[科普中國(guó)]-馳振

馳振現(xiàn)象

馳振一般發(fā)生在正方形、矩形、直角形等復(fù)雜不規(guī)則的非流線型截面的結(jié)構(gòu)中。馳振產(chǎn)生的機(jī)理是由于升力曲線具有負(fù)斜率，所以說(shuō)使得空氣升力具有負(fù)阻尼作用，從而使結(jié)構(gòu)能夠源源不斷地從外界吸收能量，從而形成類似顫振的發(fā)散振動(dòng)現(xiàn)象。根據(jù)產(chǎn)生機(jī)理的不同，馳振可以分為尾流馳振和橫流馳振兩種。尾流馳振是由繞過(guò)前方結(jié)構(gòu)的波動(dòng)性來(lái)流激發(fā)下游結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生的不穩(wěn)定振動(dòng)。比如說(shuō)斜拉橋的拉索、懸索橋吊桿最容易發(fā)生尾流馳振。橫流馳振是由升力曲線的負(fù)斜率所引起的發(fā)散性彎曲自激振動(dòng)。這種負(fù)斜率使得振動(dòng)過(guò)程中結(jié)構(gòu)的位移始終與空氣力的方向相一致，結(jié)構(gòu)不斷從外界吸收能量，從而形成不穩(wěn)定振動(dòng)。橫流馳振一般發(fā)生在具有棱角的非流線型截面的柔性輕質(zhì)結(jié)構(gòu)中，懸吊體系橋梁結(jié)構(gòu)中的拉索和吊桿最有可能發(fā)生橫流馳振。此外，對(duì)于寬高比較小的梁式鋼橋，高柔的大跨徑斜拉橋、懸索橋橋塔以及連續(xù)鋼構(gòu)橋在最大懸臂施工階段的主梁都存在著發(fā)生馳振發(fā)散的可能性。1

控制措施被動(dòng)控制1.耗能減振系統(tǒng)

耗能減振系統(tǒng)就是指將需要減振的結(jié)構(gòu)物的某個(gè)非承重構(gòu)件設(shè)計(jì)成耗能元件，在地震或風(fēng)荷載作用下，阻尼器產(chǎn)生較大的阻尼來(lái)耗散能量。耗能減振系統(tǒng)大體可以分為兩類：

（1）耗能構(gòu)件減振體，主要利用耗能支撐、耗能剪力墻等非承重構(gòu)件作為耗能裝置；

（2）阻尼器減振，包括粘彈性阻尼器、摩擦阻尼器、金屬阻尼器等。1

2.吸振減振系統(tǒng)

吸振減振技術(shù)是在主結(jié)構(gòu)中附加子結(jié)構(gòu)，使結(jié)構(gòu)的振動(dòng)發(fā)生轉(zhuǎn)移和能量在主結(jié)構(gòu)與子結(jié)構(gòu)之問(wèn)重新分配，目的是減小結(jié)構(gòu)風(fēng)振反應(yīng)。主要的吸振減振裝置有：

（1）調(diào)諧質(zhì)量阻尼器

是一個(gè)由阻尼器、彈簧、質(zhì)量塊組成的振動(dòng)系統(tǒng)，其工作原理是在原結(jié)構(gòu)中加入了TMD系統(tǒng)，原結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性發(fā)生了改變，在外力的作用下，結(jié)構(gòu)物如果產(chǎn)生振動(dòng)時(shí)，TMD系統(tǒng)也將隨之一起振動(dòng)，并在結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生控制力的反作用，從而達(dá)到減小結(jié)構(gòu)振動(dòng)的目的。1

（2）調(diào)諧液體阻尼器

調(diào)諧液體阻尼器系統(tǒng)簡(jiǎn)稱TLD，是利用液體的運(yùn)動(dòng)吸收能量的原理來(lái)達(dá)到耗散結(jié)構(gòu)的振動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的能量。TLD最早應(yīng)用在海洋輪船和太空飛行器上，它的優(yōu)點(diǎn)很明顯，就是成本不高，維護(hù)容易，便于安裝。

調(diào)諧液柱阻尼器是一種形管狀的水箱，把增加阻尼的隔柵設(shè)有水箱中間，依靠水箱中水在晃動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的水的慣性力，來(lái)減小結(jié)構(gòu)的振動(dòng)。1

主動(dòng)控制隨激勵(lì)輸入改變主動(dòng)控制的實(shí)時(shí)控制力也隨之改變，其效果與外荷載的特性沒有關(guān)系，所以主動(dòng)控制與被動(dòng)控制相比較，前者明顯優(yōu)于后者。主動(dòng)控制裝置種類很多，主要有線性馬達(dá)控制、氣體脈沖發(fā)生器、主動(dòng)支撐系統(tǒng)、主動(dòng)控制調(diào)諧質(zhì)量阻尼器系統(tǒng)等。1

