CN104674644A - 一种悬索桥吊索的振动控制装置与方法 - Google Patents

Abstract

一种悬索桥吊索的振动控制装置与方法，本振动控制装置设置于并排的两根吊索之间，每根吊索的一端通过活动铰固定于主梁，阻尼器沿吊索依次排列，每个阻尼器的两端分别通过一个索夹与一根吊索固定。本振动控制方法首先调整并排的两根吊索中某一根吊索的频率，使两根吊索的频率不同，然后在所述两根吊索之间设置若干个阻尼器，最后根据吊索的振型控制要求，优化阻尼器的安装位置。本发明消除并排双吊索产生的同相位振动，并抑制反相位振动。

Description

一种悬索桥吊索的振动控制装置与方法

技术领域

本发明涉及悬索桥吊索的振动控制技术领域，具体涉及一种悬索桥吊索的振动控制装置与方法。

背景技术

悬索桥的恒载与活载通过吊索传递至主缆，再由主缆传递至桥塔和锚碇，因此吊索的结构重要性毋庸置疑。由于现代悬索桥的吊索为长细柔性结构，其初始阻尼比很小，在风荷载和交通荷载作用下容易发生较大的振动，吊索长期振动会引起吊索锚头处钢丝的疲劳损伤，吊索的使用寿命大幅降低。一般来说，并排双吊索的索力和拉索的型号均相同，其振动频率和振型也相同，将并排双吊索看作一个振动系统，该振动系统可能出现同相位振动和反相位振动这两种类型的振型组合方式，分别如图1和图2所示。

为了对吊索的振动进行控制，目前多采用刚性减振架和阻尼器，刚性减振架原多用于输电线工程中，采用刚性减振架将双吊索在n等分点连接，在双吊索同相位振动时不起作用。在双吊索反相位振动时起到刚性约束的作用，使吊索的自由振动长度变为原来的1/n，频率增大为原来的n倍，有利于减小吊索发生风致振动的几率；但是由于减振架并不能产生耗能作用，一旦吊索发生振动，其振动会持续较长时间，衰减较慢，而导致吊索的索体、锚头和减振架发生疲劳损伤。

另外，阻尼器控制振动也有一些报道和应用，其中，专利号为ZL201420222127.3的一种用于吊索的阻尼减振架，当多根吊索共同运动时，阻尼减振架可以提供一定的阻尼，但吊索以反相位振型运动时，这种阻尼减振架作用等同于刚性减振架，无法提供阻尼减振。专利号为ZL201020161536.9的大跨度悬索桥吊杆索减振器，采用一个减振器控制吊索的振动，该减振结构无法控制并排双吊索的同相位振动，而且作为阻尼耗能元件的高阻尼橡胶，在恶劣的实桥环境下容易发生老化，耐久性较差。因此，目前暂无能同时控制同相位振动和反相位振动的减振结构。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种悬索桥吊索的振动控制装置与方法，消除并排双吊索产生的同相位振动，并抑制反相位振动。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：一种悬索桥吊索的振动控制装置，设置于并排的两根吊索之间，每根吊索的一端通过活动铰固定于主梁，所述振动控制装置包括若干个阻尼器，所述阻尼器沿吊索依次排列，每个阻尼器的两端分别通过一个索夹与一根吊索固定。

在上述技术方案的基础上，所述两根吊索的质量不相等。

在上述技术方案的基础上，所述两根吊索的索力不相等。

在上述技术方案的基础上，所述两根吊索之间的阻尼器的数目为两个。

一种悬索桥吊索的振动控制方法，包括如下步骤：

S1.调整并排的两根吊索中某一根吊索的频率，使两根吊索的频率不同；

S2.在所述两根吊索之间设置若干个阻尼器；

S3.根据吊索的振型控制要求，优化阻尼器的安装位置。

在上述技术方案的基础上，步骤S1中，通过改变所述吊索的质量或改变所述吊索的索力，以调整吊索的频率。

在上述技术方案的基础上，吊索的有应力自由长度为L，在所述两根吊索之间设置若干个阻尼器，分别为第一阻尼器、第二阻尼器、…、第M阻尼器，第一阻尼器距离吊索连接主梁的一端距离为x_c1，当第一阻尼器的安装位置比x_c1/L位于n₁阶振型驻点处时， 其中i＝1，…，n₁-1；第二阻尼器距离吊索连接主梁的一端距离为x_c2，当第二阻尼器的安装位置比x_c2/L位于n₂阶振型驻点处时，其中i＝1，…，n₂-1；第M阻尼器距离吊索连接主梁的一端距离为X_cm，当第M阻尼器的安装位置比X_cm/L位于n_m阶振型驻点处时，其中i＝1，…，n_m-1。

