橋梁振動控制技術與檢測養(yǎng)護技術進展

1、<p>　　橋梁振動控制技術與檢測養(yǎng)護技術進展</p><p>　　中圖分類號：K928.78 文獻標識碼：A 文章編號： </p><p>　　隨著橋梁結構跨度的不斷增大和新型材料的大規(guī)模應用，橋梁結構的振動問題也越來越突出，引起了工程界和研究者的重視。我們知道，在車輛動荷載和個別情況下的人群動荷載，風力和地震地面運動作用下，橋梁結構產生的振動，會增大按靜力計算的內力和加速度可

2、能引起結構局部疲勞損傷，或會形成影響橋上行車的舒適和安全的振動變形。對于作為交通樞紐及生命線工程的橋梁結構, 振動問題不僅關系到其正常安全運營, 而且關系到震后救援工作能否順利開展。因此，我們有必要對橋梁振動進行研究，并在設計中對橋梁振動進行控制。 </p><p><b>　　橋梁振動 </b></p><p>　　橋梁結構的振動根據振動的原因可以主要分為三大類,：

3、風振、地震以及車-橋耦合振動。一般來說，地震是一種罕遇的、破壞性極大的地面振動形式, 但是一旦發(fā)生，就可能造成橋梁結構的極大破壞，大跨度、特大跨度橋梁震害不甚突出, 中小跨度橋梁震害類型較多且破壞嚴重。風致振動是一種常遇的、不一定造成橋梁破壞的振動形式, 一般僅發(fā)生在大跨度柔性橋梁如懸索橋、斜拉橋中。對于車-橋耦合振動目前尚不十分突出, 主要發(fā)生在高速、準高速鐵路的大跨度橋梁中, 一般不會造成結構破壞，但是對行車的舒適性有很大的影響。各

4、種橋梁振動所產生的震(振) 害可分述如下： </p><p>　　1.1 橋梁結構風振振害 </p><p>　　橋梁結構風致振動可分為兩大類: 一類為發(fā)散性振動, 包括經典耦合顫振、分離扭轉振動和馳振; 另一類為限幅振動, 包括渦激振和抖振兩種。發(fā)散性振動有造成橋梁空氣動力失穩(wěn)而風毀的危險( Tacoma 海峽橋即為一例) , 因而必須避免, 目前主要通過風洞試驗從截面選型、風嘴設計、導

5、流板設置等方面入手。風振的主要振害有: </p><p>　　(1) 抖振和渦激振是一種頻度大、在低風速下發(fā)生的有限振動, 往往會造成橋梁構件的疲勞損傷或局部破壞; 也可能危及行車安全或造成司乘人員的不適”此外, 施工階段過大的振動會造成施工質量無法保證或停工。 </p><p>　　(2) 馳振是一種發(fā)生在單自由度彎曲振動體系橫風向的發(fā)散振動, 主要表現在索結構橋梁的索塔、斜拉索中。對于

6、索塔, 由于其高度大、施工工況多, 其動力特性又在不斷地變化, 馳振抑制主要在施工階段。對于拉索, 馳振形式有二, 其一為雨振(rain vibration) , 即拉索在雨天會發(fā)生比晴天更大的風致振動; 其二為尾流馳振, 即背風拉索會比迎風拉索發(fā)生更大的振動。這兩種拉索馳振機理還有待進一步研究。 </p><p>　　(3) 拉索參數振動, 即在風速不高的情況下拉索橫向局部振動。由于拉索是斜拉橋的生命線, 故拉

7、索參數振動已引起了橋梁界的廣泛關注。 </p><p>　　1.2橋梁結構地震震害 </p><p>　　地震往往會釋放巨大的能量，引起橋梁的振動往往也比較劇烈，且多表現在橋軸線向, 主要震害有: </p><p>　　(1) 橋墩臺破壞。具體破壞形式有橋墩、橋臺的沉降、滑移、剪切、壓潰等。橋墩、橋臺的破壞既有地震時地形、地貌產生劇烈變化(如斷、地裂) 造成的, 也

