李　宇， 潘　彪， 李　琛， 汪　潔， 高　亮

(1.長安大學(xué) 公路學(xué)院 舊橋檢測與加固技術(shù)交通行業(yè)重點試驗室, 西安　710064；2. 長安大學(xué) 建筑學(xué)院，西安　710064；3. 西安建筑科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，西安　710055；4. 西安理工大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，西安　710048)

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抑制斜拉橋施工階段風(fēng)致振動的水阻尼器可行性研究

李宇1， 潘彪1， 李琛2， 汪潔3， 高亮4

(1.長安大學(xué) 公路學(xué)院 舊橋檢測與加固技術(shù)交通行業(yè)重點試驗室, 西安710064；2. 長安大學(xué) 建筑學(xué)院，西安710064；3. 西安建筑科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，西安710055；4. 西安理工大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，西安710048)

相對于成橋狀態(tài)，斜拉橋最大雙懸臂施工階段的剛度低、阻尼小，更容易產(chǎn)生風(fēng)致振動。建議了一種安裝拆卸方便、成本較低的水阻尼器，并進行了CFD仿真分析和減振試驗，以驗證其抑制斜拉橋施工期風(fēng)致振動的有效性。結(jié)果表明：① 水阻尼器能顯著增大阻尼系數(shù)，減輕結(jié)構(gòu)振動；② 過小的開孔率不能有效利用水阻尼器內(nèi)部流體的黏滯作用來耗能，而過大的開孔率則使得水阻尼器上下游兩個表面壓力差減小嚴(yán)重；③ 在靠近水阻尼器兩側(cè)位置開孔，會使得外部繞流的旋渦在其兩側(cè)脫落；而靠近中心位置的開孔則可以使大漩渦在其下游面上脫落，有利于增大阻力系數(shù)；④ 側(cè)孔對系統(tǒng)阻尼的影響將會隨水阻尼器上下游兩面開孔的不同而改變，過大或過小的側(cè)面開孔都會顯著降低阻尼系數(shù)；⑤ 水阻尼器體積的增大會降低減振效果，同時還應(yīng)合理設(shè)計水阻尼器的最優(yōu)的孔隙率，以達到最佳減振效果。綜上所述，水阻尼器能有效抑制結(jié)構(gòu)振動，且成本低廉、施工方便，特別適用于某些只需在施工期進行短期風(fēng)振控制的橋梁。

斜拉橋；最大雙懸臂施工；水阻尼器；風(fēng)致振動；減振耗能

大跨斜拉橋在風(fēng)力作用下易發(fā)生變形和振動，特別是它的施工階段(最大單雙懸臂狀態(tài))所受約束少，結(jié)構(gòu)更輕柔，其抗風(fēng)性能較成橋狀態(tài)有很大降低。因此，有必要對斜拉橋施工階段采取臨時性的抗風(fēng)措施。李永樂等[1]對大跨斜拉橋的施工階段增設(shè)抗風(fēng)臨時拉索和利用塔旁托架，結(jié)果表明可以有效控制大橋抖振響應(yīng)；康小英[2]對施工階段的斜拉橋的橋塔進行了TMD制振措施的研究。唐啟等[3]提出了將分幅式斜拉橋施工期主梁與墩旁的托架臨時連接的經(jīng)濟有效的制振措施； 瞿偉廉等[4]提出了利用U型水箱對世紀(jì)橋施工雙懸臂結(jié)構(gòu)抖振控制的設(shè)計方法；宮成等[5]采取“下拉索+TMD”施工抗風(fēng)措施有效地降低了橋梁結(jié)構(gòu)風(fēng)致振動響應(yīng)；Dung等[6]研究了主動質(zhì)量阻尼器(AMD)來提高橋梁節(jié)段模型的顫振穩(wěn)定性；Xu等[7-8]提出采用多個TMD使其頻率分布在一定范圍內(nèi)，則能提高控制系統(tǒng)的魯棒性，以達到較好的減振效果；Kareem等[9-12]研究對比了單個調(diào)質(zhì)阻尼器以及多重調(diào)質(zhì)阻尼器的減振效果；袁小欽等[13]結(jié)合了磁流變阻尼器和調(diào)諧質(zhì)量阻尼器，對MR-TMD減振裝置進行了研究。雖然上述抗風(fēng)減振措施都能取得一定的減振效果，但它們的造價較為昂貴且安裝比較復(fù)雜[14-15]。因此，本文建議了一種成本較低、安裝拆卸方便且不影響成橋后景觀的水阻尼器，以保障大跨斜拉橋施工及人員的安全。