在上述技术方案的基础上，步骤S3中，当对吊索的前n阶振型进行控制时，优化若干个阻尼器的安装位置遵循的原则为：1/n₁、1/n₂、…、1/n_m分别大于0.03，且n₁、n₂、…、n_m的最小公倍数大于_n。

在上述技术方案的基础上，当使用第一阻尼器和第二阻尼器对吊索的前50阶振型进行控制时，第一阻尼器和第二阻尼器的安装位置优化遵循的原则为，一方面使1/n₁和1/n₂分别大于0.03，同时使n₁和n₂的最小公倍数大于50，结果优化，选取n₁＝20和n₂＝30，即第一阻尼器的安装位置比x_c1/L＝0.05，第二阻尼器的安装位置比x_c2/L＝0.033。

在上述技术方案的基础上，当使用第一阻尼器、第二阻尼器和第三阻尼器对吊索的前50阶振型进行控制时，第一阻尼器、第二阻尼器和第三阻尼器的安装位置优化遵循的原则为，一方面使1/n₁、1/n₂和1/n₃分别大于0.03，同时使n₁、n₂和n₃的最小公倍数大于50，结果优化，选取n₁＝10、n₂＝20和n₃＝30，即第一阻尼器的安装位置比x_c1/L＝0.1，第二阻尼器的安装位置比x_c2/L＝0.05，第三阻尼器的安装位置比x_c3/L＝0.033。

本发明的有益效果在于：

1、本振动控制方法通过调整并排双吊索中某一根吊索的频率，使两根吊索的频率不同，无法产生同相位振动，达到消除双吊索产生的同相位振动的目的。

2、本振动控制方法通过安装若干个阻尼器，消除单个阻尼器的控制盲点，当双吊索发生不同步振动时，阻尼器内部的耗能装置便会发生作用，耗散吊索的振动能量，抑制双吊索的振动。

3、本振动控制方法通过对若干个阻尼器的安装位置进行优化，极大提高了阻尼器控制的振型阶次，有效提高吊索系统的模态阻尼，抑制不同振型要求下的反相位振动，使吊索系统不发生振动，或者仅发生微幅振动。

4、本振动控制方法对阻尼器的安装位置进行优化后，阻尼器的安装位置比较低，因此阻尼器的安装和维护方便。

附图说明

图1为并排双吊索的同向振型示意图；

图2为并排双吊索的异相振型示意图；

图3为本振动控制装置的结构示意图；

图4为图3中第一阻尼器的安装示意图。

附图标记：

11-第一阻尼器，12-第二阻尼器，21-第一吊索，22-第二吊索，3-索夹，4-主梁，5-活动铰。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。

如图3和图4所示，一种悬索桥吊索的振动控制装置，设置于并排的两根吊索之间，两根吊索分别为第一吊索21和第二吊索22，每根吊索的一端通过活动铰5固定于主梁4。本控制装置包括若干个阻尼器，所述阻尼器为耐久性良好的阻尼器，包括油阻尼器、高阻尼橡胶阻尼器、形状记忆合金阻尼器、磁流变阻尼器、摩擦阻尼器、粘滞阻尼器、电磁式阻尼器。所述阻尼器沿吊索依次排列，每个阻尼器的两端分别通过一个索夹3与一根吊索固定。其中，两根吊索的质量不相等，两根吊索的索力不相等，本实施例中，两根吊索之间的阻尼器的数目为两个，分别为第一阻尼器11和第二阻尼器12。

