斜拉桥钢塔施工阶段振动控制研究

斜拉桥钢塔施工阶段振动控制研究

在施工阶段，大型斜拉桥的主塔结构不稳定，容易受到风荷载的影响，施工过程中的舒适度。在强风和中小型地震的作用下，它也会产生很大的浮力，这可能会导致施工机械和结构的安全。因此，有必要采取安装抗衰减器等振动器等振动器措施，尤其是倾斜桥的钢体塔。由于其低自身阻力，因此更重要。南京长江三桥首次采用了中国自行的钢塔。设计阶段的风洞试验表明，钢塔在不同的施工条件下容易产生主塔和塔臂的联合振动。为确保钢塔安装过程的舒适度和安全性，本研究设计了td和tld振动装置，以对钢塔进行振动响应。在安装过程中，对加工后的制振器进行性能试验。制振器在使用时,其频率应与制振对象振型的频率调谐,阻尼值也应满足优化阻尼的要求.因此,制振器参数应依据实测钢塔的频率和阻尼进行调节.而且,为评价制振器的制振效果,需进行必要的钢塔激振试验.本文对主塔不同施工状态时的频率和阻尼进行了多次测试,并针对钢塔代表性的施工状态,采用环境振动、人力激振和TMD激振的方式测试主塔的振动响应,进行了对主塔动力特性的分析.施工过程中以主塔动力特性的测试结果为依据进行制振器的调节.采用所测得的主塔一阶或二阶固有频率,分别通过测试TMD激振或人力激振钢塔时结构在TMD工作前后的阻尼值以及钢塔环境振动时TID安装(或调节)前后的结构阻尼值,实现了对制振器制振效果的评价.1塔的动力特性的测试和分析1.1钢塔动力特性测试南京长江第三大桥主塔高215m,设四道横梁,其中下塔柱及下横梁为钢筋混凝土结构,以上部分为钢结构.每个钢塔柱分21个节段施工,由附着的塔吊分节段吊装.上横梁一、二、三分别位于节段11、节段16、节段19.在主塔和塔吊间存在三道附墙连接,分别位于节段6、节段12和节段17(图1).在钢塔的施工过程中,对其动力特性始终进行了监测,即在钢塔上部响应较大的位置布置1～2个加速度传感器,多次测试了钢塔在环境振动下的动力响应.对测试数据进行功率谱分析,得到结构的频率.通过随机减量法构建了钢塔模态响应的衰减时程,采用对数衰减率法计算得到结构的阻尼比(表1).1.2环境振动时主塔与塔吊各测点的加速度和时程响应为评价制振器的制振效果以及掌握主塔和塔吊间的相互作用,在主塔和塔吊上布置多个测点(最多达13个),测试其在环境振动下的加速度和位移响应,对主塔和塔吊结构体系的频率、阻尼,特别是体系的振型进行测试分析.本节取两个钢塔代表性的施工状态(南塔施工至节段17和北塔封顶),介绍了主塔和塔吊体系动力特性的测试方法和结果.当南塔施工至节段17(测试状态Ⅰ)时,钢塔与塔吊间已连接两道附墙,而第三道附墙的连接尚未完成(图2a);当北塔封顶时(测试状态Ⅱ),塔吊拆除至钢塔顶端,塔顶吊机已安装完毕,在钢塔与塔吊间连接三道附墙(图2b).在主塔的两个塔柱、塔吊以及制振器TMD上布置传感器,其中塔顶处为伺服型位移传感器,其余为加速度计,传感器主要布置在顺桥向(图2).采用北京东方振动与噪声技术研究所CoinvDasp2005信号采集系统,测试了环境振动、人力激励以及TMD激振时主塔和塔吊各测点处的加速度或位移时程响应.试验时的采样频率为6Hz,滤波频率为3Hz,采样时间为15min.图3给出了测试状态I环境振动时各测点的一段时程曲线.对环境振动时主塔和塔吊在各测点处的时程响应进行模态分析.将所获得的环境振动数据用采样间隔为0.1667s,采样点数为1024的傅立叶变换(FFT)进行功率谱和互功率谱分析,得到各测点的功率谱密度函数以及各测点与参考点信号之间的相干函数及相位差函数,其中几个具有代表性测点的加速度幅值谱(自谱)见图4;采用功率谱密度与相干函数确定各模态的频率(表2);功率谱密度与相位差函数同时用来确定各模态的振型(表3).同样得到了测试状态Ⅱ时的频率(表4)以及相应的模态振型(表5).由钢塔环境振动时的测试数据,通过随机减量法建立钢塔各阶模态振动的自由衰减时程,由对数衰减率法求得结构的模态阻尼比(表2和表4).结构的模态阻尼比还可通过人力激振(或TMD激振)时结构在自由衰减阶段的时程响应算得.在测试状态I时实现了对钢塔的人力激振试验,集合20人左右在塔顶以钢塔的二阶频率(0.697Hz,卓越频率)晃动塔身(图5),当钢塔激至一定振幅后(0.02m·s-2)停止激振,测试钢塔在自由衰减阶段的波形,采用对数衰减率法计算钢塔的阻尼比(表2).此外,对测试状态Ⅰ和Ⅱ分别进行了TMD激振,用人力激振TMD摆锤,因TMD与结构调谐,很容易引起结构共振,当响应振幅达到一定水平时,停止人力作用,记录此后结构响应的衰减过程,用以上相同的分析方法计算钢塔阻尼比(表2和表4).与人力激振的方式相比,TMD的惯性质量大,且激振频率质量高,更易激起较大振幅的结构响应.