桥梁斜拉索振动控制及主动减振研究

0 前言

斜拉索属于斜拉桥的关键受力构件，其振动控制和桥梁安全性耐久性直接相关，随着桥梁跨度不断增大，斜拉索长度持续增加使得振动问题日益突出 传统被动控制方法虽能在一定程度上抑制振动，但面对超长拉索多模态振动特性控制效果有限。主动减 过实时调节控制参数更好适应斜拉索振动特征，深入研究斜拉索振动控制及主动减振技术对提升大跨度斜拉桥结构性能有重要理论价值和工程意义。

1 工程概况

1.1 沪苏通长江大桥工程背景

沪苏通长江大桥主航道桥位于长江下游水系的位置，连接着张家港与南通这两岸地区，其跨径布置为(140+462+1092+462+140)米且全长2296 米，属于目前已建成世界上主跨最大公铁两用斜拉桥[1]。大桥采用公铁合建这种工程模式来建设，上层是双向六车道的高速公路路段，下层有设计时速200 千米的双线铁路以及设计时速250 千米的双线客运专线，加劲梁采用双层箱桁 - 板桁协同结构的三主桁体系，桁宽达到 35 米而桁高为16 米。大桥在运营阶段恒载作用的情况下，主桁杆件的最大轴力能够达到33MN，索力也接近 10MN，为满足大桥巨大的受力方面需求，首次采用Q500qE 高性能钢和2000MPa 级平行钢丝斜拉索，全桥一共设置432 根斜拉索，其中最长拉索达到576.5 米且总质量为83.5 吨。

1.2 超长拉索结构特征与参数

超长斜拉索的结构特征是体现在几何尺寸、材料性能和力学参数综合配置上，以M31 号斜拉索作为典型代表其索长达到 507.137m ，它采用PESC7 - 421 型平行钢丝束且钢丝截面积为162.02cm²，该斜拉索与主塔的夹角是24.168°并且设计索力达到9166kN，其基频数值仅为0.257Hz[1] 。如此低的基频反映高柔性特征，超长拉索长细比和柔度系数远超常规斜拉索设计范围，拉索采用三索面布置形式且钢丝束平行排列确保承载最大化，超长拉索质量密度分布呈现均匀线性特征且单位长度质量较小，这使得整体结构的阻尼特性处于偏低的状态水平。拉索与主塔和主梁连接方式采用锚拉板构造且锚点在桥面以上，这种边界条件显著影响拉索振型分布和频率特性。

1.3 多模态振动问题识别与分析

超长斜拉索在外界激励作用时会表现出复杂多模态振动特征，其振动频率覆盖1.29 至12.9Hz 宽广频谱范围，对应的振型阶次从5 阶一直延伸至 50 阶远超传统范围[1]，中低阶振动主要分布在1.29 至3.86Hz 频段对应 5 至15 阶振型，振幅相对较大且持续时间较长主要由风雨耦合激励引起，高阶振动集中在11.8 至 12.9Hz 频段对应46 至50 阶振型，振幅相对较小但频率较高主要源于涡脱激励机制。超长拉索沿其长度方向承受的风荷载有显著空间变异性，风速梯度效应让不同高度处的涡脱频率呈现差异化分布，从而激发特定频段的振动响应情况出现，风场的时变特性导致激励频率发生动态变化，使拉索振动表现为频段的整体漂移现象产生。多模态振动之间的耦合作用进一步复杂化振动机理，不同阶次振型的相互影响使振动响应呈非线性特征，传统的单频控制方法难以取得理想的抑振效果。

2 斜拉索振动控制技术

2.1 协同控制技术设计方法

针对超长拉索 5 至50 阶多模态振动控制的需求，协同控制技术采用ELMD 与MTMD 分频段控制的设计思路，M31 号拉索振动测试结果显示 .29 至 3.8 的 对应5 至15 阶的振型，高阶振动集中在 11.8 至 12.9Hz 的频段， 式阻尼器控制盲区的识别，当ELMD 安装位置比为 2.2%的时候，索夹位 第 23 阶 型位移的峰值点处，对中低阶振动具有良好控制效果[1]，针对高阶振动控制的需求，在外置式阻尼器控制盲区中心频率对应模态的最大振幅处安装MTMD 阻尼器，通过两种阻尼器的协同工作来实现对超长拉索多模态振动的有效控制。