一种悬索桥吊索的振动控制方法，包括如下步骤：

S1.调整并排的两根吊索中某一根吊索的频率，两根吊索分别为第一吊索21和第二吊索22，使两根吊索的频率不同，便无法产生同相位振型。

由于单根吊索的频率计算公式为：其中，L为吊索的有应力自由长度，H为吊索的索力，m为每延米吊索的质量。上式中，L基本无法改变，而H和m可以改变，因此，某一根吊索的频率的改变方法包括：改变吊索的质量或改变吊索的索力，在实际应用中，具体通过以下方式改变所述吊索的频率：

1、改变某根吊索的直径，改变m以改变频率

以两根109-φ5型吊索组成的双吊索为例，更换双吊索中某一根吊索，调整后第一吊索21型号为121-φ5型，直径为75mmm，第二吊索22仍为109-φ5型吊索，直径为72mm，虽然调整后两根吊索的外形差异通过肉眼难以分辨，但是调整后的第一吊索21和第二拉索22的基频比值为：

$\frac{f_{\mathrm{1,1}}}{f_{\mathrm{1,2}}}=\frac{\frac{1}{2L}\sqrt{H/m_{121-\mathrm{\Φ}5}}}{\frac{1}{2L}\sqrt{H/m_{109-\mathrm{\Φ}5}}}=\sqrt{\frac{m_{109-\mathrm{\Φ}5}}{m_{121-\mathrm{\Φ}5}}}=\sqrt{\frac{18.5}{20.5}}=95.3\%$

2、某根吊索增加配重，增加m以改变频率

以最长吊索为例，在第一吊索21表面螺旋缠绕直径为11mm的钢丝绳，螺距为50mm，相当于每延米增加了1.9kg配重，第二吊索22不做处理，则调整后的第一吊索21和第二吊索22的基频比值为：

该方法操作简便，在改变吊索频率的同时并不改变吊索的受力。同时，在吊索表面螺旋缠绕钢丝绳的做法可以改变吊索的气动外形，对抑制吊索的风致振动有利。

3、改变吊索的索力H以改变频率。

通过改变吊索的初始未受力长度，使调整后的第一吊索21的索力为原来的95％，第二吊索22的索力为原来的105％，则调整后的第一吊索21和第二吊索22的基频比值为：

$\frac{f_{\mathrm{1,1}}}{f_{\mathrm{1,2}}}=\frac{\frac{1}{2L}\sqrt{H_{\mathrm{1,1}}/m}}{\frac{1}{2L}\sqrt{H_{\mathrm{1,2}}/m}}=\sqrt{\frac{H_{\mathrm{1,1}}}{H_{\mathrm{1,2}}}}=\sqrt{\frac{95\%}{105\%}}=91.5\%$

该方法的优点是在现有结构的基础上，仅稍加改变吊索的初始未受力长度即可，操作简便。

S2.在所述两根吊索之间设置若干个阻尼器，本实施例中，在第一吊索21和第二吊索22之间设置M个阻尼器，分别为第一阻尼器11、第二阻尼器12、…、第M阻尼器(图未示)，M为不小于零的正整数，每个阻尼器的两端分别通过索夹3固定于第一吊索21和第二吊索22，当第一吊索21和第二吊索22发生不同步振动时，阻尼器内部的耗能装置便会发生作用，耗散第一吊索21和第二吊索22的振动能量，抑制双吊索的振动。

S3.根据吊索的振型控制要求，优化阻尼器的安装位置，阻尼器在优化位置将两根吊索连接起来，可以有效的抑制双吊索的反相位振动。

首先，由经典公式判断吊索可能达到的最大附加阻尼ξ_max＝0.52x_c/L，其中，x_c为吊索上的索夹3距离该吊索的活动铰5的距离，L为吊索的有应力长度，x_c/L为阻尼器对于吊索的安装位置比，从上式可知，安装位置比x_c/L决定了阻尼器对吊索的减振效率，安装位置比越大，附加阻尼比ξ_max越大。