结构模态阻尼的计算结果表明主塔及塔吊结构体系的一阶阻尼比约为0.89%,二阶阻尼比约为0.70%,均大于国外(日本)报告的同规模钢塔的结构阻尼比平均值0.15%.分析认为,可能的原因是塔吊和桩基础参与了主塔的振动,提供了较大的阻尼.需指出的是,本文提及的以上实测值都是在结构微小振动(小于0.03m·s-2)状态下测得的.1.3理论模型测试为进一步分析主塔和塔吊之间的相互作用.采用ANSYS分析软件建立有限元模型对主塔和塔吊结构体系的动力特性进行了理论分析.分析的对象结构与进行模态振型测试的状态相同(图2).在实测过程中发现,由于塔吊处于工作状态中,其大臂在不停转动,对钢塔的频率和振型有较大影响.因此理论分析模型选择了塔吊大臂的两种极端状况,即横桥向和顺桥向的情况进行了分析.测试状态Ⅰ的分析模型前三阶弯曲振的频率与实测频率的对比型见表2,其振型图见表3.测试状态Ⅱ的分析模型前三阶弯曲振型的计算频率与实测频率的对比见表4.2结构自振频率.在钢塔不同的施工阶段要根据制振需要安装和调节制振器TMD和TLD.制振器的安装时机和位置除了根据设计要求外,还考虑了钢塔现场施工的进展和钢塔实际的振动情况.在主塔的施工过程中,随着主塔结构的增高,其频率也是在不断改变的.因此,为满足调谐的条件,需要不断地调节制振器的自振频率.在钢塔施工过程中,在对钢塔结构动力特性进行监测的基础上实现了对TMD和TLD的调节.制振器首次安装时,其自振频率调至了与钢塔的制振对象振型频率相同.之后,在施工进度较快且现场未发现引起钢塔结构安全性或施工舒适性问题的振动时,未对制振器频率再作频繁的调节.在塔吊爬升(钢塔施工至节段12和节段17)以及钢塔封顶时,钢塔在一段时间内停止施工,结构动力特性停留在一个相对稳定的阶段,针对这一阶段对制振器频率事先进行了凋节.TMD首先安装在钢塔两塔柱10节段外侧的位置上,施工后期,随着钢塔结构的升高,为获得更好的制振效率,将TMD提升至了15节段外侧,TLD始终安装在上横梁二上(图2).3振动效果评估3.1tmd激振试验TMD装置的性能试验结果表明其起动加速度约在6m·s-2左右,而在施工过程中未发生加速度大于6×10-2m·s-2的钢塔振动.因此,在钢塔为测试状态Ⅰ和Ⅱ时,通过钢塔的现场TMD激振试验对TMD的制振效果进行了评价.用人力激振TMD摆锤,当钢塔响应振幅达到一定水平(约0.03m·s-2)时停止人力作用,这时TMD反过来作为制振器开始发挥作用.记录此后结构响应在TMD制振阶段的衰减时程,通过计算自由衰减率得到结构在安装TMD后的结构阻尼,将其与安装TMD前或TMD不工作时的结构阻尼进行比较,即可评价其制振效果.TMD主要针对钢塔及塔吊结构体系的二阶振型进行制振.由实测数据可得,无制振措施时,该振型的结构阻尼比约为0.8%～0.9%.TMD激振试验的实测数据表明,当单个TMD工作时钢塔结构阻尼比可达1.3%.可以推测,当钢塔振动加速度幅值超过TMD的起动加速度,2台TMD同时工作时,结构阻尼比将高于1.3%,满足设计要求.3.2随机减量法建立结构一阶振型TLD针对的制振对象为钢塔及塔吊结构的一阶振型.安装TLD前,由测得的钢塔环境振动响应并通过随机减量法建立了结构一阶振型的衰减时程(图6a),计算其自由衰减率得到钢塔结构的阻尼比为0.69%.TLD在钢塔的环境振动时即开始工作,通过记录安装TLD后钢塔的环境振动响应并建立其衰减时程(图6b),用同样的方法测得钢塔结构阻尼比增加为1.6%,也达到了设计要求.4主要影响因素对钢塔不同施工状态时动力特性的测试和分析表明,钢塔及塔吊结构体系的阻尼大于国外报告的同规模钢塔的结构阻尼平均值.实测结构体系的振型和频率也与理论模型的计算值有些差异.笔者认为,可能的原因是桩基础参与了钢塔的振动以及受到主塔钢-混结合段的抗弯刚度影响.测试数据为今后的同类桥塔设计提供了宝贵资料.在钢塔施工过程中,基于钢塔实测动力特性进行了TMD和TLD的参数调节.对TMD和TLD在工作和非工作状态时的钢塔阻尼测试表明TMD和TLD在工作时提高了钢塔的阻尼值,其性能均满足设计要求.由表2~4知,除实测数据未能识别出测试状态Ⅰ钢塔一阶振型(对应主塔一阶顺桥向弯曲与塔吊二阶顺桥向弯曲的组合振型)外,计算值的前三阶弯曲振型和频率都可以找到与之相对应的实测振型和接近的实测频率值.由于现场布点的困难,模态测试时在塔吊上仅布置了一个测点,未能全面地反映塔吊的振动特性.作为补充,理论分析更充分地揭示了主塔与塔吊的相互作用关系.然而,在理论计算值和实测值之间仍存在着一定的差异,这些差异可能是由以下原因引起的.(1)桩基础的影响.有限元分析的建模是假定主塔和塔吊在根部是固定的,即桩基承台是不动的.但由实测结