摘 要：介绍近年来结合桥梁抗风实际需要的研究成果。
(1) 桥梁节段模型强迫振动风洞实验方法与相应的颤振导数时域识别法与频域识别法，用同一批实验数据作了两种方法的对比研究。(2) 以佛山平胜大桥为工程背景，研究了上下行车道主梁相互独立并行带来的双幅桥面的气动干扰及串列双主缆的气动干扰问题。(3) 拉索风雨振现场观测与振动控制研究。 (4) 针对城市桥梁磁流变减振系统的低压供电线路最易受到人为的破坏的问题，设计开发了一种永磁调节装配式磁流变阻尼器(PMAA-MR)。
关键词：大跨度桥梁；风致振动；颤振导数；气动干扰；拉索风雨振；磁流变阻尼器；振动控制
1 桥梁颤振导数识别的时域法与频域法对比研究
1.1研究背景
1940 年7 月，位于美国西海岸附近的华盛顿州旧塔科马桥建成不到4 个月，在8 级大风(风速只有18m/s)作用下坠毁，这一事故使人们认识到风的巨大动力作用，从而开始了桥梁风工程这一学科的研究，至今只有66 年，仍是一门相当年轻的学科。桥梁风工程研究在桥址处各种可能的风场条件下，桥梁结构的静力效应与动力响应，为新建桥梁的设计、施工提供解决方案。大跨柔性桥梁如悬索桥和斜拉桥，刚性桥梁中的柔性构件，如拱桥的
吊杆等，都必须进行桥梁抗风研究。桥梁结构风致效应属于流体与固体相互作用的范畴。从理论上讲，应该在一个大系统中做流体与弹性体藕合的直接分析，但这是目前几乎做不到的。因此目前风效应研究主要采用从自然风环境、风荷载与结构响应三个方面分别研究，再相互联系的方法。
风环境包括从气象学、微气象学与气候学中导出的一些基本内容。气象学提供对大气流动基本特征的描述和解释。那些对桥梁结构的响应影响很大的特征自然是桥梁设计者应当了解的。微气象学与桥梁风工程关系更大一些，例如平均风速随高度而增加的关系、脉动风的紊流强度与积分尺度以及它们与地面粗糙度的关系等等，都是必不可少的风环
境资料。气候学指特定桥址处风况的预测，如百年一遇的极值风风速和风向的预测、桥址处风速风向玫瑰图等等。自然风场在时间和空间上都是典型的随机过程，研究风环境需要随机过程的一些基本概念与方法，例如数学期望、方差、功率谱、相关性
等等。风荷载就是风对结构的作用力，这种作用力实质是风与结构相互作用的结果。随机变化的风流过本身也在微振动的桥梁，使得围绕桥梁表面的大气压力形成一种特定的分布状态，并且在不断变化之中。通常将这种压力分布效应合成为竖直向上的升力，顺来流方向的阻力以及使桥梁产生扭转效应的扭矩作用统称为气动三分力。为了研究的方便，我
们将随机变化的风分为平均风(不随时间变化的定常流)和脉动风(非定常流，又称为紊流)两部分。又将桥梁结构分成桥梁固定不动与结构本身在微振
动这两种情况，然后将它们两两组合起来研究。每种风荷载类型都有升力、阻力与扭矩
三个分量。三分力系数、颤振导数与气动导纳是描述桥梁断面气动性能的三种无量纲参数，通过它们可以很方便地由模型风洞试验荷载换算到实桥荷载。颤振、驰振、抖振与涡激振动则是桥梁风致振动的四种主要形态，其中颤振、驰振是一种可能发散的自激振动，可能造成如旧塔科马桥那样的灾难性后果；抖振是一种强迫振动，幅度通常是有限的，不至于造成桥毁事故，但可能威胁行车或施工安全，减少疲劳寿命；涡激振动是由于气流经过桥梁
后产生漩涡并脱落引起的，介于强迫振动与自激振动之间。当风速位于某一区段时漩涡脱落频率正好接近桥梁固有频率，则会导致自激共振，不过一般也是限幅振动。显然，风荷载的研究需要一定的流体力学基础知识。一旦能用无量纲参数的某种数学表达式描述
风荷载，相应的响应问题就可以应用结构动力学知识来分析。视载荷的表达方式不同，风致振动问题的分析有频域分析和时域分析两种。自激的颤振和驰振可归结为求解动力学失稳临界状态的问题，一般应用复数特征值求解方法。抖振是一种随机振动，因此需要采用随机振动的分析方法，求得的是表征随机响应的特征量，如均方差等等。涡振至今尚未有可接受的数学分析方法，主要是靠风洞试验结果判定。