1　水阻尼器的設(shè)計思路

依據(jù)斜拉橋最大雙懸臂施工階段的結(jié)構(gòu)特點，本文設(shè)計并布置了水阻尼器，具體步驟如下：

1) 制作蜂窩煤狀的空心鋼沉箱(圖1)，除頂面外的其它各面都打孔，且各孔洞都是沿著水平向布置并貫穿鋼沉箱；

2) 將水阻尼器沉沒入水中，并用鋼索將水阻尼器與加勁梁最大雙懸臂的端部相連；

圖1　水阻尼器及其布置Fig.1 Arrangement of water-damper

3) 當(dāng)梁體發(fā)生風(fēng)致振動時，會帶動水阻尼器在水中上下運動，進而使水流不斷進出水阻尼器；

4) 水阻尼器在水中運動受到的阻力分為壓力與黏滯力兩部分：

Fd=Fp+ Fv

(1)

式中：Fd為阻力；Fp為表面壓力差；Fv為表面黏滯力?？梢钥闯觯蟪叽绲乃枘崞鞅砻鎵毫宛Υ?，從而能更有效地提供阻尼。另外，水流流經(jīng)水阻尼器表面的小孔后，由于截面突然發(fā)生變化，水流將產(chǎn)生局部水頭損失。局部水頭損失與水流在孔洞處速度的平方成正比：

(2)

(3)

式中：Q為非保守力做的功，表示為水頭損失的函數(shù)；T為水流運動的能量；U為水流運動的勢能；η為水流距平衡位置的距離。

6) 根據(jù)式(1)～(3)可知，水阻尼器在水中的運動受到水流阻力的作用，這樣即可不斷消耗由加勁梁傳遞來的風(fēng)致振動的能量，進而達到抑制加勁梁風(fēng)致振動的目的。

7) 水阻尼器的適用條件：要求有較深的水位以滿足水阻尼器在水流中的上下運動；若水流流速太大，可能會對水阻尼器產(chǎn)生影響，此時應(yīng)在水阻尼器運動位置處設(shè)置注滿水的鋼管樁，使水阻尼器能在管內(nèi)進行工作。

2　水阻尼器的CFD仿真分析

為驗證水阻尼器減振效果的有效性，本文采用計算流體力學(xué)軟件Fluent對其阻尼系數(shù)進行數(shù)值模擬分析。為減少計算量，將水阻尼器的三維模型簡化為二維平面模型，這同樣可以反映開孔直徑、開孔間距、開孔率等因素對水阻尼器阻尼系數(shù)的影響。計算參數(shù)如下：① 水阻尼器模型尺寸20 cm×20 cm；② 水流密度ρ=1 000 kg/m3，黏度μ=1×10-3Pa·s；③ 水阻尼器上游為速度入口，兩側(cè)為對稱邊界，出口邊界為充分發(fā)展流，模型表面為光滑壁面；④ 如圖2所示，計算域大小的確定以邊界條件不影響水阻尼器周圍壓力分布為準(zhǔn)，入口與兩側(cè)與水阻尼器的距離均為100 cm，出口與水阻尼器的距離為200 cm；⑤ 采用二維5方程的雷諾應(yīng)力模型來計算湍流，使用非定常流計算，在初始步驟迭代至阻尼系數(shù)穩(wěn)定，以0.001 s的時間步長計算至5 s，最終的阻尼系數(shù)為5 s內(nèi)的阻尼系數(shù)的平均值。

