研究使用TMD型配重的大跨度斜拉桥的风振控制问题技术报告

1、技术报告 研究使用TMD型配重的大跨度斜拉桥的风振控制问题 Chenxi Xing; Hao Wang, Ph.D., A.M.ASCE; Aiqun Li, Ph.D.; and Yan Xu摘要：它已广泛承认,调谐质量阻尼器(TMD)可以有效地控制大跨度桥梁的主甲板的风振。然而, 如果TMD是直接安装在主甲板上，那么关于增加的恒载的静态特征的不利的影响无法避免。一个TMD型配重设计在本文中，其中最初设计用于减少位于在中央跨度活载引起的位移的配重被作为TMD的质量块。苏通斜拉大桥（SCB),主跨1088米,就是一个例子。与固定配重和建议的TMD-型配重桥的抖振响应进行比较，并且还研究了使用和

2、不使用辅助墩桥的控制性能，结果表明，TMD对减少无辅助墩主甲板的振动有显着的影响，而对辅助墩桥的影响并不显著。DOI：10.1061/（ASCE）BE.1943-5592.。土木2014美国社会工程师。 关键词：苏通斜拉桥;调谐质量阻尼器（TMD）;风致振动;斜拉桥; 抖振响应。介绍随着增量桥梁跨度和灵活性，大跨度桥梁的动力问题日益显著。动态风行动的敏感性增强与模态频率的降低。因此，风能已成为设计超大型大跨度桥梁的主要控制荷载。近年来，大量的大跨度索支梁桥正在兴建或或正在规划中。在江苏省，就有许多世界知名的大跨度桥梁，包括苏通大桥斜拉桥（SCB），润扬大桥悬索桥江阴悬索桥，台州悬索桥，南京2号

3、长江大桥，和南京3号长江大桥，等等。 该调谐质量阻尼器（TMD）可有效控制大桥梁的主甲板的风振。藤野和吉田（2002）把TMDS适用于10跨连续钢箱梁桥，而且在控制涡激振动表现良好。Gu et al. （2001）研究了关于使用防效TMD系统的杨浦大桥的抖振控制。根据他们以前的研究，Gu et al. (2002) 然后提出了半主动控制杆大跨度桥梁风致振动TMD的概念连同相关的案例研究。Lin et al. (2005) 设计了TMD系统上的一座铁路桥，以改变动态特性，避免共振。Li(2000) 通过比较两类TMDs的一个单一的TMD，调查了TMD对有效性和坚韧性的最佳参数。Chen and

4、Kareem (2003) 研究了TMD的控制从负阻尼产生自激运动的功效，并且研究了在控制多模桥梁颤振的有效性和局限性。 因为桥面上的静载荷的增大会对它的工作性能造成一些不利影响，TMD的桥面上的应用会受到严重限制。另一方面，为了保持主梁的几何结构，块状配重通常安装在侧跨度和附近的辅助墩，以保持塔的直链和以减少位移在中央跨距当侧跨度/主跨度比例是比较小的斜拉桥。在这项研究中，安装在靠近辅助墩大量的配重被改造成一个TMD。TMD型配重的好处是他们的能力，以减少结构响应动态负载下，如风力，同时保持其原有的功能作为一个配重。把SCB作为一个例子，有辅助墩和无辅助墩桥的TMD-型配重的控制性能 在边跨

5、进行了调查。SCB的说明连接苏州和南通市，SCB是全球拥有1,088米的主跨的第二长斜拉桥，如图 1。此外，桥上有其它三个记录在 世界各地，包括300.4米的主塔的高度， 580 m的电缆长度和群桩基础的平面尺寸的电缆长度 113:75348:1 米。桥梁建设已于2003年6月启动 ，在2008年5月25日通车。 SCB是钢箱梁斜拉桥。整体宽度包括41.0米两个风整流罩，高度为4.0米的中心线的流线型的扁平钢箱梁被使用。这两个主塔都倒Y字型而且包括上，中，下柱和下横梁。至于塔，总高度的230.41米是上述主梁，为了增加对桥梁的压曲失稳的安全性，配备了限位器8的流体粘滞阻尼器被用作纵向支承在甲板

