多模态理论张德禄_文章发表：基于黏性剪切阻尼器的拉索多模态振动控制

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基于黏性剪切阻尼器的拉索多模态振动控制

陈林，狄方殿，许煜远，孙利民*，许映梅，王鲁钧

论文链接：

https://doi.org/10.1002/stc.2536

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研究背景

大跨度斜拉桥的设计使用寿命通常为100年甚至更长，拉索的服役年限也在50年以上。然而，由于拉索的振动和交通引起的准静态荷载作用，拉索阻尼器的使用寿命通常较短，约为10年。因此，开发低成本、维护要求低的阻尼器具有重要的现实意义。黏性剪切阻尼器是一种把拉索的振动能量通过粘性介质的剪切变形而耗散掉的阻尼器，其结构简单，成本低廉。此外，它没有流体粘滞阻尼器或油阻尼器在长期使用后出现的问题，包括液体的泄漏和连接轴磨损出现间隙等。日本于20世纪90年代对黏性剪切阻尼器进行了研究，目前该种阻尼器在日本和中国都有较多应用，且主要用于中、短索。本研究依托苏通大桥，通过理论分析、阻尼器单体试验与实桥拉索减振试验等方法，对黏性剪切阻尼器进行了详细的研究，分析黏性剪切阻尼器对于超长拉索的多模态振动控制效果。

试验拉索

本文选取了苏通大桥三根不同长度的拉索进行阻尼器的设计和试验研究，拉索布置如图1所示，试验拉索参数见表1。

图 1：苏通大桥(a)南桥塔照片；(b)本文涉及的三根拉索

表1 拉索参数

阻尼器单体试验

通过试验机对阻尼器施加给定频率和振幅的正弦强迫位移，采集阻尼器实际变形和对应抗力的时程数据，单体试验如图2所示。考虑时程数据的稳定性对阻尼器进行了十个周期的加载。强迫振动的频率根据对应拉索的振动模态频率选取。试验发现黏性剪切阻尼器自身刚度较大，采用Kelvin-Voigt模型(见图3)模拟其特性。对于每个固定频率和振幅的测试工况，根据最后一个加载周期的力和位移采用最小二乘法估计阻尼器的等效刚度系数和等效阻尼系数，如图4所示。

图 2：阻尼器(a)单体试验；(b)阻尼器实桥安装

图 3 Kelvin-Voigt模型

图 4 某一黏性剪切阻尼器参数识别结果

理论分析方法

本文采用复模态的分析方法，建立了考虑拉索垂度以及阻尼器内刚度的精细化分析模型，模型如图5所示。理论模型用于预测阻尼器对实桥拉索阻尼效果，见图6。

图 5 拉索—阻尼器理论分析模型

图 6 分析理论用于阻尼器减振效果的预测

实桥试验

将设计好的阻尼器安装在目标拉索上进行实索试验，试验现场的布置情况如图7所示。

本文试验通过拉索自由衰减振动得到拉索模态阻尼特性。具体的步骤是：对拉索某一目标阶模态进行激励，待拉索的加速度幅值达到一定数值后停止激励使其作自由衰减振动，通过对滤波处理后的自由衰减加速度时程数据曲线拟合可以得到该工况下拉索的对数衰减率及模态阻尼比。为研究阻尼器对拉索的多阶模态的阻尼作用，试验中尽可能多的激起拉索不同阶模态振动。对于拉索而言一般只关心3Hz以内的振动，因此试验中仅选择个别代表性的高阶振动进行测试。为了激起不同阶拉索的振动，试验中拉索的激励采用激振器和人工激励配合完成。

部分测试结果见表2。通过理论和试验阻尼效果对比可知，分析理论可以较好的预测阻尼器的实际阻尼效果，见图8。

图 7 实桥试验

实桥试验部分视频

表2 部分测试结果

图 8 试验和理论阻尼效果的比较：

(a)拉索1；(b)拉索2；(3)拉索3

结论

本文基于苏通大桥，就黏性剪切阻尼器进行了理论与试验研究。研究主要结论如下：

• 黏性剪切阻尼器虽然结构简单，但能对斜拉桥中的长索提供满意的多模态控制效果，其效率系数(相比于理想粘滞阻尼器)大多在30%～50%之间。

• 在进行拉索阻尼器系统分析时，黏性剪切阻尼器可以用Kelvin–Voigt模型模拟，并需要考虑系数的振幅和频率依赖性。分析预测结果与现场测量结果一致，因此，本文提出的室内试验和理论分析方法可用于黏性剪切阻尼器的实际设计。特别是，在小振幅变形条件下，利用所测试的阻尼器特性，可以确定阻尼器对每种拉索模态提供的阻尼效果的下限。

• 黏性剪切阻尼器的阻尼系数随阻尼器变形频率的增加而减小，有利于拉索多模态的振动控制

• 黏性剪切阻尼器具有较大的内刚度，这将影响该类阻尼器的减振，未来黏性剪切阻尼器的设计应考虑降低阻尼器的内刚度。

作者简介

陈林

同济大学桥梁工程系副研究员

研究方向：结构振动控制

狄方殿

同济大学桥梁工程系博士生

研究方向：结构振动控制

许煜远

同济大学桥梁工程系硕士

研究方向：结构振动控制

孙利民

同济大学桥梁工程系主任/教授/博士生导师

研究方向：桥梁健康监测、振动控制

许映梅

江苏苏通大桥有限责任公司

高工

王鲁钧

无锡弘谷振控技术有限公司

长期从事拉索阻尼器的研发工作

引用格式：

Chen L, Di F, Xu Y, Sun L, Xu Y, Wang L. Multimode cable vibration control using a viscous-shear damper: Case studies on the Sutong Bridge. Struct Control Health Monit. 2020;e2536. https://doi.org/10.1002/stc.2536

全文下载链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/stc.2536

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