圖2　計算域及邊界設(shè)置Fig.2 Computational domain and boundary Settings

2.1無開孔的影響

首先計算了兩個無開孔模型(20 cm×20 cm)的阻尼系數(shù)，并檢驗?zāi)Ｐ陀嬎阌蚓W(wǎng)格的獨立性。

模型1：在無開孔模型表面等分網(wǎng)格，間距2 mm，向計算域四個邊界方向以1.06的漸變率增大間距，模型周圍4 mm內(nèi)設(shè)置4排邊界層網(wǎng)格。網(wǎng)格劃分形式如圖3所示。

模型2：在無開孔模型表面等分網(wǎng)格，間距4 mm，向計算域邊界方向以1.06的漸變率增大間距，模型周圍4 mm內(nèi)設(shè)置4排邊界層網(wǎng)格。

計算結(jié)果顯示：無開孔模型2與模型1的阻尼系數(shù)比為1.01，且其網(wǎng)格密度滿足獨立性要求。

圖4為模型1第5秒時的壓力云圖與流跡線，可知：水流遇到模型后，流跡線發(fā)生卷曲，并在其兩側(cè)及后方產(chǎn)生旋渦，流跡線曲率大的位置旋渦強度大，旋渦產(chǎn)生的負(fù)壓更強。在模型上下游兩面的壓力差值越大，模型產(chǎn)生的阻力越大。

圖3 模型網(wǎng)格劃分Fig.3Modelofmeshing圖4 模型1的壓力云圖及流跡線Fig.4Stressnephogramandflowtraceofmodel1

2.2頂?shù)酌骈_孔直徑的影響

在模型1表面開孔，水流過小孔在內(nèi)部形成紊流，動能耗散更快，增大模型阻尼系數(shù)。為確定單個開孔直徑對模型阻尼系數(shù)的影響，設(shè)計在上下游兩個表面中心位置開孔為1 cm、2 cm、3 cm和4 cm(圖5)的四種模型(20 cm×20 cm)。

圖5　模型3～6Fig.5 No.5～No.8 modals

圖6　模型3～6的流跡線Fig.6 Flow trace of No.3～6 modals

圖6為模型3～6的流跡線，從中可以看出：

1) 模型開孔后，水流由孔口進入內(nèi)部，帶動內(nèi)部流體運動，使內(nèi)部產(chǎn)生了不同大小的旋渦，且這些旋渦的運動受到流體黏滯力的影響。旋渦運動越強烈，流體受黏滯力越大，從而耗散更多能量，就增大了模型的阻尼系數(shù)。但開孔也會減少表面壓力，進而減少阻力系數(shù)。另外，開孔還會影響模型的外部繞流形式，從而影響阻力大小。

2) 模型3內(nèi)部渦旋相對平緩，而模型4～6的內(nèi)部渦旋相對復(fù)雜。隨著開孔增大，模型下游孔口的流出速度增大。從圖6(d)可以看出：水流幾乎是從上游孔口徑直流出下游孔口，而且模型6流入與流出水阻尼器的水流速度幾乎相等，這必然減小水阻尼器的表面壓力。

表1為模型3～6阻尼系數(shù)的計算結(jié)果，可知：與模型1的阻尼系數(shù)相比，模型3～4的阻尼系數(shù)較大，而模型5～6的阻尼系數(shù)較小。這是因為模型5～6表面壓力損失較大。

表1　模型3～6的阻尼系數(shù)

2.3開孔間距的影響

為研究兩孔間距對阻尼系數(shù)的影響，結(jié)合模型3～6的計算結(jié)果，本文設(shè)計了兩組開孔直徑分別為1 cm和2 cm的模型。

1) 第一組模型(圖7)：開孔直徑為1 cm，兩孔凈距為1～9 cm不等。

圖7　模型7～11Fig.7 No.7～11 modals

圖8和表2分別為模型7～11的流跡線和阻尼系數(shù)的計算結(jié)果，從中可以看出：

(1) 雙孔的模型內(nèi)部流跡線圖較單孔的復(fù)雜，而且隨著孔距增大，內(nèi)部的旋渦轉(zhuǎn)體積變小、數(shù)量增多，水流速率也增大?？梢姡S著孔距的增大，模型內(nèi)部水流的黏滯力對能量的消耗增大。