风洞主要试验功能：一、大跨度桥梁抗风研究：(1) 桥梁风振理论精细化研究：桥梁节段模型测力、测振试验、全桥气弹模型风致响应风洞试验；(2) 近地风特性及风场模拟研究；(3) 桥梁风致振动主动及被动控制。二、建筑结构抗风研究：(1) 高层、高耸建筑抗风研究：高层、高耸建筑结构刚体模型测压、测力试验及气弹模型测振试验，4m 大直径转盘可大范围模拟所研究结构的周边建筑与地形，并可在±360o 范围内任意调节风偏角；(2) 大跨度场馆、大跨度膜结构抗风研究；(3) 高层、高耸建筑及大跨度场馆风致振动控制研究；(4) 群体建筑的抗风研究。三、汽车风工程及工业空气动力学研究。四、其他空气动力学实验研究。
主要试验仪器有：桥梁断面2、3 自由度自由振动及强迫振动悬挂系统；美国PSI 公司压力扫描阀系统(512 通道)；美国TSI 公司热线风速仪系统(4通道)；静力天平(2 件)；JR3 公司高频底座天平(2件)；YOUNG 公司三维超声风速仪；侧移系统；激光位移计；东华5937/5938 动态信号采集处理系统；比利时LMS 动态信号采集处理系统；超小型高灵敏度加速度传感器；边界层发生装置及视频与摄像系统等。目前已开展的研究有国家与省部级科研项目十余项，先后获得一项国家科技进步二等奖，两项科技进步一等奖，一项教育部提名国家科技进步自然科学二等奖等。结合近年来桥梁抗风的实际需要。
桥梁风致振动中的颤振及颤振导数概念源于飞行器的气动弹性力学，有关的理论及试验技术，在航空界已是非常成熟。但是，由于桥梁截面不象机翼那样总是一面迎风，而是上下游都可能迎风，因而不可能制成机翼形状的完全流线型截面。受承力与施工方法影响，桥梁截面形状变化大，有桁梁、箱梁、开口边主梁等多种形状，有些截面已是完全的钝体。由于上述原因，桥梁截面的颤振导数识别问题，仍有许多问题有待研究和解释，例如，颤振导数识别结果呈现较大的波动性，试验重复性也不好等等。用颤振导数表示气动自激力的基本假定是气动自激力是颤振导数的线性函数或非常近乎线性函数[1]。文献[2]通过节段模型风洞强迫振动试验发现，即使在小幅振动下，钝体桥梁截面的气动自激力也已呈现非常明显的非线性性质。对这样的截面，用一个颤振导数的线性函数去逼近真实的气动力，自然有本质上的困难，容易导致识别结果的不稳定以及不同识别方法之间的显著差别[3]。
截至目前为止，仍只有理想平板断面的颤振导数具有理论解[4]。近年发展起来的计算流体力学(CFD)技术，已经可以用数值模拟手段，计算出一些断面的颤振导数，但离实际应用仍有一定距离[5~7]。因此,获取桥梁断面颤振导数的主要途径仍是节段模型风洞试验。通用的节段模型风洞试验识别颤振导数的方法包括两个阶段，第一阶段是获取信号阶段，通过风洞试验获取包含有气动自激力信息的振动时程信号，获取方法可分为自由振动法与强迫振动法。第二阶段是数据处理阶段，从振动信号中提取气动自激力信息，将他们与按式
动自激力对比，从而识别出颤振导数。具体方法又可分为两类，即频域法与时域法。这样一来，两个阶段的不同方法组合起来，应有如下四大类方法：
(1) 自由振动信号时域识别法
(2) 强迫振动信号时域识别法
(3) 自由振动信号频域识别法
(4) 强迫振动信号频域识别法