另外，吊索为柔性索，柔性索的n阶振型由n个半正弦波组成，半正弦波的驻点处振幅为0，且第n阶振型在索体上的驻点位于L的i/n(i＝1，…，n-1)处，如2阶振型在吊索上的驻点位于1/2L，3阶振型在吊索上的驻点位于1/3L和2/3L处。当安装位置比x_c/L位于某阶振型驻点处时，安装位置比x_c/L和位于驻点的振型阶次n满足：这时，阻尼器不发生振动，不能发挥阻尼减振作用。由于单个阻尼器安装位置确定后，固有的驻点无法避免，但是，通过多个阻尼器共同作用，相互弥补，未同时达到振型驻点前，总有阻尼器在发挥作用，因此可利用多个阻尼器共同发挥作用，以消除单个阻尼器的控制盲点。本实施例中，第一阻尼器11距离吊索连接主梁4的一端距离为x_c1，当第一阻尼器11的安装位置比x_c1/L位于n1阶振型驻点处时，其中i＝1，…，n1-1；第二阻尼器12距离吊索连接主梁4的一端距离为x_c2，当第二阻尼器12的安装位置比xc2/L位于n2阶振型驻点处时，其中i＝1，…，n₂-1；第M阻尼器距离吊索连接主梁4的一端距离为X_cm，当第M阻尼器的安装位置比x_cm/L位于n_m阶振型驻点处时，其中i＝1，…，n_m-1。由于多个阻尼器同时达到振型驻点的振型阶次为每个阻尼器最小振型阶次的最小公倍数，因此，第一阻尼器11、第二阻尼器12、…、第M阻尼器共同作用的控制振型阶次为n₁、n₂、…、n_m的最小公倍数，n₁、n₂、…、n_m的最小公倍数越大，第一阻尼器11、第二阻尼器12、…、第M阻尼器共同作用的控制振型阶次越大。

综上所述，对第一阻尼器11、第二阻尼器12、…、第M阻尼器的安装位置进行优化遵循的原则为：第一阻尼器11、第二阻尼器12、…、第M阻尼器的安装位置比分别为x_c1/L、x_c2/L、…、X_cm/L，一方面使x_c1/L、x_c2/L、…、X_cm/L尽量大，同时使L/x_c1、L/x_c2、…、L/X_cm的最小公倍数尽量大，即，一方面使1/n₁、1/n₂、…、1/n_m尽量大，同时使n₁、n₂、…、n_m的最小公倍数尽量大。根据阻尼器现场施工安装规律，安装位置比小于0.03的减振效果比较差，当对吊索的前n阶振型进行控制时，优化若干个阻尼器的安装位置遵循的原则具体为：1/n₁、1/n₂、…、1/n_m分别大于m，m≥0.03，且n₁、n₂、…、n_m的最小公倍数大于n，首先，取m＝0.03，计算得到n₁、n₂、…、n_m的范围值；若n₁、n₂、…、n_m的范围值比较大，则增大m值，重新计算得到n₁、n₂、…、n_m的范围值；不断增大m值，直到n₁、n₂、…、n_m在范围值中取得唯一的整数值。

本实施例中，当使用第一阻尼器11和第二阻尼器12对吊索的前50阶振型进行控制，第一阻尼器11和第二阻尼器12的安装位置优化遵循的原则为：一方面使1/n₁和1/n₂分别大于0.03，同时使n₁和n₂的最小公倍数大于50，计算得到n₁和n₂的范围值；若n₁和n₂的范围值比较大，则一方面使1/n₁和1/n₂分别大于0.035，同时使n₁和n₂的最小公倍数大于50，重新计算得到n₁和n₂的范围值；不断增大1/n₁和1/n₂的最小取值，直至n₁和n₂在范围值中取得唯一的整数值，依据以上过程进行结果优化，选取n₁＝20和n₂＝30，第一阻尼器的安装位置比x_c1/L＝0.05，第二阻尼器的安装位置比x_c2/L＝0.033，共同作用后两个阻尼器同时达到驻点的振型阶次为60阶。当使用第一阻尼器11、第二阻尼器12和第三阻尼器(图未示)对吊索的前50阶振型进行控制时，第一阻尼器11、第二阻尼器12和第三阻尼器的安装位置优化遵循的原则为，一方面使1/n₁、1/n₂和1/n₃分别大于0.03，同时使n₁、n₂和n₃的最小公倍数大于50，结果优化，选取n₁＝10、n₂＝20和n₃＝30，即第一阻尼器11的安装位置比x_c1/L＝0.1，第二阻尼器12的安装位置比x_c2/L＝0.05，第三阻尼器的安装位置比x_c3/L＝0.033，共同作用后可以对前60阶振型进行控制，且控制效果更好。