(2) 開孔位置的不同也影響外部繞流的形式，如圖8(b)所示，模型下游表面上附著兩個旋渦，形成低壓區(qū)，這顯著增大了水流在流向?qū)δＰ偷淖饔昧?，從而增大了阻尼系?shù)。

圖8　模型7～11的流跡線Fig.8 Flow trace of No.7～11 modals

模型開孔直徑/cm開孔數(shù)量孔間凈距/cm與模型1阻尼系數(shù)的比值91210.78101221.74111231.61121241.33131291.22

2) 第二組模型(圖9)：開孔直徑為2 cm，兩孔凈距為1～9 cm不等。

圖9　模型12～15Fig.9 No.12～15 modals

圖10　模型12～15的流跡線Fig.10 Flow trace of No.12～15 modals

圖9和表3分別為模型12～15的流跡線和阻尼系數(shù)的計算結(jié)果，從中可知：直徑2 cm的雙孔模型內(nèi)部的流跡線較孔徑為1 cm的更加扭曲，流動形式更加復(fù)雜，耗能更多。但開孔間距對模型內(nèi)部流動和外部繞流形式的影響并不明顯。

表3　模型12～15的阻尼系數(shù)

綜合表3～4可知：開孔直徑1 cm的模型的阻尼系數(shù)比開孔直徑2 cm的模型阻力系數(shù)大。可見，雖然后者內(nèi)部的流動更為復(fù)雜，耗能更大，但不足以彌補開孔過大所損失的表面壓力。

2.4開孔率的影響

由上可知：開孔1 cm、凈距2～4 cm的模型阻尼系數(shù)較大。因此，按此標(biāo)準(zhǔn)，將開孔均布在模型上下游的兩個表面，設(shè)計了模型16～18(圖11)。

圖11　模型16～18Fig.11 No.16～18 modals

圖12為模型16～18的流跡線，從中可以看出：① 在模型16～18的孔間距下游處，流跡線曲折成圈，說明有旋渦形成。旋渦產(chǎn)生的低壓會提高水流對模型的作用力，進而增大阻力系數(shù)。② 旋渦的脫落點也隨開孔的增多而變化：大的旋渦從減振器兩側(cè)脫落，而在模型的下游面上有小旋渦脫落。③ 模型16～18的內(nèi)部流跡線也沒有顯著有規(guī)律性的區(qū)別。表4為模型16～18的阻尼系數(shù)，可知：過多的開孔會使模型阻尼系數(shù)下降。

圖12　模型16～18的流跡線Fig.12 Flow trace of No.16～18 modals

模型開孔大小/cm開孔數(shù)量孔間凈距/cm與模型1阻力系數(shù)比值181620.78191431.09201341.06

2.5側(cè)面開孔的影響

為了研究模型側(cè)面開孔對阻尼系數(shù)的影響，將模型16～18的側(cè)面中部開了1 cm的小孔(圖13)，進行模擬計算。

圖13　模型19～21示意圖Fig.13 No.19～21 modals

圖14為模型19～21的流跡線，從中可以看出：模型側(cè)面開孔將會使得內(nèi)部的流動變得非常紊亂，由不開側(cè)孔時的大旋渦轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)量眾多的小旋渦。另外，在兩孔間隔區(qū)域下游的旋渦依然存在，而且外部繞流從兩側(cè)脫落的旋渦也稍微變小。

圖14　模型19～21的流跡線Fig.14 Flow trace of No.19～21 modals

表5為模型21～23阻尼系數(shù)的計算結(jié)果，可知：模型側(cè)面開1 cm的小孔能稍微增大阻尼系數(shù)。

2.6開孔分布形式的影響

由開孔率對阻尼系數(shù)的影響可知：模型開孔率在5%～10%的時候，其阻尼系數(shù)大部分都較高。因此，為研究開孔分布形式對阻尼系數(shù)的影響，本文設(shè)計了開孔分布形式不同但卻具有相同開孔率的模型22～23(圖15)。

表5　模型21～23的阻尼系數(shù)