显然，颤振导数识别精度取决于良好的实验装置与可靠的信号处理方法。精确的强迫振动装置可以驱动节段模型作等幅正弦运动，提供良好的振动信号，我们已在国内率先实现了这一方法可以较好地解决这个问题。目前国际上通行的处理强迫振动信号的方法是频域识别法，即将位移与力信号分别作FFT 变换，取一次谐波分量识别颤振导数。由于实际桥梁断面的颤振导数都不存在理论解，因此对同一批实验数据采用不同信号处理方法__并获得相互吻合的结果是提高颤振导数识别可信度的一种可行的方法。基于这一认识，本文同时提出了基于强迫振动试验信号的时域识别法与频域识别法，其中时域法尚未见到文献报导。运用这两
种方法，对同一批试验信号作了分析。两种方法的结果基本吻合，时域法识别的颤振导数曲线有时存在整体漂移或局部波动现象，频域法识别的曲线一般都很光滑平顺。文中对这些现象产生的原因和改进的方法进行了较深入的讨论。
1.2识别结果与分析
在风洞中对三种节段模型进行了强迫振动法测试，这些模型的外形各有不同，从流线形断面过渡到非流线形断面。图6 是三种节段模型的断面示意图，第一种断面模型TP22 为六角形薄平板模型；第二种模型HM13 是我国的一座悬索桥的流线形箱梁模型；第三种模型DT09 是中国的一座混凝土梁斜拉桥的带边肋的主梁模型。基于强迫振动实测数据，用时域法和频域法分别识别出了三种断面的颤振导数。限于篇幅，图7 仅列出了平板断面的颤振导数，其余结果可参见文献一般而言，时域识别法的曲线不如频域法光滑平顺，除局部有小幅波动外，还有图8 所示的整体漂移和图9 所示的某个试验点突变(实质是拟合失效)的情况。
时域法定解方程式(8)的左边是一个关于位移与速度的2×2 阶矩阵，由于位移速度总相差90°，理论分解与程序调试都证明，矩阵的交叉项接近于零，而对角项的计算值稳定，因此影响识别结果的主要因素是式(8)右端项。它们是气动力与位移或速度的乘积，其值的大小与相乘的两个信号的相位差有极大关系，其中气动力信号又是由有风时测量的力信号减去无风时的力信号(参见式(4)，式(5))获得的，这里又存在两次试验信号相位对准的问题。如果因杂波干扰导致相位差计算不准，就会产生较大的误差乃至拟合失败。本文在程序调试中已经采用了多项措施去保证式(8)右端项的计算精度，较文献[3]研究有了很大改进，但仍不能从根本上解决这一问题，在所计算的24 个工况中，有5 个工况仍出现了波动或漂移现象。看来这一问题有待试验装置与分析方法两方面的改进。自由振动的时域识别方法是目前较通用的方法，自文献[1]提出自由振动法以来，30 多年来已有非常大的改进，但其结果仍经常出现波动漂移现象。本文上述分析虽是基于强迫振动法，但对自由振动法也应有较大的参考作用，因此，开发基于自由振动试验的频域法识别方法，并与自由振动时程法对比，可能有助于解释和修正自由振动时程识别时普遍出现的波动现象。
1.3小结
(1) 本节提出了基于节段模型强迫振动风洞试验的桥梁颤振导数识别的时域法和频域法。试验结果表明，两种方法都是有效的，且能相互吻合。
(2) 对同一风洞试验数据采用时域法和频域法同时识别并作对比分析，有助于提高颤振导数识别的可信度。
(3) 频域法自带滤波过程，抗干扰能力强，识别的颤振导数曲线较平顺光滑。时域法识别结果有时会出现波动、漂移或单点失效情况，主要是杂波干扰导致位移与力信号相位差不稳定造成的，还应从试验装置和分析方法上进一步改进。
(4) 自由振动的时域识别方法是目前较适用的方法，其结果也经常出现波动漂移现象。本文上述分析虽是基于强迫振动法，但对自由振动法也应有较大的参考作用，因此，开发基于自由振动试验的频域法识别方法，并与自由振动时程法对比，可能有助于解释和修正自由振动时程识别时普遍出现的波动现象。
2风雨振与环境参数的关系
拉索振动与气候参数的关系，从可以看出，降雨是拉索发生大幅度风雨激振的