2.2 振动控制装置设计参数

根据协同控制技术的设计方法，振动控制装置选用ELMD 与 MTMD 双重配置方案来达成差异化频段控制功能。ELMD 运用杠杆放大和齿轮放大双重机制，杠杆系统对拉索微小位移进行几何放大，齿轮传动系统进一步放大转动角度，阻尼系数设计成 8×10⁴ ⁴ ，安装位置比精确控制在 2.2% 且安装高度为 5.7m，MTMD采用摆锤式结构进行设计。钢绞线提供刚度和阻尼特性，两个圆柱形质量块各自重量为 21.5kg，调谐频率分别设定成 11Hz 和 13.5Hz，阻尼比为 10% ，安装位置比是 1.1%^[2] ，装置参数配置充分考量了拉索的边界条件和受力特性，为工程应用提供了相应技术支撑。

2.3 振动控制技术工程应用

振动控制技术在工程应用时采用分阶段实施与验证策略 以此确保协同控制系统具备可靠性和有效性，沪苏通长江大桥工程实施过程中， 法测试中低阶振动控制效果，验证阻尼对数衰减率达到了设计 配实现对高阶振动的精确控制，现场应用情况表明，协同控 ，消除了传统单一阻尼器存在的控制盲区问题。长期监测数据显示， 斜 稳定，为超长拉索减振提供了可靠的技术保障。

3 斜拉索主动减振技术

3.1 主动减振性能测试分析

主动减振性能测试依靠阻尼对数衰减率和振动加速度这两个核心指标来进行定量评估，协同控制技术对中低阶振动的控制效果通过现场激励测试得以验证。1 至12 阶振动模态的阻尼对数衰减率全都达到 3%lλ 上[1]从而满足风雨振控制技术要求，高阶振动控制通过频域分析得到确认，40 至 53 阶振动模态的阻尼对数衰减率超过1.5%[2]进而有效抑制了涡激振动响应。性能测试结果表明，主动减振技术把有效控制范围从传统的25 阶以下扩展至60 阶，控制频率范围覆盖1.29 至12.9Hz 且消除了单一阻尼器在高频段的控制盲区。

3.2 主动减振系统长期监测

主动减振系统长时间监测数据表明协同控制装置在不同工况均稳定工作，正常运营期间超长拉索振动加速度稳定控在 0.01g 以下。极端天气条件验 ，台风“烟花”过境风速达18 至35m/s 最大振动加速度为 0.012g^[2] ，沪苏通长江大桥共安装636 套减振装置 432 套外置式阻尼器和 204 套调谐质量阻尼器覆盖全桥斜拉索，长期监测系统显示减振装置维护频率低且系统运行稳定性良好 。

.3 主动减振技术工程适用性

沪苏通长江大桥验证了主动减振技术在超长拉索振动控制里的工程适用性，这项技术适用于索长超过500m且基频低于0.3Hz 的超长拉索振动控制，和传统控制方法相比主动减振技术控制频带从单一频段扩展到5 至60阶模态范围且控制精度提升显著[3]。该技术的工程推广适用于主跨超过 1000m 的特大跨度斜拉桥，尤其是采用梁端锚拉板构造的桥梁结构，工程实践显示这项技术安装周期大概6 个月，系统稳定运行期超过4 年能为同类型桥梁工程提供技术参考 。

结语

斜拉索振动控制以及主动减振技术研究，为大跨度斜拉桥超长拉索振动问题给出工程解决方案，借由沪苏通长江大桥工程实践协同控制技术成功解决 控制难题。中低阶振动阻尼对数衰减率达到3%以上高阶振动阻尼对数衰减率超过 1.5% ，正常运营期间振动加速度被控制在0.01g 以下。该技术消除传统单一阻尼器的控制盲区为超长拉索振动控制提供技术参考，对同类型桥梁工程具备工程应用价值。

参考文献

[1] 柴小鹏,查道宏,汪正兴,赵海威,盛能军.大跨度斜拉桥超长拉索多模态振动阻尼协同控制技术研究[J].铁道标准设计,2024,68(4):95-101.

[2] 查道宏.沪苏通长江公铁大桥斜拉索高阶振动控制研究[J].桥梁建设,2022,52(6):1-7.

[3] 汪志昊,程志鹏,王浩,岳方方,郜辉.电涡流惯质阻尼器对斜拉索振动控制研究[J].土木工程学报,2021,54(12):53-63+115.