圖15　模型22～23示意圖Fig.15 No.22～23 modals

圖16為模型22～23的流跡線，從中可以看出：開孔分布形式對模型22與23內(nèi)部的旋渦尺寸的影響并不大，模型22與1的阻尼系數(shù)比為1.53，模型23與1的阻尼系數(shù)比值為1.31。

圖16　模型22～23的流跡線Fig.16 Flow trace of No.22～23 modals

2.7側(cè)面開孔直徑的影響

為研究側(cè)面開孔大小對模型阻尼系數(shù)的影響，在模型22兩側(cè)開不同直徑的孔(圖17)。

圖17　模型24～26示意圖Fig.17 No.24～26 modals

圖18為模型24～26的流跡線，可知：側(cè)孔會增加模型內(nèi)部小規(guī)模旋渦的數(shù)量，對比三個模型，側(cè)孔尺寸為2 cm的模型25內(nèi)部流動最為紊亂。

圖18　模型26～28的流跡線Fig.18 Flow trace of No.26～28 modals

表6為模型26～28的阻尼系數(shù)計算結(jié)果，可知：對模型23的側(cè)面開孔會減小阻尼系數(shù)，但與開孔的大小并不線性相關(guān)；過大或過小的模型側(cè)面開孔將會急劇減小阻尼系數(shù)；當(dāng)孔徑在2 cm時阻力系數(shù)則減少較小。

表6　模型26～28的阻尼系數(shù)

2.8CFD計算結(jié)果小結(jié)

1) 開孔式水阻尼器能顯著增大系統(tǒng)阻尼。

2) 影響阻尼系數(shù)的首要因素是開孔率：過小的開孔率不能有效利用水阻尼器內(nèi)部流體的黏滯作用耗能；而過大的開孔率則使得水阻尼器上下游兩個表面壓力差減小嚴(yán)重。

3) 相同開孔率時，開孔的分布形式對阻尼系數(shù)影響顯著：即在靠近水阻尼器兩側(cè)位置開孔，會使得外部繞流的旋渦在水阻尼器兩側(cè)脫落；而靠近中心位置的開孔則可以使大漩渦在水阻尼器下游面上脫落，有利于增大阻力系數(shù)。然而，當(dāng)單個開孔過大或孔間距過小時，水流將會通過水阻尼器徑直從下游開孔流出，這就降低了水流阻力的作用，因此，開孔應(yīng)靠近中部且有一定間距。

4) 側(cè)孔對阻尼系數(shù)的影響將會隨水阻尼器上下游兩面開孔的不同而改變，過大或過小的側(cè)面開孔都會顯著降低阻尼系數(shù)。

3　水阻尼器的減振試驗

基于上述CFD分析，選取了合適的開孔率、開孔直徑、開孔間距和布孔方式，制備相應(yīng)的試驗?zāi)Ｐ停M行水阻尼器減振效果的試驗研究。

3.1試驗實施步驟

試驗采用如下實驗儀器：雕刻機、加速度計、激勵裝置、數(shù)據(jù)采集儀和自編軟件等所組成的試驗系統(tǒng)。具體步驟如下(圖19)。

圖19　試驗的技術(shù)路線Fig.19 Technical route of test

1) 架設(shè)支架，并在其上吊掛彈簧；

2) 對彈簧施加初位移，再采用加速度計和數(shù)據(jù)采集儀測得彈簧的加速度時程曲線。彈簧的阻尼比用下式計算：

(4)

式中：ξ為阻尼比；n為計算阻尼比所選取的加速度時程的周期數(shù)；A2,A1分別為n個周期中的最大和最小加速度幅值。

3) 用雕刻機制作10 cm×10 cm×10 cm、15 cm×15 cm×15 cm、20 cm×20 cm×20 cm的空心立方體(圖20)，每個立方體除頂面外的其它各面都打16個孔，三種立方體的孔洞直徑分別為D=1.0 cm、1.5 cm、2.0 cm；

4) 在一大尺寸水桶中盛滿水，以此來考慮水阻尼器所處的水體環(huán)境(此時的水桶即用來模擬空心鋼管，而桶中的水則是靜止的，進而達到避免外界水流流動對水阻尼器的影響)；

