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1、索振动控制分析及工程中的应用摘 要:介绍了索在风荷载作用下的振动形式、振动控制策略以及应用于索振动控制的几种阻尼器的特点及工程应用。关键词:索振动控制 阻尼器在大跨度斜拉桥和悬吊索系等空间结构体系中,索是最重要的结构构件,它可以提供经济的结构设计和优美的建筑造型。然而随着结构跨度的不断增大,具有比较小的结构阻尼的柔性长索,在风荷载作用下会产生较大的变形和振动,在有些情况下,索的变形最大幅值可以达到1m左右[1]。长索振动容易产生索的疲劳破坏、锚固点处的次应力作用以及外保护层的脱落,并严重影响整个结构体系的安全,因此,进行长索振动控制显得越来越重要。
2、控制索振动的最简单的方法是按照一定的连接方案将多根索连接起来,使多根单独的索形成一个整体,或者在索上安装一些有效的阻尼装置。本文介绍了索在风荷载作用下的振动形式、振动控制策略以及应用于索振动控制的几种阻尼器的特点及工程应用情况。1 索的振动形式风荷载是大跨度斜拉桥和悬吊索系结构体系最重要的荷载之一,也是产生索振动的主要因素。在风荷载作用下,索的振动主要表现为横风向振动,有3种振动形式[2]:涡致振动、雨中振动、驰振。涡致振动是指在风荷载作用下,索两侧产生的交替涡流引起与风向垂直的索的振动。引起索的一阶模态的涡致振动的风速比较小,只有位于共振风速的某
3、一特定风速范围内,才会引起比较显著的涡致振动。当风速为6~18m/s、索的自振频率小于3Hz时容易产生索的雨中振动。驰振是一种失稳式振动,一旦发生,便剧烈振动。当多根索平行布置时,在比较小的风速下也容易发生索的驰振。引起索振动主要有以下5种因素[3]:1)在风荷载作用下发生的索的空气弹性失稳振动;2)在风荷载作用下,锚固塔的振动引起索的振动;3)大跨度结构在风荷载和移动荷载共同作用下产生的索的振动;4)索上有裹冰和结晶时,在风荷载作用下产生的索的振动;5)在雨中,索和风荷载相互作用产生的索的振动。2 索振动控制策略在大跨度斜拉桥和悬吊索系结构中,索
4、振动的分析和测量是比较复杂的,研究索的振动是为了避免结构产生共振。在结构建造和使用过程中,为了减小索的振动而采取的控制措施可以归结为4种方法[3],如图1所示。2•1 动力措施振动控制的动力措施是根据柔性耦合原理,通过在结构上安装附加质量达到控制振动的目的。此附加质量的质量特性在结构体系上可以忽略,这个附加质量连同其耦合单元一起被称为振动的动力阻尼器。属于索振动控制动力措施的阻尼器主要有Stockbridge阻尼器、油压阻尼器、粘滞阻尼器和HDR(High-DampingRubber)。2•2 结构措施结构措施主要表现为结构振动
5、能量的耗散,是在结构体系的振动过程中,考虑其单元、节点、支座等结构不同构件间接触面的干摩擦力的作用,通过摩擦力做功来耗散结构振动能量。2•3 建造措施建造措施是通过改变结构体系的计算模型,增加结构的抗弯、抗扭刚度等措施,从而改变结构的整体动力特性来达到控制索振动的目的。最典型的索振动控制建造措施就是将一系列索按照某种连接方案连接起来,从而使多根单独的索组成一个整体,通过索之间的相互牵制,能量在索之间的传递来达到控制索振动的目的。图2~图4分别表示了几座斜拉桥索振动控制的建造措施,取得了较好的控制效果。2•4 空气动力措施空气动力
6、措施是考虑风流经结构体系或结构构件时的阻尼作用。典型的空气动力措施如图5所示[2],通过改变索的外围形状增强风流经索时结构的阻尼作用,从而达到控制索振动的目的。3 几种索振动控制阻尼器及工程应用3•1 Stockbridge阻尼器[4]Stockbridge阻尼器是G•H•Stockbridge于1924年发明的,由一段两端安装有附加质量的钢索组成,如图6所示。它是索振动控制中最简单的动力阻尼措施。Stockbridge阻尼器表现为结构中的一个柔性单元(弹簧)作用,通过金属丝之间的摩擦和质量块的振动来耗散索振动能量。S
7、tockbridge阻尼器最早用于控制电力输电线在风荷载作用下的振动[5,6]中,近些年来,也先后应用于大跨度斜拉桥和悬吊索系结构中。图7为Stockbridge阻尼器在美国Are-cibo望远镜馈源支撑结构体系中的应用情况。由于安装了阻尼器,大大减小了索的振动幅值,达到了很好的控制效果。研究表明,如果阻尼器的机械阻抗和索的波传播阻抗相等,阻尼器所耗散的能量最大,并且阻尼器的有效性与其安装在索中的位置密切相关。Stockbridge阻尼器的缺点是:1)安装阻尼器后在索中会产生附加应力;2)阻尼器对结构的振动控制只限于一定的频率范围;3)易产生相邻索
8、间的振动碰撞;4)影响建筑美观。3•2 油压阻尼器和粘滞阻尼器油压阻尼器[7]主要是通过阻尼器中液体的压缩与膨胀
