洞庭湖大桥拉索风雨振控制新技术
伏晓宁
（岳阳洞庭湖大桥管理局 岳阳市414000）
摘 要：随着大跨径斜拉桥的不断建设，斜拉索的减振特别是风雨振的控制已成为该类桥梁急需解决的关键问题之一。岳阳洞庭湖大桥建成通车后已发生多次强烈风雨振，在对应用磁流变智能阻尼减振技术控制风雨振研究的基础上，全面评估了该技术控制拉索振动的实际效果，证明该阻尼器是拉索风雨振控制的有效手段。岳阳洞庭湖大桥全桥安装磁流变阻尼器后，加速度响应降低为原加速度的1／20～1／30。
关键词：洞庭湖大桥；斜拉桥；风雨振；振动控制；磁流变阻尼器
0、前言
大跨径斜拉桥的拉索具有很小的刚度和阻尼，拉索往往具有很低的固有频率和极低的模态阻尼比，在外部激励下极易发生意想不到的大幅振动。特别是在风雨气候条件下拉索发生的所谓风雨振现象，引发的振幅最大达到拉索直径的3～4倍，在世界各国的许多大桥上都出现过。目前，拉索的大幅振动已成为斜拉桥亟待研究解决的关键问题之一［1，2，
3]。
洞庭湖大桥总长 5 747.82 m。主桥为三塔不等高（130 m＋310 m＋310 m＋130 m）的 4跨连续漂浮体系预应力混凝土斜拉桥。由于大桥处于洞庭湖与长江接口处的特殊地理环境，风力较大，风雨共现时间长，主导风向与桥轴线交角为50º～90º，加之拉索具有的
光滑表面，具备发生风雨振的条件。大桥建成通车至今已发生多次较强烈的风雨振，最严重时单边振幅超过 40 cm，严重影响了大桥的安全运营和拉索的使用寿命，必须采取拉索减振措施。
对斜拉索风雨振的减振国内外有多种减振技术［4，5，8］，如采用辅助索、粘性阻尼器、振动吸收器、缠绕螺旋状PVC肋或制造凹坑等多种方法。目前常用的方法是在拉索上安装阻尼器，利用阻尼器增加拉索的模态阻尼比，以达到减振的目的。但这些被动阻尼器的最大缺点就是不能随振动大小调节阻尼力，有些受环境条件影响大，难以达到理想的减振效果。近年来，一种新型智能阻尼器——磁流变阻尼器（Magneto－Rheological（MR）damper）已开始用于振动控制［5,6] 。应用磁流变阻尼器进行拉索减振，具有许多优点，它既不受环境温度的影响，又能够调节输入电压，可以使每根拉索处于最优阻尼状态下工作，取得最佳减振效果。结合洞庭湖大桥应用磁流变阻尼器控制拉索振动的多次试验和运行效果，简要介绍试验研究情况及该技术的实际应用。
1、磁流变阻尼器的智能减振原理
磁流变阻尼器是以智能材料（磁流变体）制成的可调参数阻尼器。两相磁流变体是一种可控液体，它是用不导电的母液和均匀散布在其中的固体磁性颗粒制成的悬浮液。在磁场作用下，磁流变体中的固体颗粒会形成一束束纤维状的链，横架于磁场的两极之间。随着电压的增大，磁流变体逐渐由液体变为半固体，其剪切屈服应力也随之增大。通过调节磁流变阻尼器输入电压能够改变该阻尼器的特性参数。洞庭湖大桥采用美国LORD公司生产的RD—1005型磁流变阻尼器，该磁流变阻尼器的结构如图1所示，其阻尼力可表达为：
fc=fysng(xc)Cxc+f0
式中：fy为阻尼器模型的屈服力；sgn（·）为符号函数；xc为安装阻尼器处拉索沿阻尼器方向的运动速度；C为阻尼器模型的阻尼系数；f0为阻尼器模型的偏差量。
当拉索的参数和外部激励改变时，通过施加给调节磁流变阻尼器的输入电压，可以将全桥每根拉索的阻尼力调到合适的大小，保证每根拉索具有较大的模态阻尼比。
2、拉索振动控制试验
2.1阻尼器性能评估现场试验
应用磁流变阻尼器进行拉索振动控制，必须充分利用该阻尼器的可变阻尼特性进行智能控制，达到最佳的减振效果。在洞庭湖大桥All、B16、B15拉索上进行磁流变阻尼器的可变阻尼特性及振动控制能力试验，让拉索系统在人工激励下以某阶模态频率振动，当拉索振动稳定后撤去激励使其自由衰减，采用对数衰减法求得各阶模态阻尼比。因磁流变阻尼器和拉索具有非线性特性，故分析时统一采用前20s自由振动衰减信号，求得系统在该电压下的等效模态阻尼比。
在All索上安装了2个RD—1005型磁流变阻尼器，安装位置为 0.037 L（L为拉索长度），阻尼器夹角均为75º。在B15索上只布置1个磁流变阻尼器，安装位置为0.02 L，
试验布置见图 2，拉索的参数见表1。
试验时阻尼器由 1台满量程30 V的直流电源供电，并设计安装了1套激振装置，该装置由变频器、电机、减速器、偏心轮、脱钩装置和力传感器组成。
