。下文就土木工程索結(jié)構(gòu)減振控制方法進(jìn)行探討。

1 減振控制原理分析

索結(jié)構(gòu)具有低阻尼的特性，使得索結(jié)構(gòu)極易在環(huán)境激勵(lì)或車輛荷載激勵(lì)下產(chǎn)生大幅振動(dòng)，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)出現(xiàn)疲勞損傷，對(duì)橋梁的正常運(yùn)營與安全施工產(chǎn)生不利影響。因此，索結(jié)構(gòu)減振問題的一個(gè)基本出發(fā)點(diǎn)是提高索結(jié)構(gòu)的阻尼特性，降低環(huán)境激勵(lì)或車輛荷載激勵(lì)下索結(jié)構(gòu)的大幅振動(dòng)，同時(shí)也有研究人員通過研究風(fēng)雨荷載對(duì)索結(jié)構(gòu)的作用機(jī)理提出一些限制水線形成的措施，以降低風(fēng)雨荷載對(duì)索結(jié)構(gòu)的影響。目前工程中常用的方法如下。（1）在索結(jié)構(gòu)上設(shè)置端部阻尼器。（2）在主索之間設(shè)置輔助索。（3）空氣動(dòng)力學(xué)措施。方法一：通過設(shè)置端部阻尼器，一方面可以消減外部激勵(lì)輸入的能量，另一方面可提高索結(jié)構(gòu)的阻尼特性（提高模態(tài)阻尼比且增大結(jié)構(gòu)自振頻率）。方法二：通過在主索之間設(shè)置輔助索，提高結(jié)構(gòu)整體剛度，使得結(jié)構(gòu)不易在外部激勵(lì)下產(chǎn)生大幅振動(dòng)。方法三：通過改變結(jié)構(gòu)表面形式，限制結(jié)構(gòu)表面水線的形成，大大降低風(fēng)雨荷載對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。

總體來說，目前的減振方法主要可分為兩類：（1）采用阻尼器與輔助索等外部措施，提高結(jié)構(gòu)的剛度與阻尼特性，增大系統(tǒng)消減外部輸入能量的能力，進(jìn)而降低疲勞損傷;（2）改變結(jié)構(gòu)表面形式，使得結(jié)構(gòu)表面不易形成“雨線”，降低外部激勵(lì)的作用。

2 減振控制研究方法

2.1 阻尼器振動(dòng)控制研究

該方法通過在索結(jié)構(gòu)端部設(shè)置阻尼器，提高結(jié)構(gòu)的整體剛度與阻尼特性，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)耗散外部輸入能量的能力。此方面的研究有較多[7-9]，例如，汪峰等[8]研究了粘滯阻尼器作用下結(jié)構(gòu)的阻尼特性。近期同濟(jì)大學(xué)孫利民等[9]研究了拉索-雙阻尼器系統(tǒng)的動(dòng)力特性。研究中首先根據(jù)阻尼器的作用類型（如粘滯阻尼器與高阻尼橡膠阻尼器等不同類型阻尼器的作用機(jī)理存在較大的不同）將其簡化成相應(yīng)的力學(xué)模型，然后采用結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)方法或者有限元等方法，建立相應(yīng)的索結(jié)構(gòu)-阻尼器系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，進(jìn)而分析結(jié)構(gòu)的阻尼特性，最后根據(jù)分析結(jié)果對(duì)實(shí)際工程提出一些可行的建議。根據(jù)阻尼器個(gè)數(shù)的不同，目前已經(jīng)構(gòu)建了諸如拉索-單阻尼器系統(tǒng)[6]、拉索-雙阻尼器系統(tǒng)[7]與拉索-多阻尼器系統(tǒng)[8]等多個(gè)力學(xué)模型。上述研究中阻尼器的類型又可分為粘滯阻尼器或者高阻尼橡膠阻尼器等多種作用機(jī)理不同的阻尼器，由此形成了較為完善的阻尼器減振控制研究。

總體來說，阻尼器減振控制方法是較為常用的減振手段，由此形成的多個(gè)索結(jié)構(gòu)-阻尼器力學(xué)模型的動(dòng)力特性研究也已趨于完善。但是，由于阻尼器一般僅能被設(shè)置于結(jié)構(gòu)端部很小的區(qū)域內(nèi)，而該部分區(qū)域?qū)τ诮Y(jié)構(gòu)整體動(dòng)力特性的影響非常有限，因此如何提高阻尼器減振控制方法的作用將是一個(gè)重要的研究方向。

2.2 輔助索振動(dòng)控制研究

此種減振措施通過將相鄰兩根或多根主索進(jìn)行連接形成索網(wǎng)結(jié)構(gòu)，提高原始單索結(jié)構(gòu)的剛度，使得結(jié)構(gòu)不易在環(huán)境激勵(lì)下產(chǎn)生共振。關(guān)于輔助索減振的研究有很多[10-13]，例如，高云峰等人[10]研究了輔助索于阻尼器同時(shí)作用下的系統(tǒng)阻尼特性;趙洋等人[11]研究了輔助索對(duì)H形吊桿的抖振控制作用，研究首先根據(jù)輔助索的作用類型（如鋼絲繩、尼龍繩或形狀記憶合金等不同材質(zhì)的輔助索類型）將其簡化成相應(yīng)的力學(xué)模型，然后采用結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)方法或者有限元方法，建立不同類型索網(wǎng)結(jié)構(gòu)的力學(xué)模型，最后根據(jù)分析結(jié)果對(duì)實(shí)際工程提出一些可行的建議。根據(jù)輔助索作用機(jī)制的不同，該部分的研究對(duì)象大致涉及雙索-單輔助索、雙索-多輔助索、多索-單輔助索及多索-多輔助索等力學(xué)模型。

