橋梁振動(dòng)控制技術(shù)與檢測(cè)養(yǎng)護(hù)技術(shù)進(jìn)展

1、<p>　　橋梁振動(dòng)控制技術(shù)與檢測(cè)養(yǎng)護(hù)技術(shù)進(jìn)展</p><p>　　中圖分類號(hào)：K928.78 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)： </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(dòng)問(wèn)題也越來(lái)越突出，引起了工程界和研究者的重視。我們知道，在車(chē)輛動(dòng)荷載和個(gè)別情況下的人群動(dòng)荷載，風(fēng)力和地震地面運(yùn)動(dòng)作用下，橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的振動(dòng)，會(huì)增大按靜力計(jì)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(huì)形成影響橋上行車(chē)的舒適和安全的振動(dòng)變形。對(duì)于作為交通樞紐及生命線工程的橋梁結(jié)構(gòu), 振動(dòng)問(wèn)題不僅關(guān)系到其正常安全運(yùn)營(yíng), 而且關(guān)系到震后救援工作能否順利開(kāi)展。因此，我們有必要對(duì)橋梁振動(dòng)進(jìn)行研究，并在設(shè)計(jì)中對(duì)橋梁振動(dòng)進(jìn)行控制。 </p><p><b>　　橋梁振動(dòng) </b></p><p>　　橋梁結(jié)構(gòu)的振動(dòng)根據(jù)振動(dòng)的原因可以主要分為三大類,：

3、風(fēng)振、地震以及車(chē)-橋耦合振動(dòng)。一般來(lái)說(shuō)，地震是一種罕遇的、破壞性極大的地面振動(dòng)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(dòng)是一種常遇的、不一定造成橋梁破壞的振動(dòng)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(duì)于車(chē)-橋耦合振動(dòng)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(huì)造成結(jié)構(gòu)破壞，但是對(duì)行車(chē)的舒適性有很大的影響。各

4、種橋梁振動(dòng)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(dòng)可分為兩大類: 一類為發(fā)散性振動(dòng), 包括經(jīng)典耦合顫振、分離扭轉(zhuǎn)振動(dòng)和馳振; 另一類為限幅振動(dòng), 包括渦激振和抖振兩種。發(fā)散性振動(dòng)有造成橋梁空氣動(dòng)力失穩(wěn)而風(fēng)毀的危險(xiǎn)( Tacoma 海峽橋即為一例) , 因而必須避免, 目前主要通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)從截面選型、風(fēng)嘴設(shè)計(jì)、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(dòng), 往往會(huì)造成橋梁構(gòu)件的疲勞損傷或局部破壞; 也可能危及行車(chē)安全或造成司乘人員的不適”此外, 施工階段過(guò)大的振動(dòng)會(huì)造成施工質(zhì)量無(wú)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(dòng)體系橫風(fēng)向的發(fā)散振動(dòng), 主要表現(xiàn)在索結(jié)構(gòu)橋梁的索塔、斜拉索中。對(duì)于

6、索塔, 由于其高度大、施工工況多, 其動(dòng)力特性又在不斷地變化, 馳振抑制主要在施工階段。對(duì)于拉索, 馳振形式有二, 其一為雨振(rain vibration) , 即拉索在雨天會(huì)發(fā)生比晴天更大的風(fēng)致振動(dòng); 其二為尾流馳振, 即背風(fēng)拉索會(huì)比迎風(fēng)拉索發(fā)生更大的振動(dòng)。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(dòng), 即在風(fēng)速不高的情況下拉索橫向局部振動(dòng)。由于拉索是斜拉橋的生命線, 故拉

7、索參數(shù)振動(dòng)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(huì)釋放巨大的能量，引起橋梁的振動(dòng)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(tái)破壞。具體破壞形式有橋墩、橋臺(tái)的沉降、滑移、剪切、壓潰等。橋墩、橋臺(tái)的破壞既有地震時(shí)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(shí), 現(xiàn)行支座的設(shè)計(jì)與制造僅考慮了靜力要求而未考慮其動(dòng)力行為, 亦是造成破壞的一個(gè)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(tái)傾倒、錯(cuò)