按照控制律與結(jié)構(gòu)響應(yīng)或外界激勵(lì)是否相關(guān)聯(lián)的特點(diǎn)，主動(dòng)控制又可以分為開閉環(huán)控制、閉環(huán)控制和開環(huán)控制等。主動(dòng)控制雖然控制效果好，但其缺點(diǎn)也比較明顯，主動(dòng)裝置復(fù)雜且需經(jīng)常維護(hù)，而且造價(jià)相對(duì)于其它控制措施而言高出很多，因此，經(jīng)濟(jì)因素較大的限制了工程應(yīng)用范圍。目前主動(dòng)控制的應(yīng)用主要集中在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)和地震烈度較高的地區(qū)如日本、美國(guó)等地區(qū)。1

混合控制混合控制指的是在結(jié)構(gòu)物上同時(shí)施加主動(dòng)控制與被動(dòng)控制的控制方式。把主動(dòng)控制與被動(dòng)控制結(jié)合起來(lái)，能夠產(chǎn)生很好的相互彌補(bǔ)的作用：一方面，被動(dòng)控制由于引入了主動(dòng)控制，其控制效果增強(qiáng)，提高了系統(tǒng)的可靠度；另一方面，主動(dòng)控制由于被動(dòng)控制的參與，大大減小了主動(dòng)控制力，增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。當(dāng)今，混合控制主要有以下幾類主動(dòng)控制和基礎(chǔ)隔震相結(jié)合的混合控制系統(tǒng)、主動(dòng)控制與耗能裝置相結(jié)合的控制系統(tǒng)、ATMD與TMD相組合的控制系統(tǒng)。1

半主動(dòng)控制半主動(dòng)控制是通過(guò)改變受控結(jié)構(gòu)的參數(shù)來(lái)取得增強(qiáng)結(jié)構(gòu)抗振能量的效果，不需要大量的外部能源和結(jié)構(gòu)振動(dòng)的外部信息。半主動(dòng)控制系統(tǒng)用帶開關(guān)的附加剛度裝置及附加阻尼器與主體結(jié)構(gòu)相連而成，其控制裝置的剛度和阻尼變化是不連續(xù)的，只能在幾種預(yù)先設(shè)計(jì)好的的幾種工作狀態(tài)間切換，通過(guò)控制開關(guān)的打開或關(guān)閉控制裝置參數(shù)的變化。1

氣動(dòng)控制所謂的氣動(dòng)控制措施就是在結(jié)構(gòu)的初步設(shè)計(jì)階段，通過(guò)風(fēng)洞模型試驗(yàn)法、解析法以及數(shù)值風(fēng)洞模擬技術(shù)等對(duì)結(jié)構(gòu)各種截面的空氣動(dòng)力性能進(jìn)行分析比較，選擇一個(gè)具有較好氣動(dòng)性能的合理截面，也就是通常所說(shuō)的“氣動(dòng)選型”，以達(dá)到減小風(fēng)振對(duì)結(jié)構(gòu)破壞的目的。1

尾流馳振性能（1）雙圓柱索尾流馳振與柱間距離有關(guān)。當(dāng)來(lái)流風(fēng)向與兩柱圓心的連線呈一定夾角時(shí)，下游索才可能發(fā)生尾流馳振。2

（2）雙圓柱索尾流馳振的振動(dòng)軌跡具有方向性。在下游索振幅增大的過(guò)程中，阻力為其輸入正功，加劇了結(jié)構(gòu)在該方向上的振動(dòng)；而升力做功很小甚至為其輸入負(fù)功，抑制了結(jié)構(gòu)在該方向上的振動(dòng)。在兩者共同作用下，振動(dòng)軌跡將成為橢圓，其長(zhǎng)軸沿阻力方向，即水平方向。2

（3）只有當(dāng)下游索的振動(dòng)頻率明顯小于上游索的漩渦脫落頻率時(shí)，尾流馳振才可能發(fā)生。若下游索的振動(dòng)頻率過(guò)大將破壞尾流馳振的條件。2

（4）發(fā)生尾流馳振的可能性隨來(lái)流風(fēng)速的增大而增大；但對(duì)圓截面而言，當(dāng)對(duì)應(yīng)的雷諾數(shù)增大至超臨界區(qū)域時(shí)，因阻力系數(shù)的減小，其發(fā)生尾流馳振的可能性反而隨來(lái)流風(fēng)速的增大而減小。2

（5）在橋塔尾流的作用下，塔周長(zhǎng)吊索的氣動(dòng)特性易受塔柱尾流控制，塔柱脫落的漩渦使吊索氣動(dòng)力做功的時(shí)程曲線出現(xiàn)了大幅波動(dòng)，其波動(dòng)幅度隨吊索振動(dòng)頻率的增大而增大，使氣動(dòng)力不能持續(xù)穩(wěn)定地為吊索輸入能量。塔周長(zhǎng)吊索振動(dòng)頻率較低時(shí)存在發(fā)生尾流馳振的可能性，距橋塔較近的吊索發(fā)生尾流馳振的可能性較高。2