橋梁振動控制技術(shù)與檢測養(yǎng)護(hù)技術(shù)進(jìn)展

1、<p>　　橋梁振動控制技術(shù)與檢測養(yǎng)護(hù)技術(shù)進(jìn)展</p><p>　　中圖分類號：K928.78 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號： </p><p>　　隨著橋梁結(jié)構(gòu)跨度的不斷增大和新型材料的大規(guī)模應(yīng)用，橋梁結(jié)構(gòu)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(fēng)力和地震地面運(yùn)動作用下，橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的振動，會增大按靜力計算的內(nèi)力和加速度可

2、能引起結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu), 振動問題不僅關(guān)系到其正常安全運(yùn)營, 而且關(guān)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(jìn)行研究，并在設(shè)計中對橋梁振動進(jìn)行控制。 </p><p><b>　　橋梁振動 </b></p><p>　　橋梁結(jié)構(gòu)的振動根據(jù)振動的原因可以主要分為三大類,：

3、風(fēng)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(jié)構(gòu)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(yán)重。風(fēng)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(zhǔn)高速鐵路的大跨度橋梁中, 一般不會造成結(jié)構(gòu)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(chǎn)生的震(振) 害可分述如下： </p><p>　　1.1 橋梁結(jié)構(gòu)風(fēng)振振害 </p><p>　　橋梁結(jié)構(gòu)風(fēng)致振動可分為兩大類: 一類為發(fā)散性振動, 包括經(jīng)典耦合顫振、分離扭轉(zhuǎn)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(fēng)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(fēng)洞試驗從截面選型、風(fēng)嘴設(shè)計、導(dǎo)

5、流板設(shè)置等方面入手。風(fēng)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(fēng)速下發(fā)生的有限振動, 往往會造成橋梁構(gòu)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(zhì)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(fēng)向的發(fā)散振動, 主要表現(xiàn)在索結(jié)構(gòu)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(fēng)致振動; 其二為尾流馳振, 即背風(fēng)拉索會比迎風(fēng)拉索發(fā)生更大的振動。這兩種拉索馳振機(jī)理還有待進(jìn)一步研究。 </p><p>　　(3) 拉索參數(shù)振動, 即在風(fēng)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(shù)振動已引起了橋梁界的廣泛關(guān)注。 </p><p>　　1.2橋梁結(jié)構(gòu)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(xiàn)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(chǎn)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(gòu)造、聯(lián)接、支擋等措施不當(dāng)而造成; 同時, 現(xiàn)行支座的設(shè)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(cè)傾等。落梁多由墩臺傾倒、錯

9、位而引起, 碰撞則與支座構(gòu)造不當(dāng)有關(guān), 側(cè)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(dǎo)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(dǎo)致的二次結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)造成不同程度的損害，為了維護(hù)橋梁結(jié)構(gòu)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(fēng)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(jī)械措施。氣動措施是通過修改結(jié)構(gòu)斷面形狀或安裝風(fēng)嘴，導(dǎo)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(fēng)振

11、的空氣力。機(jī)械措施則是通過增加結(jié)構(gòu)剛性、質(zhì)量、阻尼而減少振動，常用的機(jī)械措施有在橋梁結(jié)構(gòu)上設(shè)置調(diào)諧質(zhì)量阻尼器（TMD），調(diào)諧液體阻尼器（TLD）等，其中以TMD 應(yīng)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(jī)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(xiàn)，目前也得到了廣泛應(yīng)用。采用TMD 控制梁體

12、風(fēng)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(jìn)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(fēng)致振動的主動控制是利用外部能源,在結(jié)構(gòu)受激勵振動過程中，對結(jié)構(gòu)施加控制力，從而達(dá)到迅速減

13、振的目的。主動控制研究的主要內(nèi)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(yīng)用的方法有：主動連桿控制(Active Bracing System)、主動調(diào)質(zhì)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(diào)質(zhì)阻尼器( TMD) 的基礎(chǔ)上增加了主動控制系統(tǒng)而形成的。它通過對結(jié)構(gòu)施加主動控制力, 克服了TND 系統(tǒng)對地震運(yùn)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(yīng)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(xué)者進(jìn)行進(jìn)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(jié)構(gòu)的動力特性來達(dá)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(hù)要求不高, 更容易實施也更為經(jīng)濟(jì), 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(yīng)用開發(fā)價值, 是當(dāng)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(jìn)一步的改進(jìn)。 </p><p>　　2.4

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

17、量,減小結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)。 </p><p>　　減隔震技術(shù)包括地基隔震、基礎(chǔ)隔震以及上部結(jié)構(gòu)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(chǔ)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(chǔ)的隔震是在基礎(chǔ)與上部結(jié)構(gòu)之間設(shè)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(jié)構(gòu)的隔震是指在橋墩與上部結(jié)構(gòu)之間設(shè)置隔震裝置,目前主要是通過使用抗震支座來實現(xiàn)。 </p><p>　　3.橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測和養(yǎng)護(hù) </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(jié)構(gòu)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(xiàn)，但是發(fā)展到一定階段，就會造成結(jié)構(gòu)的整體破壞。

19、因此，檢測已有橋梁結(jié)構(gòu)在一些災(zāi)害性事件（比如地震、臺風(fēng)等）的健康狀況，或者是監(jiān)測橋梁在日常運(yùn)營中的健康狀況，并對橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行定期和不定期的養(yǎng)護(hù)，都是很有必要的。 </p><p>　　橋梁的健康監(jiān)測就是指利用現(xiàn)場的無損傳感技術(shù),通過包括結(jié)構(gòu)響應(yīng)在內(nèi)的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)特性分析,達(dá)到檢測結(jié)構(gòu)損傷或退化的目的。結(jié)構(gòu)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(yīng)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(jìn)行統(tǒng)計分析,從而獲得結(jié)構(gòu)當(dāng)前的健康狀況。對于長期的健康監(jiān)測,系統(tǒng)得到的是關(guān)于結(jié)構(gòu)在其運(yùn)行環(huán)境中老化和退化所導(dǎo)致的預(yù)期功能變化的實時信息?，F(xiàn)代橋梁結(jié)構(gòu)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(jīng)網(wǎng)絡(luò)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(jié)構(gòu)健康狀態(tài)的評價仍然缺乏統(tǒng)一有效的損傷量化指標(biāo),并且難以反映某個局部構(gòu)件的損傷對整個橋梁的工作狀