6、和塔的交接处。抑制力是每个9,870千牛（Zhang and Chen 2010）。平行线电缆内带16M强奎甲板和2M强奎塔的间隔通过，电缆总数量为。其中，最长的电缆的长度为577米，PES7-313的最大尺寸。一百三十一钻孔灌注桩与钢管的内径2.8米构造支持每一个塔。桩的长度是117米,布局是梅花形。哑铃形桩帽是51:35348:1米，从5.0厚度增加至13.3米。有与11:05328:1米的尺寸和厚度的两个桩帽之间6米的连接梁。以平衡主跨的重量，铁砖被施加到两个侧跨度为配重。铁砖的质量在每一侧都是4327吨，包括辅助墩和锚墩。桥的配置是在图2示意性标出。 图1.SCB（王浩拍摄） 图2.S

7、CB的配置：(a)高度（米）,(b)钢箱梁横截面（毫米） 有限元模型和在SCB的动态特性SCB的有限元建模基于ANSYS（斯旺森分析系统2004），建立三维（3D）有限元（FE）模型中的SCB的，如图所示。 3。在这个模型中，钢梁，横隔板，塔和桥墩是由传统的3D两节点梁单元（梁4在ANSYS中）与六自由度（自由度）模拟在每个节点。梁是离散的基础上，斜拉索的悬挂点。截面积和SCB的钢箱梁的密度分别是1.91，。该三维仅拉伸桁架元素（链路10）用于斜拉索。安装在甲板和塔的路口的液体粘滞阻尼器是由一个双节点弹簧阻尼元件（COMBIN14）模拟的。阻尼系数是3750千牛/（米/秒），并且是刚性100M

8、N/m。斜拉索刚度由于重力的非线性是由线性刚度近似使用等效弹性系数的恩斯特方程得到的（安永会计师事务所1965）。平移度横向隔膜和码头 被耦合在垂直和横向方向上。码头和塔被固定到基础上。动态特性 大跨度斜拉桥是一种灵活的结构，它具有显着的几何非线性。为了获得SCB的频率和振型，预应力模态分析，执行下列基于ANSYS（斯旺森分析系统2004）大挠度静力分析。第200天然 频率和在SCB的振动模式所使用的子空间法计算。第20模态频率已经被提取，并上报Wang等人。（2013）在SCB与原配重大多与本研究相关的模式在表1提供，图4显示了一些典型的振动模式。 在大跨度斜拉桥，辅助墩主要用来承受拉力和压

9、力主要是由于活荷载和提高边跨的刚度。为了进行比较分析，并探讨大跨度斜拉桥的风振控制TMD型配重的可行性，还提供了表1无辅助墩SCB的动态特性。当辅助桥墩被除去时，斜拉索的截面面积被调整，因此，在静载荷下的两个桥系统的甲板挠度是相同的。在表1中，f1和f2分别是频率带和不带辅助桥墩。 表1和图4中示出，由于桥的宽跨比是比一般斜拉桥的较小，所以横向弯曲模式出现早于垂直方向的弯曲振动。因为在主甲板的风引起的垂直位移相对较大，对SV-1和SV-2（其中S =对称和V=垂直）振动模式在这项研究中被TMD控制选择。在与原桥相比，具有横向和扭转模式相关联的模态频率较小，但如果辅助桥墩被去除会显着地降低这些的

10、垂直模式。 表1.桥的一些典型的模式和频率 图3.SCB的空间有限元模型 注：A =不对称，L=横向，S=对称，T=扭转; V =垂直 图4.在SCB的一些典型振动模式：(a)纵向浮动震动;(b)S-L-1振动;(c)S-V-1振动;(d)ST-1振动; S =对称，L=横向，V=垂直，T=扭转 TMD的型配重设计TMD的型配重的概念 TMD是由一质量块和弹簧和阻尼器（SD）组成的系统，当它被连接到一个主结构和适当的调谐的系统中，在TMD系统里质量块的振动方向是相反于主要的结构，则质量块总是可以提供一种惯性力，这是相反于通过弹簧连接的主体结构的运动。TMD的系统将大大减轻结构动态响应。在大跨度斜拉桥，配重，总是使用在两个边跨时边跨/主跨的比例相对较小。在SCB属于这种类型的桥梁，因为它的边跨/主跨比小于0.5。配重SCB的钢箱梁的典型剖面如图5所示。 图5示出了配重上的SCB钢箱梁的底板直接安装。很明显，它可以转化到TMD的系统中，如图6所示。由于 S-V-1和S-V-2的振动模式选择在本研究中被控制，该TMD的设计参数进行相应计算。 图6示出了TMD系统由等效质量，一个SD，和上部和底部连接板。等效质量，其位于上部和底部板之