在拉索上安装了面内、面外加速度传感器测量振动信号，在阻尼器上安装了位移计测量阻尼器的位移。信号放大、采集采用东华5935／5936振动测试仪器，并由电脑完成现场数据采集、存储与分析。测量原理为：调节施加给阻尼器的电压到某值，通过变频器调节激振器频率达到某阶模态共振频率附近，使拉索做稳态正弦振动，待信号平稳后将连接激振器与拉索的钢丝绳松脱，使拉索做自由衰减振动，重复上述步骤完成不同电压下前三阶模态的阻尼比测试，每种情况重复7次，通过拟合方法求得每次的等效模态阻尼比，再通过算术平均求得该电压下的平均等效模态阻尼比。
采用二阶模态频率激振时A11索安装阻尼器前后所得的衰减信号如图3。从图中看出在安装阻尼器后，系统的模态阻尼比大大提高。
图4（1）给出了拉索All前三阶模态阻尼比随电压变化的试验结果。在无阻尼器情况下，All索的前三阶模态阻尼比分别为0.187％、0.182％和0.17％（有些文献采用对数衰减率表示，它等于模态阻尼比的2π倍）。从图中可看出，当阻尼器输入电压变化时，拉索系统的各阶模态能获得可变的模态阻尼比，与无阻尼器相比，安装阻尼器后拉索系统模态阻尼比增大了3～6倍；每价模态存在一个优化电压值，在该电压下，该阶模态阻尼比达到最大。
图4（2）为B15索前三阶模态阻尼比随电压变化的试验结果。无阻尼器时B15索的前三阶模态阻尼比分别为0.095％、0.071％和0.058％。安装阻尼器后，拉索系统的模态阻尼比有了较大的提高。从该图还可看出，随着阻尼器输入电压的增大，拉索系统的前三阶模态阻尼比也相应增大，并没有出现A11索那样的优化电压点，这说明对于B15索，因为该拉索较长、质量大及安装位置较低，采用单阻尼器不能提供足够的阻尼力来保证拉索获得最佳模态阻尼比。
2.2 风雨振时现场观测试验
为了检验实际风雨振时磁流变阻尼器的减振效果，在洞庭湖大桥建立了如图5所示的风雨振观测系统。如在A10、A11、A12等3根拉索上布置了加速度传感器测量风雨振时拉索的响应，加速度传感器均安装在拉索距下端 L/6处，A10及 A12索外径与A11索相同，均为 119 mm，长度分别为 107.662m、121.906 m。其中A11索安装了 2个磁流变阻尼器（安装高度及方式与前述试验相同），用于对比评估磁流变阻尼器的减振效果。2001年5月26日，在阵风5级、中等降雨的气候条件下，该桥发生了风雨振。同时测得的A10、A11索距下端部L／6处的加速度响应如图6（图中虚线代表A10索，实线为A11索，A12索的响应与A10索基本相同，故从略）。从图可知，有阻尼器时的加速度响应比无阻尼器时衰减了20～30倍。风雨振时磁流变阻尼器为未施加电压，由图4可知，当施加电压为零时拉索的前三阶模态阻尼比为0.4％～0.5％，但未达到最大的模态阻尼比。由加速度响应得到的功率谱密度如图7，由图可见，风雨振时A10索基本以单一模态振动，振动频率为 2.24 Hz，相当于拉索的第二阶模态频率；而对于安装了阻尼器的A11索，其功率谱密度相对下降了4个数量级，并存在多个振动频率，不再按单一模态振动，这是因为阻尼器增大了拉索系统的模态阻尼比，避免了单一模态产生共振。
3、工程用与效果
通过大量的理论和试验研究，证明磁流变阻尼器对斜拉桥拉索振动控制具有良好的效果，能够很好地控制洞庭湖大桥强烈、频繁的风雨振。因此对全桥222根拉索中的156根拉索（除0～5号索外）全部安装RD—1005型磁流变阻尼器减振系统。现场试验测得各拉索最优减振效果时磁流变阻尼器的输入电压如表2。减振系统采用自动控制，平时系统不供电，这时磁流变阻尼器起被动阻尼器作用，控制拉索的小幅振动；当风力达到5级以上并伴有中等降雨天气时测减振系统自动接通电源，磁流变阻尼器在优化电压下工作，控制拉索的大幅振动。减振系统安装后经春夏两季强风暴雨共现的检验，全桥拉索无振动现
象，振动频率符合设计要求。
4、结论
应用磁流变阻尼器的可变阻尼特性进行拉索风雨振控制，是一项拉索振动控制新技术，具有许多优点。现场试验研究表明磁流变阻尼器能使拉索系统模态阻尼比提高3～6倍，根据实际风雨振时的实测数据，安装磁流变阻尼器后加速度响应降低为原加速度的1／20～1／30，显示了该阻尼器良好的减振效果，充分证明了磁流变阻尼器是拉索减振的有效手段。洞庭湖大桥拉索减振新技术的应用，收到了良好的经济效益和社会效益。
参考文献：
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[7] 王修勇，何旭辉，陈政清．斜拉索一阻尼器系统的动力特性分析．长沙铁道学院学报，2001（4）．
[8] 王修勇，陈政清．确定斜拉索减振阻尼器优化参数的一种方法．振动与冲击，2002（1）。
