斜拉索那点事儿(五)——斜拉索的减振

斜拉索那点事儿(五)——斜拉索的减振的图1

拉索振动的危害


       振动会影响拉索的使用性能,缩短拉索的使用寿命。

  •  引发疲劳:在风的激励下,拉索的振动会在斜拉索锚固部位产生超过设计值的弯曲疲劳应力,使拉索较快地达到疲劳极限。

  • 应力腐蚀:斜拉索的振动会加速斜拉索的锈蚀。委内瑞拉马拉开波桥就是由于应力腐蚀而突然断裂。

减震目标

        采取减振措施使拉索振动限制在可以接受的范围内,需要一个控制目标。以理论为依托,从经济与可行性的角度出发,形成了现在较为大家接受的控制目标:

  • 容许振幅=拉索直径,或容许振幅=L/1700~3000,式中L为拉索长度,即采取减振措施后,拉索的最大振幅不大于两者的最大值。

  • 拉索的阻尼:应大于3%,增加拉索的结构阻尼,使拉索难以起振或使振动尽快地停止下来。

  • 拉索的受控振型<3Hz的振型。因为拉索的频率大于3Hz后,风的激励将不容易使拉索发生有害振动。


减    振   

  措   施

1
辅助索减振

      辅助索制振是采取辅助索将多根斜拉索横向连接起来,或者用连接器将相互并列的两根索连接起来,达到抑制拉索振动的目的。例如发过诺曼底大桥——

诺曼底大桥

斜拉索那点事儿(五)——斜拉索的减振的图2

斜拉索那点事儿(五)——斜拉索的减振的图3

法国诺曼底大桥

斜拉索那点事儿(五)——斜拉索的减振的图4

辅助索制振主要从改变拉索刚度、阻尼、频率方面来改变拉索体系的性能。

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质量效果

       辅助缆索将拉索连接后,各拉索将不能单独振动,任何一阶振型的振动都会是每根拉索或多或少的发生振动。如果仅仅在部分拉索作用动态空气力或自激振动力,由于辅助索的连接,相对质量变大,也就意味着相对外力变小,即可抑制振动

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阻尼效果

       当辅助索和拉索的连接非常牢固时,辅助索中会产生很大的内力和应变,由于滞回能量的耗散,拉索——辅助索体系的阻尼可以提高。但应注意辅助索的材料、拉伸刚度、配置形式、振型将会影响阻尼值的大小。

3

频率效果

辅助索可以增加拉索面内刚度,并可使得主索低阶频率提高,但仅用一根辅助索时频率的增大效果很有限的。

采用辅助索尚有以下问题需要注意:

1

      少数的辅助索并不能使频率有很大的提高,即使有提高,如果不涉及涡激共振,风雨振的减振效果也不理想。因为根据观测的实桥资料,雨振多发生在3Hz以下的拉索上,如果采用辅助索使长索的频率提高到3Hz以上,这样会带来很多问题。

2

     振动时辅助索要受到很大的力,这就意味着辅助索本身和辅助索与拉索的连接处要受到很大的力,由此引起的辅助索的疲劳、拉索连接处PE管的损伤以及连接处的松弛等问题要特别引起注意。

3

      抗风连接器和拉索的连接方式可分为铰接和刚接两种。采用铰接时,在拉索微幅振动情况下,连接器的设置基本上不引起体系动力特性的改变,如果不在连接器中加人高阻尼的机构,则减振效果不明显;当振动幅值大于拉索直径时,连接器和上风向侧的拉索祸合振动,但由此产生的质量效果、气流变化带来的激振力变化尚不明了。当采用刚接时,必须考虑操作时不得损伤拉索的PE管套,并注意连接器中相当大的初始应力产生的疲劳间题。

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三根以上平行拉索的连接器形成了空间析架结构,连接器的设置可使拉索的振动分为拉索体系的振动和次生跨度拉索的振动两种。由于质量效果和气动效果的相互配合不会再出现由尾流引起的整体扭转振动,可以完全防止下流侧拉索的风振。而次生跨度内的拉索尾流振动则可用增加连接器的数量将振动控制在微小振幅的范围之内。

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       目前,还没有很好的辅助缆索伸缩阻尼计算模式,需要进一步的研究,以便较高精度地计算阻尼值,从而分析减振效果。多个连接器布置时,连接器的间距对制振效果的影响目前也没有定论,尚需进一步研究。辅助索法减振,目前的设计、施工多依照经验,由此发生了不少断索的事故。辅助索对

拉索系统景观的影响以及安装费用高都是需要考虑的因素。


2
阻尼器减振

       拉索风致振动需满足两个条件:其一是频率吻合;其二是外界提供充足的能量口只有当风产生的激励力提供的能量大于拉索振动所需的初始势能,并满足拉索在振动过程中拉索自身结构阻尼所消耗的能量时才能产生风振。因此,只需将拉索自身的结构阻尼增加到某种程度就可使拉索不具备起振条件,从而能从根本上解决拉索的振动问题。

