浅谈桥梁结构的风振控制

浅谈桥梁结构的风振控制现代桥梁结构趋于轻、柔的特点给结构本身抗风抗震性能提出了考验。由此可见，通过对大跨度桥梁的抗风问题进行理论研究，采取有效的措施把风对桥梁的危害控制在容许范围内，具有十分重要的理论价值和实际意义。上世纪80年代以来，桥梁风振控制理论研究发展迅速，并且得到了实际应用。随着大跨度桥梁的普遍兴建和高效能建桥材料的广泛应用，现代桥梁的结构形态逐渐向大跨、轻、柔方向发展。虽然这对于美观及经济性方面是有益的，但是却给结构设计、施工甚至运营提出了更高更严格的要求。大跨度桥梁作为生命线工程的重要组成部分，在政治、经济领域占据着重要的地位，对于它们的安全性应给予格外的重视。现代桥梁结构趋于轻、柔的特点给结构本身抗风抗震性能提出了考验。随着大跨度柔性桥梁的出现，风荷载往往成为结构上的支配性荷载。风是空气从气压大的地方向气压小的地方流动而形成的。风在行进中遇到结构，就形成风压力，使结构产生振动和变形。桥梁受风力的作用后，结构物振动与风场间产生的互制现象—空气弹力效应所引起的气动力不稳定现象机率大为增加，强风、弱风都有可能使之整体或局部产生损坏。例如，1940年11月7日，美国华盛顿州建成才4个月的老塔科马(Tacoma)悬索桥(主跨853m)仅在8级大风作用下就发生强烈的风致振动而破坏的严重事故。该事件促使了桥梁工程界对结构风致振动的研究，并由此发展了一门新的学科—桥梁风工程学。近几年来，随着我国大跨度桥梁的建设，桥梁风害也时有发生，江西九江长江公铁两用钢拱桥吊杆的涡激共振；上海杨浦大桥斜拉索的涡振和雨振损坏套索等。由此可见，通过对大跨度桥梁的抗风问题进行理论研究，采取有效的措施把风对桥梁的危害控制在容许范围内，具有十分重要的理论价值和实际意义。2、桥梁结构的风致振动桥梁结构风致振动可分为两大类：一类为限幅振动，主要包括抖振和涡激振；另一类为发散性振动，主要包括驰振和颤振。桥梁的抖振是指桥梁结构在紊流场作用下的随机性强迫振动。根据现有研究成果，抖振虽然并不像颤振那样引起灾难性的失稳破坏，但是过大的抖振响应在桥梁施工期间可能危及施工人员和机械的安全，在成桥运营阶段则会带来结构刚度问题而影响行人和车辆的舒适性以及引起交变应力缩短构件的疲劳寿命。气流绕过物体时，在物体两侧会形成不对称脱落的漩涡，从而形成交替作用在物体上的横风向的涡激力或力矩，结构在这种类似简谐力的作用下，就会发生横风向或扭转的涡激振动，并且在漩涡脱落频率与结构的自振频率一致时将发生涡激共振。对桥梁结构而言，除透风率大于50%的桁架主梁可以不考虑涡激振动外，一般均需对主梁整体的涡激振动。此外，大跨度系杆拱桥的吊杆、斜拉桥的斜拉索、悬索桥和斜拉桥在施工阶段的独塔等也易于发生涡激振动。浸没在气流中的弹性体本身会发生变形或振动，这种变形或振动相当于气体边界条件的改变，从而引起气流力的变化，气流力的变化又会使弹性体产生新的变形或振动，这种气流力与结构相互作用的现象称为气动弹性现象。气动力不稳定是一种典型的气动弹性现象。气流中的结构在某种力的作用下挠曲振动，这种初始挠曲又相继引起一系列具有振荡或发散特点的挠曲，这就是气动弹性不稳定。一切气动弹性不稳定现象都必含有因物体运动而作用在物体上的气动力，这种气动力就是自激力。桥梁结构的驰振与颤振是两种最主要的气动弹性不稳定现象，并可能造成严重的灾难性后果。3、桥梁风振的控制方法对于大跨径桥梁，风致振动的形式多种多样，各种风致振动的机理也不同。单纯采用空气动力学措施并不能兼顾各个方面。理想的做法是选择适当的空气动力学措施，同时采用适当的振动控制措施(如增加阻尼器)来进一步抑制和减小桥梁结构风致振动。1972年J.T.P.Yao提出了结构控制的概念，将控制论引入了土木工程结构之中，从而开辟了崭新的研究领域。上世纪80年代以来，桥梁风振控制理论研究发展迅速，并且得到了实际应用。就目前技术水平而言，结构振动控制技术主要包括基础隔震、被动耗能减振、主动控制、半主动控制、混合控制及智能控制等。基础隔震是在上部结构和基础之间设置水平柔性层，延长结构侧向振动的基本周期，使基础隔震结构的基本周期远离地震动的卓越周期，使上部结构的地震作用、横向剪力大幅度减小。