5) 如圖21所示，將模型掛在彈簧上，并加上附加質(zhì)量塊令其沉入水中，同時，讓彈簧傾斜一個微小的角度，進而采用激勵裝置對整個系統(tǒng)施加激勵，使模型在水中上下振動，并附帶左右晃動(以此來考慮施工橋梁的上下和水平振動)，此時再采用加速度計和數(shù)據(jù)采集儀測得彈簧加速度時程曲線，再用式4計算系統(tǒng)阻尼比；

6) 與初始彈簧的阻尼比進行對比，如果架設(shè)模型后的系統(tǒng)阻尼比有所增大，則說明所設(shè)計水阻尼器具有一定的減振效果，可以抑制斜拉橋施工階段風(fēng)致振動的效果。

圖20　不同體積的水阻尼器模型Fig.20 Water-damper with different volumes

圖21　水阻尼器的減振試驗Fig.21 Vibration reduction test of water-damper

3.2試驗結(jié)果分析

3.2.1水阻尼器的減振效果

圖22給出了未架設(shè)水阻尼器的彈簧振子加速度衰減過程，圖23則給出架設(shè)10 cm×10 cm×10 cm、15 cm×15 cm×15 cm、20 cm×20 cm×20 cm水阻尼器模型(孔隙率為3.14%、6.28%、9.42%、12.56%)的彈簧振子的加速度衰減過程。對比圖22和圖23可知：架設(shè)水阻尼器前的彈簧振子的系統(tǒng)阻尼比較小，其加速度衰減較為緩慢；而架設(shè)水阻尼器后的彈簧振子的系統(tǒng)加速度卻衰減得十分迅速，這說明水阻尼器增大了系統(tǒng)阻尼，而且減振效果很顯著。表7計算架設(shè)和未架設(shè)水阻尼器時的系統(tǒng)阻尼比，可知：架設(shè)水阻尼器后的系統(tǒng)阻尼比顯著增大。

圖22　未架設(shè)水阻尼器的系統(tǒng)加速度衰減過程Fig.22 System acceleration reduction without water-damper

邊長/cm未架設(shè)水阻尼器的系統(tǒng)阻尼比/%架設(shè)不同孔隙率水阻尼器后的系統(tǒng)阻尼比/%Q1=12.56%Q2=9.42%Q3=6.28%Q4=3.14%100.4387.1016.7826.6555.116150.2664.3984.4485.2244.193200.9393.9004.3575.1333.435

(a) 10cm×10cm×10cm(b) 15cm×15cm×15cm(c) 20cm×20cm×20cm圖23 架設(shè)水阻尼器后的系統(tǒng)加速度衰減過程Fig.23Systemaccelerationreductionwithwater-damper

3.2.2不同體積大小的影響

本研究考慮三種不同的體積：10 cm×10 cm×10 cm、15 cm×15 cm×15 cm、20 cm×20 cm×20 cm，以探討體積大小對水阻尼器減振性能的影響。從圖24中可知：隨著水阻尼器體積的增大，系統(tǒng)阻尼比呈遞減趨勢，這主要是因為水阻尼器的體積增大后，其浮力也隨之增大，進而影響到系統(tǒng)阻尼比的增加，降低了水阻尼器的減振效果?？梢?，在實際工程中，應(yīng)根據(jù)具體結(jié)構(gòu)的規(guī)模來合理設(shè)計水阻尼器的大小，以達到最佳的減振效果。

圖24　體積大小對減振效果的影響Fig.24 Effect of volume on vibration reduction

3.2.3不同孔隙率的影響

開孔率的大小能影響通過水阻尼器的水流量，進而影響水流對水阻尼器所產(chǎn)生的阻力大小。因此，本文在保證同等過水面積的前提下，調(diào)整孔洞的個數(shù)和口徑，進而研究了不同開孔率對水阻尼器減振效果的影響。從圖25中可以看出：① 對于10 cm×10 cm×10 cm模型，隨著孔隙率的增大，其系統(tǒng)阻尼比呈遞增趨勢，但當(dāng)孔隙率超過6.28%，其系統(tǒng)阻尼比的增幅并不顯著；② 對于15 cm×15 cm×15 cm和20 cm×20 cm×20 cm的模型，其系統(tǒng)阻尼比在孔隙率為6.28%時達到了峰值，之后則隨著孔隙率的增大而減小?？梢姡枘崞鞯臏p振效果存在著一個最優(yōu)的孔隙率。

