收稿日期:2005-04-18基金项目:教育部高等学校博士学科点专项科研基金资助项目(20020247019);上海市科委科技攻关计划产学研配套项目资助(036511002);苏通长江公路大桥科研基金资助项目作者简介:周海俊(1977-),男,浙江永嘉人,博士生.E-mail:haijunzhou77@163.com
摩擦型阻尼器的斜拉索减振试验研究周海俊,孙利民,时 晨(同济大学土木工程防灾国家重点实验室,上海 200092)摘要:通过人工激振后测自由振动衰减,得到了拉索-摩擦型阻尼器系统的对数衰减率.试验结果表明,安装摩擦型阻尼器后拉索阻尼有了很大的提高;试验测得的对数衰减率值与拉索的最大振幅及模态均相关;实测所得到的对数衰减率-振幅及模态关系和Main提出的理论计算结果,在拉索所能获得的对数衰减率最大值及对数衰减率值随振幅及模态的变化趋势相吻合,然而在振幅的幅值对应上存在较大的差异;对于非线性较强的摩擦型阻尼器,Main提出的理论仍需进行修正方能在阻尼器优化设计中应用.
关键词:斜拉索实索;减振;摩擦型阻尼器;阻尼中图分类号:TU973+.31 文献标识码:A 文章编号:0253-374X(2006)07-0864-05
AFull-ScaleExperimentalStudyonCableVibrationMitigationwithFrictionDamper
ZHOUHaijun,SUNLimin,SHIChen(StateKeyLaboratoryforDisasterReductioninCivilEngineering,TongjiUniversity,Shanghai200092,China)
Abstract:Afull-scalefreevibrationtestofstaycablewithattachedfrictiondampernearcableanchor-agewascarriedout.Thelogarithmicdecrementofthecable-dampersystemwasmeasured.Experi-mentresultsshowthatthelogarithmicdecrementofthecable-dampersystemcanbegreatlyincreasedwhencomparedtothefreecable.Themeasuredlogarithmicdecrementvarieswithcablevibrationmodenumberandamplitude.Themaximumattainablelogarithmicdecrementmeasuredfromtheex-perimentisthesameastheanalyticalresult;andthechangingtrendoflogarithmicdecrementwitham-plitudeandmodenumberofcablevibrationisalsoconsistentwiththeanalyticalresults.Ontheotherhand,thefrequencydifferencewasalsofoundbetweentheexperimentalresultsandtheanalyticalre-sults,whichindicatesthattheanalyticalmethodproposedbywainshouldberevisedforoptimumde-signofstronglynonlineardamper,suchasthefrictiondamper.Keywords:full-scalecable;vibrationmitigation;frictiondamper;damping
随着桥梁科学技术的发展和越江跨海工程的建设,超大跨度桥梁不断涌现.我国在继南京长江二桥(628m)后,已动工兴建了超过千米的斜拉桥,如香港昂船洲大桥(1018m),苏通大桥(1088m).桥梁
第34卷第7期2006年7月同济大学学报(自然科学版)JOURNALOFTONGJIUNIVERSITY(NATURALSCIENCE)Vol.34No.7 Jul.2006跨度大幅度增大带来的主要问题是结构刚度的下降.作为斜拉桥三大组成构件之一的斜拉索,由于自重小、柔度大、阻尼小,在风或支撑端运动的激励下,会发生强烈的横向振动.对于大跨度斜拉桥,斜拉索的振动控制已经成为斜拉桥建造中必须考虑解决的关键问题之一[1].工程技术人员已尝试着在一些桥梁拉索上安装各种振动控制装置,其中阻尼装置减振措施是最为广泛应用的减振措施之一.大部分阻尼装置采用流体粘滞力耗能,如油阻尼器[2]、粘性剪切型阻尼器等[3];Sun[4]对这类阻尼器进行了实索减振试验研究,确认了它们的减振效果.这类阻尼器由于阻尼介质为液体,存在容易漏油等维护保养问题[5].近年来,一些研究人员针对流体阻尼器的上述缺点开发了新型的摩擦型阻尼器[6].摩擦型阻尼器由于阻尼介质为固体,不存在漏油问题,摩擦介质的损坏也更易检查和更换.已在实桥得到了应用[7],但是通过实索试验全面评价其减振效果尚未见报导.由于摩擦型阻尼器阻尼机理特殊,其设计理论不同于一般的粘滞流体阻尼器.Main利用消耗能量相同的原则,提出了非线性阻尼器的设计方法[8,9].本文对摩
擦型阻尼器进行了实索减振试验.采用人工激振后测拉索自由衰减,得到其实测对数衰减率,并与Main提出的理论计算结果进行了对比.