必要条件，但是风雨振与降雨强度却无明显的相关性，小到中雨都可能发生风雨振，降雨在拉索形成的上水线是风雨振的必要条件；风雨振发生的风速为6m/s~20m/s，当风速超过14m/s 时，就有较强烈的风雨振现象，在14m/s~20m/s 范围内，振幅随风速增加而增加；风雨振时风与斜拉索的相对偏航角为10o~50o，说明迎风索不易发生风雨振；桥址区地形开阔，现场实测的风场紊流度明显低于规范最低值，说明桥址处风场低紊流度特征，也是拉索容易发生风雨振的原因。
2.1 风雨振与拉索本身参数的关系
以前有文献报道认为拉索与水平面的倾角大于60o 以后，拉索不易发生风雨振，但洞庭湖大桥的观测表明，即使是非常靠近桥塔的4#索、5#索，其倾角已达70o，也会发生明显的风雨振。
2.2 空气动力负阻尼
拉索的风雨振是拉索在风雨作用下产生的空气动力负阻尼引起的，空气动力负阻尼的大小对认识风雨振机理和研究减振措施是非常重要的。拉索振动的净负阻尼o分别为拉索的固有结构阻尼比和空气动力阻尼比。在特别的风雨作用下，可能变为负阻尼，当负阻尼超过结构阻尼时，拉索的振动将越来越大而形成风雨振现象。根据测得的拉索风雨振信号，采用非线性拟合方法，可以求得该时段内的平均等效模态阻尼比。拟合得到其的第一、第二、第三阶平均净负模态阻尼比分别为0.0548%、0.016%、0.0691%。
2.3主振模态及模态参与特性
拉索风雨振对于特定拉索并非固定以某阶模态频率振动，随外界条件的变化，拉索的振动频率也会转移及变化。为了研究主要振动频率的分布特性，并以位移分量最大的模态为主振模态，将测量得到的一根拉索风雨振数据进行了统计分析，得到了拉索在风雨振时主振模态的直方图。可看出，拉索风雨振的主振模态包括第一至第四阶固有模态，并主要分布在第三阶模态。为了评估风雨振时单个模态的参与程度
3 磁流变阻尼器拉索振动控制研究
3.1 磁流变阻尼器力学模型
通过试验研究，研究了磁流变阻尼器阻尼力与振幅、频率、输入电压等参数的关系，建立了反映磁流变阻尼器强非线性的双线性力学模型；改进了Bouc-Wen 磁流变阻尼器非线性模型，并对多种参数模型进行了程序设计是磁流变阻尼器力学模型试验。
3.2 磁流变阻尼器拉索被动控制理论研究
通过仿真研究，得到了磁流变阻尼器电压、拉索振幅、振动频率、安装高度等参数与拉索模态阻尼比的关系，提出了应用磁流变阻尼器进行拉索振动控制时优化电压的数学模型。采用磁流变阻尼器非线性双粘性模型，推导了磁流变阻尼器等效粘性阻尼系数的计算公式，提出了磁流变阻尼器拉索减振设计的工程实用方法。基于最优控制理论，提出了多模态控制的拉索减振设计方法。
3.3 磁流变阻尼器拉索被动控制试验研究
采用自行研制的拉索激振设备，针对洞庭湖大桥多根拉索采用不同安装高度、不同设计形式的磁流变式减振系统进行了多次试验，评估了各种参数条件下磁流变阻尼器的减振效果。为磁流变阻尼器拉索减振现场。为拉索模态阻尼比与磁流变阻尼器输入电压的试验结果。为拉索风雨振时有阻尼器与无阻尼器拉索的振动对比图。试验研究结果表明，安装磁流变阻尼器后拉索模态阻尼比提高3 倍~6 倍，风雨振发生时的测试结果证明了磁流变阻尼器良好的减振效果。
3.4 磁流变阻尼器拉索半主动控制研究
针对拉索-磁流变阻尼器系统，提出了基于结构加速度响应识别磁流变阻尼器-拉索系统模型及进行闭环控制的神经网络算法以及状态微分反馈算法，并应用实时控制系统进行系列现场试验。
3.5 磁流变式拉索减振系统研究
在对拉索-磁流变阻尼器系统进行大量研究的基础上，开发了磁流变式拉索减振系统，对减振系统各部件进行了精心设计，保证了系统的有效性和耐久性。
3.6 永磁式磁流变阻尼器开发
针对拉索减振实际工程情况，自主研制了永磁式磁流变阻尼器，该阻尼器能调节阻尼力大小，不需电源，进一步提高了磁流变式拉索减振系统的可
参考文献：
[1]王克海，李茜.桥梁抗震的研究进展[J].工程力学
[2]第十五届结构工程学术会议(2006 焦作)特邀报告