圖25　不同孔隙率對減振效果的影響Fig.25 Effect of porosity on vibration reduction

4　結(jié)　論

本文建議了一種安裝拆卸方便、成本較低的抑制斜拉橋施工階段風(fēng)致振動的水阻尼器，并進行了CFD仿真分析和減振試驗。

CFD仿真結(jié)果表明：① 水阻尼器能顯著增大系統(tǒng)阻尼；② 過小的開孔率不能有效利用水阻尼器內(nèi)部流體的黏滯作用耗能；而過大的開孔率則使得水阻尼器上下游兩個表面壓力差減小嚴(yán)重；③ 水阻尼器兩側(cè)位置開孔，會使得外部繞流的旋渦在水阻尼器兩側(cè)脫落；而靠近中心位置的開孔則可以使大漩渦在阻尼器下游面上脫落，有利于增大阻尼系數(shù)；④ 過大或過小的側(cè)面開孔都會顯著降低阻尼系數(shù)。

減振試驗結(jié)果表明：① 水阻尼器增大系統(tǒng)阻尼，并能有效降低結(jié)構(gòu)振動；② 水阻尼器體積的增大會降低減振效果；③ 水阻尼器的減振效果存在著一個最優(yōu)的孔隙率。

綜上所述，水阻尼器能有效抑制結(jié)構(gòu)的振動，且成本低廉、施工方便，特別適用于某些只需在施工期進行短期風(fēng)振控制的橋梁。

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Water-damper for wind-induced vibration control of a cable-stayed bridge in its construction stage

LI Yu1, PAN Biao1, LI Chen2, WANG Jie3, GAO Liang4

(1. Key Laboratory of Ministry of Communications for Bridge Detection & Reinforcement Technology, School of Highway, Chang’an University, Xi’an 710064, China; 2. School of Architecture, Chang’an University, Xi’an 710064, China; 3. School of Civil Engineering, Xi’an University of Architecture and Technology, Xi’an 710055, China; 4. School of Civil Engineering and Architecture, Xi’an University of Technology, Xi’an 710048, China)

As opposed to a finished cable-stayed bridge, wind-induced vibration can more easily be caused in max double-cantilever construction stage of a cable-stayed bridge because of its low stiffness and damping. Here, water-damper was suggested with its convenience and low cost. CFD Analysis and vibration reduction tests were carried on to study its effectiveness of vibration control. The results showed that ① the system damping increases significantly by applying water-damper with holes, the structural vibration can be reduced effectively; ② the effectiveness of water-damper drops with lower or higher opening hole rate; ③ if holes are opened at the edge of a water-damper, external flow vortices fall off; if holes are opened in the middle of a water-damper, the system damping increases; ④ the effects of holes in sides of a water-damper on the system damping vary with different positions of holes, the system damping decreases significantly with lower or higher opening hole rate of sides; ⑤ the effectiveness of water-damper drops with increase in its volume; the optimal opening hole rate should be designed to achieve the best effect of vibration reduction. It was shown that the wind-induced vibration can be controlled effectively by applying a water-damper with low cost and convenience, it is especially suitable for controlling wind-induced vibration of a cable-stayed bridge in its construction stage.

cable-stayed bridge; max double-cantilever construction; water-damper; wind-induced vibration; vibration reduction and energy dissipation

國家自然科學(xué)基金(51408042)；陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究基金面上項目(2015JM5156)；陜西省教育廳專項科研項目(15JK1422)；西安市建設(shè)科技項目(SJW2014012)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金項目(0009-2014G1211006)

2015-03-19修改稿收到日期：2015-07-30

李宇 男，副教授，碩士生導(dǎo)師，博士后，1982年生

U448.27

A

10.13465/j.cnki.jvs.2016.15.002