    在拉索的适当部位(通常是在拉索锚固端附近)安装各种形式的阻尼器,可以提高拉索的模态阻尼来耗散拉索的振动能量。阻尼器方法是一种“广泛的”减振措施,对各种拉索振动都有良好的减振效果。

根据材料不同可分为:

高阻尼橡胶减振器

油阻尼器

黏性剪切型阻尼器

MR智能阻尼器(磁流变阻尼器)

摩擦阻尼器

High Damping Rubber Damper

高阻尼橡胶阻尼器

高阻尼橡胶阻尼器利用橡胶和拉索之间的摩擦以及橡胶自身的剪切变形私滞阻尼耗能。高阻尼橡胶既具有弹性固体性质,又表现出黏性流体特性。弹性固体在外力作用下发生弹性变形,产生势能而不耗散能量,黏性流体在外力作用下发生不可逆薪性流动,产生热能而耗散能量。由于粘弹性材料兼具二者特性,所以在工程中应用广泛。

斜拉索那点事儿(五)——斜拉索的减振的图5

南浦大桥高阻尼减震

高阻尼橡胶阻尼器有以下特点:

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 01 
由于高阻尼橡胶材料可以放置在斜拉桥的拉索与拉索套管之间,故完全不为行人所见,因而有较好的美观效果
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 02 
高阻尼橡胶材料结构简单,易于安装,无论是新建桥梁还是已建桥梁,都比较容易安装。
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 03
各个方向的振动均有效,可以根据拉索的尺寸确定阻尼器尺寸,可以获得最佳的对数衰减。
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 04 
阻尼器的工作性能可以通过改变高阻尼橡胶的成分减小阻尼器工作性能受温度影响的程度。阻尼器最佳弹性刚度值不随振动模态的变化而变化。

尽管高阻尼橡胶圈有很多优点组你去是可以提供的减震效果是有限的。目前采用高阻尼橡胶圈和其他阻尼器联合使用应用越来越广泛。

Oil Damper 油阻尼器

    油阻尼器的构造特点是在活塞上开孔,根据孔洞的大小决定通过活塞的油量,从而确定其提供的阻尼力。油阻尼器的刚度一般很小,可不予考虑,阻尼系数与温度无关。油阻尼器其机械构造复杂,对于微小的振动不敏感,其安装调节比较麻烦。油阻尼器阻尼介质为液体,易发生漏油或渗油现象,维修费用较高。

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斜拉索那点事儿(五)——斜拉索的减振的图11

斜拉索那点事儿(五)——斜拉索的减振的图12
斜拉索那点事儿(五)——斜拉索的减振的图13 斜拉索那点事儿(五)——斜拉索的减振的图14
   最初的阻尼器多采用汽车减震器,由于车用减震器为油压式,只能提供轴向阻尼力,为了控制斜拉索的椭圆形振动,一般一根拉索需要采用两个油阻尼器来控制拉索的面内和面外振动。日本首次在荒津大桥上安装了油阻尼器,为了考虑桥梁的整体美观而把油阻尼器安装在护栏高度以下,国内在长江二桥和钱塘江三桥上首次开始使用。

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日本荒津大桥

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南京长江二桥

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钱塘江三桥

Viscous Shear Damper 黏性剪切型阻尼器

    黏性剪切阻尼器是利用黏性材料的剪切变形产生的抵抗力来抑制拉索的振动。一个黏性剪切阻尼器可同时控制拉索面内、面外两个方向的振动,并可追随拉索的轴向运动带来的阻尼器安装位置的变化。

斜拉索那点事儿(五)——斜拉索的减振的图18


其构造特点为由阻尼器内插板的运动使黏性材料产生剪切变形,从而将拉索的针对能量传给黏性材料。黏性剪切型阻尼器构造简单,机械加工简单,可通过调节内插板的面积和黏性材料的注入量很容易地得到所需的黏性阻尼系数。黏性材料多为高分子化合物,其性能将决定黏性剪切型阻尼器的使用效果。由于黏性材料的阻尼器特性和刚度特性对温度的敏感性很高,因此黏性剪切型阻尼器的减震效果受温度的影响比较大。


    黏性剪切型阻尼器最早是由日本开发研制出的,已在日本的幸魂大桥、青森港桥等。我国已在鄂黄长江大桥、荆沙长江大桥、碧山大桥


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日本

幸魂大桥



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日本

青森港桥



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鄂黄长江大桥


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荆沙长江大桥



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军山长江大桥



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白沙洲长江大桥



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招宝山大桥



(正文内容未完,下期继续~!)

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