同时，结构在地震反应过程中大变形主要集中在基础隔震层处，而结构本身的相对变形很少，此时可近似认为上部结构是一个刚体，从而为建筑物的提供良好的安全保障。结构耗能减振就是把结构的某些非承重构件(如支撑、剪力墙、连接件等)设计成耗能元件，或在结构的某些部位(层间空间、节点、连接缝等)装设耗能装置。在小幅振动时，这些耗能元件或耗能装置具有足够的初始刚度，处于弹性状态，结构仍具有足够的侧向刚度以满足使用要求。当出现大幅振动时，随着结构侧向变形的增大，耗能元件或耗能装置率先进入非弹性状态，产生较大阻尼，大量消耗输入结构的地震或风振能量。结构主动控制是在结构受到外部激励而发生振动的过程中，利用外部能源瞬时施加控制力或瞬时改变结构的动力特性，以迅速衰减和控制结构振动反应的一种减振控制技术。结构主动控制需要实时测量结构反应或环境干扰，采用现代控制理论的主动控制算法在精确的结构模型上运算和决策最优控制力，最后作动器在很大的外部能量输入下实现最优控制力。在结构反应观测基础上实现的主动控制成为反馈控制，而结构环境干扰观测基础上实现的主动控制则称为前馈控制。结构半主动控制是在主动控制的基础上提出的，是一种以参数控制为主的结构控制技术。它是根据控制系统的输入输出要求，利用控制机构来实时调节结构内部的参数，使结构参数处于最优状态。结构半主动控制的原理与结构主动控制的基本相同，只是实施控制力的作动器需要少量的能量调节以便使其主动地甚至可以说是巧妙地利用结构振动的往复相对变形或相对速度，尽可能地实现主动最优控制力。因此，半主动控制作动器通常是被动的刚度或阻尼装置与机械式主动调节器复合的控制系统。混合控制是主动控制和被动控制的联合应用，使其协调起来共同工作。这种控制系统充分利用了被动控制与主动控制各自的优点，它既可以通过被动控制系统大量耗散振动能量，又可以利用主动控制系统来保证控制效果，比单纯的主动控制能节省大量的能量，因此有着良好的工程应用价值。把经验和直觉推理、综合判断等人类生物技能应用于一般控制之中，使结构具有感知、辨识、优化和自我控制等功能的控制称为智能控制。结构振动的智能控制是国际振动控制研究的前沿领域，主要涉及智能材料、人工智能、自动控制、力学、电学、机械和计算机等多门学科。结构智能控制主要包括两类：一类是利用智能材料研制的智能减振控制装置对结构实施的局部振动控制；另一类是将模糊逻辑控制、神经网络控制和遗传算法等智能控制算法应用于结构的振动控制。由智能材料制成的智能可调阻尼器和智能材料驱动器等智能减振控制装置构造简单、调节驱动容易、能耗小、反应迅速、时滞小，在结构主动控制、半主动控制、被动控制中有广阔的应用前景。对于桥梁结构的风振控制，应依据不同的部位，采取响应的振动控制措施。例如，对于桥梁主体的风振控制目前主要采用减振技术。比较成熟的控制装置有调谐质量阻尼器（TMD）、调谐液体阻尼器（TLD）等，其中以TMD应用最为广泛。对于斜拉桥、悬索桥的索塔风振控制装置多采用主动质量驱动器（AMD）及悬挂式TMD。对于拉索振动控制，由于其振动机理比较复杂，因而拉索控制方式的探索也较活跃。大致有三种：其一，耗能减振方式，即采用高阻尼橡胶做成胶圈，安装在拉索的钢导管中。其二，采用专门的阻尼减振器，即在拉索与桥面相交处设置一对阻尼器，用以减小拉索自由长度，反馈拉索振动时的相对位移和相对速度。其三，采用减振副索，即用不锈钢丝绳将斜拉索连起来，借以增强拉索间的互相约束，增大附加阻尼。4、重点研究方向鉴于桥梁风致振动控制当前存在的不足，应对其成桥后和施工状态下的风振理论及控制进行进一步的研究，主要有：空气振动的控制理论、控制措施、装置及相应的试验研究；数值模拟风洞及空气的动力稳定性计算的计算机仿真技术研究；大跨度桥梁结构体系的空气动力稳定性研究及相应的全桥模型实验；施工阶段空气动力稳定性研究及相应试验；空气动力参数的识别方法、评价及相应的风洞试验。以上问题的研究和解决势必为桥梁的建造产生直接的指导作用，使桥梁的振动控制研究更加科学、经济、可靠。经过国内外学者、工程界人士的不断探索和实践，桥梁结构风振控制取得了丰富的研究成果和巨大的进展。虽然目前桥梁风振控制技术在工程中的应用还刚刚起步，还有许多问题尚未解决。但是相信随着科学技术的进步，有关各种技术难题会逐步得到完善，桥梁结构风振控制技术必将会被更广泛的应用到实际工程当中。