1 实索试验仪器布置试验用拉索以某建设中的斜拉桥的平行钢丝索为原型,参数见表1.由于试验条件所限,拉索被水平张拉在地槽内(图1),忽略了拉索倾角的影响.根据Xu[10]的研究,认为在研究阻尼器拉索减振问题时,倾角的影响可以通过考虑垂度变化而计算在内,而对于200m量级的拉索,垂度的影响可以忽略不计.
表1 试验用拉索参数Tab.1 Parametersofthecableforexperiment
索长L/m拉索质量/t设计索力/kN拉索规格(平行钢丝)振动频率/Hz
1阶2阶3阶4阶215.5810.613955.80Ф7×1510.6581.3161.9742.632
图1 实索试验布置示意图Fig.1 Experimentalsetup
本试验对拉索的竖向和(或)侧向加速度、位移进行了测试.试验进行了阻尼器安装在两个不同的位置工况,即l1=5.0m和l1=3.5m(图1),l1为阻尼器安装位置至拉索锚固点的距离.阻尼器支架垂直于拉索纵轴方向安装.试验所采用的支架具有足够的刚度.该摩擦型阻尼器由4个摩擦片和2个摩擦板组成(图2).摩擦片通过高精度螺纹拧紧挤压在摩擦板的两侧,通过调节拧紧力即可调节摩擦力大小.摩擦型阻尼器是一种特殊的强非线性阻尼器,它的非线性幂指数β=0,即摩擦阻尼力Fd与速度v无关(图3).在本试验中,阻尼器的摩擦力分为F1=2000N,F2=2500N两种.
图2 摩擦型阻尼器Fig.2 Frictiondamper
图3 摩擦型阻尼器的力-速度关系Fig.3 Force-velocityrelationoffrictiondamper
865 第7期周海俊,等:摩擦型阻尼器的斜拉索减振试验研究
2 试验方法与结果试验时将拉索的某阶模态振动人工激振至一定振幅,然后记录拉索自由振动时程,计算出对数衰减率.不同于线性阻尼时拉索的阻尼与振幅无关[11],安装摩擦型阻尼器后拉索阻尼值将随拉索振幅而变化.因此计算阻尼时采用了m=20个振动周期,将20个周期中心振幅作为该对数衰减率对应的振幅值.ξn=12πδn=12πmlnAn-m/2An+m/2式中:An-m/2,An+m/2分别为(n-m/2)th和(n+m/2)th时对应的振幅峰—峰值.由于加速度记录中高阶成分贡献较大,不适于进行低阶模态对数衰减率的计算分析,因此,本文中计算阻尼时均采用了位移信号.试验中,因位移计的量测范围所限,没有在拉索跨中点设置位移计;处理对数衰减率时一阶模态和二阶模态采用了四分点位移信号,三阶模态采用了八分点位移信号.试验首先对未安装阻尼器的拉索进行了试验,测得拉索的内阻尼(对数衰减率)很小,不到0.5%;且有随着振动阶数提高和振幅增大而减小的趋势.拉索的实际振动频率和理论计算值非常接近,误差不到2%[3].
阻尼器安装位置为l1=5.0m,摩擦力为F1=2000N时拉索前三阶模态的自由振动位移时程曲线及对数衰减率随振幅变化曲线如图4,5,6所示.
图4 拉索一阶模态试验结果(l1=5.0m)Fig.4 Testresultsof1stmodeofcable(l1=5.0m)图5 拉索二阶模态试验结果(l1=5.0m)Fig.5 Testresultsof2ndmodeofcable(l1=5.0m)图6 拉索三阶模态试验结果(l1=5.0m)Fig.6 Testresultsof3rdmodeofcable(l1=5.0m)
从图4a,5a,6a中可以看出,对于各工况,拉索位移时程曲线在大振幅时均呈现线性衰减的特点,与具有摩擦阻尼系统的衰减振动特性相符.当拉索振幅小于某一值后,拉索振动衰减速度突然变缓,提示摩擦型阻尼器在该振幅停止工作,阻尼器在此时仅将拉索在阻尼器安装点固定.与此相对应,拉索对数衰减率随振幅变化的特点是:在大振幅时,对数衰减率值随着振幅的减小而增大,至某一振幅处存在一最大值;而后随着振幅减小,对数衰减率值急速下降接近于0,实质上接近于拉索内阻尼值(图4b,5b,6b).本试验同时进行了摩擦型阻尼器位置为l1=3.5m的减振试验,试验结果和阻尼器位置l1=5.0m类似,本文中不再作详细介绍.
3 试验与理论分析结果的比较3.1 试验与Main理论分析方法计算结果的比较根据Main的理论分析方法,对于安装摩擦型阻尼器的拉索,其对数衰减率仅与拉索振幅及模态阶数的乘积有关.图7表示拉索的各阶对数衰减率和拉索模态波腹点振幅A(峰—峰值)与模态阶数i的乘积Ai的关系.
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