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(duì)于鋼橋來(lái)說(shuō)，也常常會(huì)導(dǎo)致鋼箱梁的局部失穩(wěn)。 </p><p>　　(4) 對(duì)于大跨度橋梁來(lái)說(shuō)，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(dòng)控制 </p><p>　　正因?yàn)闃蛄旱恼穑ㄕ瘢﹦?dòng)會(huì)對(duì)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(chē)的舒適性和安全性，我們有必要對(duì)橋梁的振動(dòng)采取一些控制措施。目前主要采用的振動(dòng)控制手段主要可以分為被動(dòng)、主動(dòng)、半主動(dòng)振動(dòng)控制系統(tǒng)和橋梁減隔震措施。 </p><p>　　2.1 橋梁振動(dòng)被動(dòng)控制系統(tǒng) </p><p>　　橋梁風(fēng)致振動(dòng)的被動(dòng)控制不需要提供外部能源，可分為氣動(dòng)措施和機(jī)械措施。氣動(dòng)措施是通過(guò)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(guò)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(guò)增加結(jié)構(gòu)剛性、質(zhì)量、阻尼而減少振動(dòng)，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(dòng)使梁體振動(dòng)大大減小，故又稱之為動(dòng)力吸振器。但是由于這些機(jī)械減振措施僅對(duì)個(gè)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(guò)其造價(jià)低廉，易于實(shí)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(shí)例有：英國(guó)Kessock 斜拉橋、法國(guó)Normandy 斜拉橋、泰國(guó)Dao Khanong 斜拉橋、我國(guó)虎門(mén)副航道橋；九江長(zhǎng)江大橋吊桿采用了TMD 來(lái)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(dòng)的主動(dòng)控制 </p><p>　　橋梁風(fēng)致振動(dòng)的主動(dòng)控制是利用外部能源,在結(jié)構(gòu)受激勵(lì)振動(dòng)過(guò)程中，對(duì)結(jié)構(gòu)施加控制力，從而達(dá)到迅速減

13、振的目的。主動(dòng)控制研究的主要內(nèi)容和難點(diǎn)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(dòng)連桿控制(Active Bracing System)、主動(dòng)調(diào)質(zhì)阻尼器系統(tǒng)(AMD) 控制和電液伺服主動(dòng)支座。其中AMD系統(tǒng)是在被動(dòng)調(diào)質(zhì)阻尼器( TMD) 的基礎(chǔ)上增加了主動(dòng)控制系統(tǒng)而形成的。它通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)施加主動(dòng)控制力, 克服了TND 系統(tǒng)對(duì)地震運(yùn)動(dòng)頻率敏感的缺點(diǎn), 從而顯著提高了減振效果。主動(dòng)控制方法由于其對(duì)振動(dòng)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(dòng)控制系統(tǒng)都比較昂貴，一般都需要較大的能量和多個(gè)作動(dòng)器，在實(shí)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(dòng)的半主動(dòng)控制 </p><p>　　半主動(dòng)控制是集合了被動(dòng)控制和主動(dòng)控制的特點(diǎn)而提出來(lái)的一種振動(dòng)控制方法。其基本原理仍然是改變橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性來(lái)達(dá)到減隔振的目的。半主

15、動(dòng)控制與主動(dòng)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(shí)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(dòng)控制具有較大的研究和應(yīng)用開(kāi)發(fā)價(jià)值, 是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。常見(jiàn)的半主動(dòng)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(shí)際工程來(lái)看，半主動(dòng)控制系統(tǒng)與被動(dòng)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(dòng)盡可能的分離開(kāi)來(lái)。為了達(dá)到這個(gè)目的可以通過(guò)延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的周期,避開(kāi)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(zhǎng),結(jié)構(gòu)的位移反應(yīng)必然隨著增加,可能會(huì)造成設(shè)計(jì)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(huì)發(fā)生有害的振動(dòng)。為了控制結(jié)構(gòu)的有害振動(dòng)減小結(jié)構(gòu)的變形,可以通過(guò)增加結(jié)構(gòu)阻尼來(lái)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?chē)谏顪匣蚵袢肫帘伟宓?將長(zhǎng)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(zhǎng)、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(guò)使用抗震支座來(lái)實(shí)現(xiàn)。 </p><p>　　3.橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)和養(yǎng)護(hù) </p><p>　　橋梁的振（震）動(dòng)是長(zhǎng)期存在的，即使我們采取各種振動(dòng)控制和隔震措施，也不能完全避免。但是，橋梁振動(dòng)往往又會(huì)帶來(lái)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(huì)造成結(jié)構(gòu)的整體破壞。

19、因此，檢測(cè)已有橋梁結(jié)構(gòu)在一些災(zāi)害性事件（比如地震、臺(tái)風(fēng)等）的健康狀況，或者是監(jiān)測(cè)橋梁在日常運(yùn)營(yíng)中的健康狀況，并對(duì)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(cè)就是指利用現(xiàn)場(chǎng)的無(wú)損傳感技術(shù),通過(guò)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(cè)結(jié)構(gòu)損傷或退化的目的。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的過(guò)程包括:通過(guò)一系列傳感器得到系統(tǒng)定時(shí)取樣的動(dòng)力和靜力響應(yīng)測(cè)量值,從這些測(cè)量值中抽取對(duì)損傷敏感的特征因子

20、,并對(duì)這些特征因子進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,從而獲得結(jié)構(gòu)當(dāng)前的健康狀況。對(duì)于長(zhǎng)期的健康監(jiān)測(cè),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(shí)時(shí)信息。現(xiàn)代橋梁結(jié)構(gòu)整體健康監(jiān)測(cè)可以規(guī)為三大類：（1）指紋分析和模式識(shí)別方法；（2）模型修整與系統(tǒng)識(shí)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(diǎn)，在此就不詳述了。但是，總體來(lái)說(shuō)，目前對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)的評(píng)價(jià)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(gè)局部構(gòu)件的損傷對(duì)整個(gè)橋梁的工作狀