在主索之間設(shè)置輔助索可大大提高原始單索結(jié)構(gòu)的剛度，但這同時(shí)也增加了結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度。因此目前的研究主要還是集中于索結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性研究，對(duì)于索網(wǎng)結(jié)構(gòu)的索力測試問題還是一個(gè)較為薄弱的研究方向。

2.3 空氣動(dòng)力學(xué)措施振動(dòng)控制研究

空氣動(dòng)力學(xué)減振方法從索結(jié)構(gòu)大幅振動(dòng)產(chǎn)生機(jī)理出發(fā)，通過改變索結(jié)構(gòu)表面粗糙程度或橫截面形狀來破壞水線在結(jié)構(gòu)表面的形成和振蕩，如在結(jié)構(gòu)表面纏繞螺旋線、增加凹坑或縱向肋條等，從而達(dá)到減振的效果[14-18]。國內(nèi)外關(guān)于此方法的研究較多，例如，畢繼紅等[14]研究了帶有縱向肋條斜拉索的風(fēng)雨激振減振機(jī)理研究，結(jié)果表面結(jié)構(gòu)表面縱向肋條的存在可在一定程度上減小了水線的厚度從而達(dá)到一定的減振效果;李錦華等[15]研究了雨滴沖擊荷載對(duì)斜拉索的作用，并針對(duì)限制風(fēng)雨激振提出了一些可行的建議;劉小兵等[16]在其研究中提出了一種新的斜拉索風(fēng)雨激振試驗(yàn)裝置;余維光[17]開展了考慮雨水沖擊的斜拉索風(fēng)雨激振研究;關(guān)健[18]開展了斜拉索風(fēng)雨激振理論模型及參數(shù)化分析研究。

總而言之，該方法具有造價(jià)低、易于維護(hù)的優(yōu)點(diǎn)，在國內(nèi)外很多斜拉橋上得到應(yīng)用。但由于風(fēng)雨激振需要考慮的影響因素較多，如何精確的分析風(fēng)雨激振作用依然是一個(gè)難點(diǎn)。

3 現(xiàn)有減振方法優(yōu)劣性分析

本文整理了目前常用的索結(jié)構(gòu)減振措施，各方法優(yōu)劣如下。

（1）阻尼器減振措施。在結(jié)構(gòu)端部安裝阻尼器，可以提高結(jié)構(gòu)的整體剛度與阻尼特性，且操作起來較為方便，便于工程應(yīng)用。但由于阻尼器安裝位置一般被限制在結(jié)構(gòu)端部區(qū)域，在一定程度上限制了阻尼器發(fā)揮更大的作用。

（2）輔助索減振措施。在主索之間設(shè)置輔助索形成索網(wǎng)結(jié)構(gòu)，可同時(shí)提高相鄰主索的剛度，使得結(jié)構(gòu)不易在環(huán)境激勵(lì)下產(chǎn)生大幅振動(dòng)。該方法易操作且易于維護(hù)，但輔助索的存在使得原始單索結(jié)構(gòu)變得較為復(fù)雜，關(guān)于該復(fù)雜力學(xué)模型索力測試問題的研究還較少。

（3）空氣動(dòng)力學(xué)措施。通過改變結(jié)構(gòu)表面粗糙程度或橫截面形狀等措施來限制水線的形成，從而降低風(fēng)雨激振對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。該方法造價(jià)低且易于維護(hù)，但是實(shí)際工程中研究風(fēng)雨激振需要考慮的因素較多，因此如何精確地分析風(fēng)雨激振依然是一個(gè)難點(diǎn)。

4 結(jié)語

隨著交通運(yùn)輸業(yè)的發(fā)展，斜拉橋與懸索橋等大跨徑橋梁得以廣泛應(yīng)用。顯而易見，兩種橋型的發(fā)展對(duì)索結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能提出了更高的要求，尤其是對(duì)減振技術(shù)提出了較高的要求。關(guān)于索結(jié)構(gòu)減振控制方法的研究較多，目前已經(jīng)形成了在結(jié)構(gòu)端部設(shè)置阻尼器、在主索之間設(shè)置輔助索以及改變結(jié)構(gòu)表面形式等多種減振方法。本文針對(duì)3種方法的作用機(jī)理及優(yōu)劣性進(jìn)行了簡單的闡述，具體結(jié)論如下。

（1）阻尼器減振措施具有較好的減振效果，但由于其一般僅被設(shè)置在結(jié)構(gòu)端部，大大限制了阻尼器在長索結(jié)構(gòu)中的減振作用，對(duì)于中短索具有較好的效果。

（2）輔助索通過將相鄰主索連接形成索網(wǎng)結(jié)構(gòu)，提高原始單索結(jié)構(gòu)的剛度，在中長索中均具有較好的適用性。

（3）空氣動(dòng)力學(xué)措施通過改變結(jié)構(gòu)表面形式來限制風(fēng)雨激振對(duì)結(jié)構(gòu)的作用，在各種索中均具有一定的適用性。

（4）實(shí)際工程中，選取具體的減振措施時(shí)，可定性建立結(jié)構(gòu)系統(tǒng)模型，以系統(tǒng)的最優(yōu)阻尼比或最大自振頻率等作為判定指標(biāo)，并通過遺傳算法與粒子群算法等智能算法來合理選取某一種減振方法或多種控制方法組合作用的手段。

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