公路桥梁设计中的振动与减振控制技术

随着公路交通的“高速化和重载化”逐渐普遍，桥梁所承受的动力荷载也变得越来越复杂。本项目以日车流量超过 3000 辆重载货车的高速公路大跨度连续梁桥为研究对象，在车辆冲击荷载（瞬时峰值可达 2.5 倍静载）和风荷载（平均风速 15 米/s）共同作用下，主梁竖向振动幅度超过 10mm ，横向振动幅度超过 5mm_⨀ 。长期振动可导致桥面铺装层出现规律性裂缝（间距为 2-3 米）、伸缩缝过早损伤（8-3 年）、支座橡胶老化加速（硬度从 60 Shore A 升至 75ShoreA) 。传统的桥梁结构设计侧重于强度和刚度的校核，而不重视振动的控制。

1.公路桥梁振动的成因与危害

1.1 振动成因分类

公路桥梁的振动按其激励源可以分为三类：由车辆引起的振动、由环境荷载引起的振动和由地震引起的振动。在车辆荷载方面，重载车辆（超 55 t）与桥面不平度（ 5mm ）的碰撞激励会促使主梁产生 2-5Hz 的竖向振动（接近主梁的自振频率）。车辆离心力（曲线桥半径为 200m ，车速为 80 公里/小时时为 0.12g ）和横向风荷载（ 25m/s ）共同诱发 1-3Hz 的横向振动。环境荷载中，风载是大跨度（大于 100m ）桥梁最主要的激励源，其顺桥向风振（颤振）和横桥向涡激振动（振幅可达 0.1 倍）极易引起结构不稳定。温度变化（日温差-20℃）引起的结构膨胀也会引起约束部位的振动，从而影响结构的稳定性。地震动是突发性的，地震波以 3-5 公里/秒的速度传播，会引起多向振动，8 度地震时，墩身水平位移超过 20mm ，可能导致支座脱空，墩身开裂。

1.2 振动危害表现

疲劳损伤层面，主梁在交变应力（0.3-0.5）下以 0.02mm/ /次周期扩展，超过 10cm ，承载力降低30%_∘ 。在行车舒适度的劣化中，当垂直振动加速度大于 0.35m/ℏ}² 的时候，驾驶员会出现头晕和颠簸感，而当横向振动加速度大于 0.15m′ /秒² 的时候，驾驶稳定性下降，交通事故风险增加。附属设施损伤方面，振动造成桥面铺装层与主梁之间粘结失效（空洞面积超过 10% ）、护栏螺栓松动（力矩损失超过 40% ）、橡胶胶条破损（漏水率高达 30% ）等。某高速公路连续梁桥监测资料表明，在不采取减振措施的情况下，桥面铺装年维护费高达 20 万元，是减振后的 3 倍。

2.公路桥梁设计中的振动控制技术

2.1 结构优化设计：提升自身减振能

结构优化是实现结构振动控制的根本方法，它可以通过调整结构的几何参数和刚度分布来改变结构的固有特性，从而避免共振频率。采用“工字型+加宽翼缘”截面形式（翼缘宽度由1.5m 增加至 2.0m ），使其抗弯刚度提高 25% ，使竖向自振频率由3 Hz 提升到 4.5Hz ，避免了车辆荷载的主导频率（ 2-5Hz ）。为了提高梁的抗扭刚度，在梁腹板设置加强筋（间距 1.5m，厚 16mm )，使梁的横向自振频率由 2 Hz提高到 3.5Hz ，从而减小了横向振动幅度。简支梁桥跨径选取需避开“跨度-频率”谐振区间， 20m 跨度时固有频率 4.2Hz ，与重载车辆激振频率（ 4-4.5Hz ）交叠，容易发生共振，此时可调跨 22m ，使固有频率提升至 4.8Hz ，共振风险降低 80% 。

2.2 被动减振装置：削弱振动能量传递

被动减振装置不需要外部能量源，依靠耗能元件来吸收振动能量，适合于中小跨度（跨度 ⩽100m ）桥梁。铅芯橡胶支座（LRB）作为竖向减振构件，铅芯直径为 50-80mm ，橡胶层厚度为 20-30mm ，竖向刚度为 50-100kN/mm ，竖向刚度为 10-20kN/mm ；竖向振动时，铅芯发生塑性变形，能量耗散率高达 30%-40% ，竖向振动加速度减小 35%_∘ 。在水平方向上，利用橡胶的剪切变形来吸收能量，在地震作用下，在 50mm 的水平位移范围内仍能保持较好的耗能性能。针对大跨径桥梁竖向振动的调谐质量阻尼器（TMD)，由质量块（10-50 t）、弹簧（刚度 5-20kN/m ）和阻尼器（阻尼系数 5-15kN⋅s/m ）组成，使其自振频率与主梁自振频率一致（误差 ⩽5%) ，在振动过程中，质量块随主梁反向运动，由阻尼器耗散能量。在 50m 跨简支梁桥上加装 2 组 20t 的 TMD，其竖向振动加速度由 0.52m/s² 下降到0.21m/s² ，振幅降低了 60% ，是一种新的结构形式。

3.工程实践案例与效果验证

3.1 某高速公路连续梁桥减振设计

该桥梁为 5 跨连续梁（跨径 ），原设计未采取减振措施，通车后主梁竖向振动加速度达 0.52m/s² （超标 0.35m/s² ），桥面铺装出现多道横向裂缝。在优化设计方面，采用“结构优化+TMD+铅芯橡胶支座”相结合的方法，将主梁翼缘加宽至 2.0m ，抗弯刚度提高 25% ，自振频率由 3.2Hz 提高到 4.6Hz ；将 2 组 TMD （质量为 25 吨/组，自振频率为 4.6Hz ）置于主梁跨中；支座由铅芯橡胶支座（直径 60mm ，垂直刚度 80kN/mm ）替换。优化前后的实测数据表明，结构的垂直加速度值为 0.21m/s² ，满足舒适度要求；应力幅值由 18 MPa 下降到 13 MPa ，疲劳寿命提高了 60% ；年养护费用由20 万元降低到 7 万元，经济效益显著。

3.2 某大跨径斜拉桥风致振动控制

该桥主跨 220m ，原设计仅设置普通抗风支座，涡激振动幅值达 0.12 倍梁高（ 15mm, )，超过规范规定的 10mm 对主梁进行了优化设计，在主梁底部设置了 6m 宽的涡振抑制器（导流板间距为 6m），两侧设置了 1.2m 的高抗风挡板；采用主动风振控制装置（液压执行机构推力为 800kN ，实现对风荷载的实时监测和反作用力的控制。优化后的风洞实验和现场实测结果表明，风振幅度减小到 4mm ，临界风速由 42m/s 提高到 55m/s ，满足百年一遇风荷载要求；横向振动加速度由 0.2m/s² 下降到 0.08m/s ² ，大大提高了驾驶舒适度。

结束语：

综上所述，本文以桥梁结构为研究对象，结合激励形式、结构形式和使用要求，构建“结构优化+被动减振+主动控制”的多级技术体系。被动式减震装置（LRB, TMD）具有造价低、可靠性好等优点，是中、小跨度桥梁的首选方案；主动/半主动控制技术（MRD、液压执行器）响应迅速，自适应能力强，适合大跨度和高风险的桥梁结构。工程实践表明，采用合理的振动控制方法，可以使桥梁的振动加速度降低 40%～60% ，疲劳寿命提高 50%以上，维修费用降低 60% 。

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