8、有其本身抗震能力不足, 特別是延性變形能力不足造成的。 </p><p>　　(2) 支座破壞。具體破壞形式有支座傾倒、脫落、移位、螺栓拔出等, 多因支座材料, 構造、聯(lián)接、支擋等措施不當而造成; 同時, 現行支座的設計與制造僅考慮了靜力要求而未考慮其動力行為, 亦是造成破壞的一個主要因素。 </p><p>　　(3) 梁體破壞。梁體破壞形式主要有落梁、碰撞、側傾等。落梁多由墩臺傾倒、錯

9、位而引起, 碰撞則與支座構造不當有關, 側傾主要發(fā)生在T 形梁橫向聯(lián)接較薄弱的情形。對于鋼橋來說，也常常會導致鋼箱梁的局部失穩(wěn)。 </p><p>　　(4) 對于大跨度橋梁來說，地震導致的二次結構破壞的危害性更為明顯。 </p><p>　　2. 橋梁的振動控制 </p><p>　　正因為橋梁的震（振）動會對橋梁結構造成不同程度的損害，為了維護橋梁結構的安全，保

10、證行車的舒適性和安全性，我們有必要對橋梁的振動采取一些控制措施。目前主要采用的振動控制手段主要可以分為被動、主動、半主動振動控制系統(tǒng)和橋梁減隔震措施。 </p><p>　　2.1 橋梁振動被動控制系統(tǒng) </p><p>　　橋梁風致振動的被動控制不需要提供外部能源，可分為氣動措施和機械措施。氣動措施是通過修改結構斷面形狀或安裝風嘴，導流板等空氣穩(wěn)定裝置，改善繞過斷面的氣流形態(tài)，以減少風振

11、的空氣力。機械措施則是通過增加結構剛性、質量、阻尼而減少振動，常用的機械措施有在橋梁結構上設置調諧質量阻尼器（TMD），調諧液體阻尼器（TLD）等，其中以TMD 應用最為廣泛。這些裝置的原理是在與所控模態(tài)諧頻的情況下，依靠控制裝置的大幅振動使梁體振動大大減小，故又稱之為動力吸振器。但是由于這些機械減振措施僅對個別振型有效，而且減振效果非常有限，可以看出它有一定的局限性。不過其造價低廉，易于實現，目前也得到了廣泛應用。采用TMD 控制梁體

12、風振的工程實例有：英國Kessock 斜拉橋、法國Normandy 斜拉橋、泰國Dao Khanong 斜拉橋、我國虎門副航道橋；九江長江大橋吊桿采用了TMD 來控制渦振；上海楊浦大橋、南浦大橋亦進行了TMD 控制方案研究。 </p><p>　　2.2 橋梁振動的主動控制 </p><p>　　橋梁風致振動的主動控制是利用外部能源,在結構受激勵振動過程中，對結構施加控制力，從而達到迅速減

13、振的目的。主動控制研究的主要內容和難點是控制算法的研究和控制裝置的研究。目前主要應用的方法有：主動連桿控制(Active Bracing System)、主動調質阻尼器系統(tǒng)(AMD) 控制和電液伺服主動支座。其中AMD系統(tǒng)是在被動調質阻尼器( TMD) 的基礎上增加了主動控制系統(tǒng)而形成的。它通過對結構施加主動控制力, 克服了TND 系統(tǒng)對地震運動頻率敏感的缺點, 從而顯著提高了減振效果。主動控制方法由于其對振動的控制效果好，控制的振型范

14、圍也比較廣，因此具有很大的應用前景。但是由于目前主動控制系統(tǒng)都比較昂貴，一般都需要較大的能量和多個作動器，在實際工程中難以獲得最優(yōu)控制，因此可行性還不是很高，需要學者進行進一步的研究。 </p><p>　　2.3 橋梁振動的半主動控制 </p><p>　　半主動控制是集合了被動控制和主動控制的特點而提出來的一種振動控制方法。其基本原理仍然是改變橋梁結構的動力特性來達到減隔振的目的。半主