本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (10)

1.一种悬索桥吊索的振动控制装置，设置于并排的两根吊索之间，每根吊索的一端通过活动铰(5)固定于主梁(4)，其特征在于：所述振动控制装置包括若干个阻尼器，所述阻尼器沿吊索依次排列，每个阻尼器的两端分别通过一个索夹(3)与一根吊索固定。

2.如权利要求1所述的悬索桥吊索的振动控制装置，其特征在于：所述两根吊索的质量不相等。

3.如权利要求1所述的悬索桥吊索的振动控制装置，其特征在于：所述两根吊索的索力不相等。

4.如权利要求1所述的悬索桥吊索的振动控制装置，其特征在于：所述两根吊索之间的阻尼器的数目为两个。

5.一种基于权利要求1所述装置的悬索桥吊索的振动控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1.调整并排的两根吊索中某一根吊索的频率，使两根吊索的频率不同；

S2.在所述两根吊索之间设置若干个阻尼器；

S3.根据吊索的振型控制要求，优化阻尼器的安装位置。

6.如权利要求5所述的悬索桥吊索的振动控制方法，其特征在于：步骤S1中，通过改变所述吊索的质量或改变所述吊索的索力，以调整吊索的频率。

7.如权利要求5所述的悬索桥吊索的振动控制方法，其特征在于：吊索的有应力自由长度为L，在所述两根吊索之间设置若干个阻尼器，分别为第一阻尼器(11)、第二阻尼器(12)、…、第M阻尼器，第一阻尼器(11)距离吊索连接主梁(4)的一端距离为x_c1，当第一阻尼器(11)的安装位置比x_c1/L位于n₁阶振型驻点处时，其中i＝1,…,n₁-1；第二阻尼器(12)距离吊索连接主梁(4)的一端距离为x_c2，当第二阻尼器(12)的安装位置比x_c2/L位于n₂阶振型驻点处时，其中i＝1,…,n₂-1；第M阻尼器距离吊索连接主梁(4)的一端距离为x_cm，当第M阻尼器的安装位置比x_cm/L位于n_m阶振型驻点处时，其中i＝1,…,n_m-1。

8.如权利要求7所述的悬索桥吊索的振动控制方法，其特征在于：步骤S3中，当对吊索的前n阶振型进行控制时，优化若干个阻尼器的安装位置遵循的原则为：1/n₁、1/n₂、…、1/n_m分别大于0.03，且n₁、n₂、…、n_m的最小公倍数大于n。

9.如权利要求8所述的悬索桥吊索的振动控制装置，其特征在于：当使用第一阻尼器(11)和第二阻尼器(12)对吊索的前50阶振型进行控制时，第一阻尼器(11)和第二阻尼器(12)的安装位置优化遵循的原则为，一方面使1/n₁和1/n₂分别大于0.03，同时使n₁和n₂的最小公倍数大于50，结果优化，选取n₁＝20和n₂＝30，即第一阻尼器(11)的安装位置比x_c1/L＝0.05，第二阻尼器(12)的安装位置比x_c2/L＝0.033。

10.如权利要求8所述的悬索桥吊索的振动控制装置，其特征在于：当使用第一阻尼器(11)、第二阻尼器(12)和第三阻尼器对吊索的前50阶振型进行控制时，第一阻尼器(11)、第二阻尼器(12)和第三阻尼器的安装位置优化遵循的原则为，一方面使1/n₁、1/n₂和1/n₃分别大于0.03，同时使n₁、n₂和n₃的最小公倍数大于50，结果优化，选取n₁＝10、n₂＝20和n₃＝30，即第一阻尼器(11)的安装位置比x_c1/L＝0.1，第二阻尼器(12)的安装位置比x_c2/L＝0.05，第三阻尼器的安装位置比x_c3/L＝0.033。