15、動控制與主動控制相比, 它所需外部能量小得多, 維護要求不高, 更容易實施也更為經濟, 而且控制效果又與前者接近, 因此半主動控制具有較大的研究和應用開發(fā)價值, 是當前的研究熱點。常見的半主動控制系統(tǒng)有可變剛度系統(tǒng)（AVS）、可變阻尼系統(tǒng)（AVD）、變剛度變阻尼系統(tǒng)（AVSD）等。但是，從目前的實際工程來看，半主動控制系統(tǒng)與被動控制系統(tǒng)相比，減振效果改善非常有限，需要進一步的改進。 </p><p>　　2.4

16、橋梁隔震措施 </p><p>　　隔震的本質和目的是將結構與可能引起結構破壞的地面運動盡可能的分離開來。為了達到這個目的可以通過延長結構的周期,避開地震的卓越周期,從而降低傳入到結構中的地震能量。但是隨著結構周期的延長,結構的位移反應必然隨著增加,可能會造成設計上的困難。此外,由于結構較柔,在正常使用荷載作用下結構可能會發(fā)生有害的振動。為了控制結構的有害振動減小結構的變形,可以通過增加結構阻尼來吸收一部分地震能

17、量,減小結構的地震反應。 </p><p>　　減隔震技術包括地基隔震、基礎隔震以及上部結構的隔震。(1)地基隔震方法可分成絕緣和屏蔽兩種:絕緣是希望在地基自身中降低輸入波的方法,可以采用軟弱地基或高剛性基礎及利用地基逸散衰減的方法;屏蔽是在建筑物周圍挖深溝或埋入屏蔽板等,將長周期為卓越的那部分表面波隔斷,但這種方法不能屏蔽直下型輸入波。(2)基礎的隔震是在基礎與上部結構之間設置隔震裝置,分為周期延長、能量吸收及

18、絕緣等方法。 (3)上部結構的隔震是指在橋墩與上部結構之間設置隔震裝置,目前主要是通過使用抗震支座來實現。 </p><p>　　3.橋梁結構健康監(jiān)測和養(yǎng)護 </p><p>　　橋梁的振（震）動是長期存在的，即使我們采取各種振動控制和隔震措施，也不能完全避免。但是，橋梁振動往往又會帶來結構的一定程度損傷。某些損傷常常是隱形的，不容易被直觀發(fā)現，但是發(fā)展到一定階段，就會造成結構的整體破壞。

19、因此，檢測已有橋梁結構在一些災害性事件（比如地震、臺風等）的健康狀況，或者是監(jiān)測橋梁在日常運營中的健康狀況，并對橋梁結構進行定期和不定期的養(yǎng)護，都是很有必要的。 </p><p>　　橋梁的健康監(jiān)測就是指利用現場的無損傳感技術,通過包括結構響應在內的結構系統(tǒng)特性分析,達到檢測結構損傷或退化的目的。結構健康監(jiān)測的過程包括:通過一系列傳感器得到系統(tǒng)定時取樣的動力和靜力響應測量值,從這些測量值中抽取對損傷敏感的特征因子

20、,并對這些特征因子進行統(tǒng)計分析,從而獲得結構當前的健康狀況。對于長期的健康監(jiān)測,系統(tǒng)得到的是關于結構在其運行環(huán)境中老化和退化所導致的預期功能變化的實時信息?，F代橋梁結構整體健康監(jiān)測可以規(guī)為三大類：（1）指紋分析和模式識別方法；（2）模型修整與系統(tǒng)識別方法；（3）神經網絡方法。這三種方法各有其優(yōu)缺點，在此就不詳述了。但是，總體來說，目前對橋梁結構健康狀態(tài)的評價仍然缺乏統(tǒng)一有效的損傷量化指標,并且難以反映某個局部構件的損傷對整個橋梁的工作狀