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作者：林落 来源： 发布时间：2016-9-14 15:41:24
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2016年6月29日凌晨，伴随着最后一个中跨钢箱梁进入江海直达船航道桥合龙口，港珠澳大桥主体桥梁宣告成功合龙。
作为连接香港、珠海和澳门的超大型跨海通道，港珠澳大桥集桥、岛、隧道于一体，全长55公里，是世界上最长的跨海大桥。因其创下了桥梁建设史上的多项第一，而被业界和媒体誉为立博体育在线:乃至世界上最具挑战性的建设项目之一。
而当人们普遍的关注点都放在这座跨海大桥的诸多“世界第一”上时，却不知道它也是立博体育在线:桥梁建设史上设计施工难度最大的跨海桥梁。在设计建造过程数不清的技术难题中，桥梁的“减震”和“减振”即是其中之一。
说起桥梁减振，人们不禁会想起网上广为传播的美国塔科马峡湾大桥被大风吹垮的视频。1940年11月7日早上，跨度为850米的美国塔科马峡湾悬索大桥遇到了一场时速为60~70km/h的大风。随后，大风引发了桥梁的扭转共振。人们束手无策，只能眼看着大桥扭转晃动的幅度越来越大。两小时后，这座刚刚建好半年的特大桥被风吹垮。
从那以后，土木工程师们就开始研究风激振机理和各种桥梁建筑的振动控制技术。而如今，在我国科技工作者的共同努力下，我国的振动控制技术已经居于世界前列。
以柔克柔 TMD护驾超级工程
TMD的全称为“调谐质量减振器”，是目前大跨度、大悬挑与高耸结构振动控制中应用最广泛的结构被动控制装置之一。
TMD是一个由弹簧、阻尼器和质量块组成的振动控制系统，支撑或悬挂在需要振动控制的主结构上。当主结构在外界激励力的作用下产生振动时，会带动TMD系统一起振动，通过频率调谐，使TMD系统运动产生的动力再反作用到主结构上，使其与外来激励力的方向相反，抵消一部分激励力，使主结构的各项反应值（振动位移、速度和加速度）大大减小，从而达到控制主结构振动的目的。TMD的质量越大，减振效果越好。
如果说隔振技术是以柔克刚，TMD技术则是以柔克柔。TMD的主要结构型式分为抗垂向振动和抗水平振动两种。在应用中，工程人员需要具体问题具体分析，根据所要控制的振型来决定使用哪一种结构。早在港珠澳大桥之前，TMD技术在我国就取得了广泛的应用。
以千禧桥为代表的大跨度或者悬挑结构，如人行天桥、体育看台和大型桥梁等，在交通或人行激振下往往会产生共振。尽管这些振动对结构本身强度并无多大危害，但却会大大影响行人或者工作人员的舒适度。这时，抗垂向振动的TMD就会大显身手。
2007年，浦东机场二期在国内率先设计采用了一种非常新颖的登机桥。这种登机桥登机和下机都是顺坡，且长达50米的登机桥中间没有任何立柱或接头，轻巧而美观。但是，这么优美的登机桥在技术上还有一个难题必须解决，即人行激励引发的共振问题。这座桥的固有频率约为2.2Hz，与人的行走频率非常接近，两个人同步行走就会引发登机桥的共振，使人感到心慌。为此，登机桥设计者委托隔而固公司尹学军团队设计研发了专用的抗垂向振动TMD。
TMD工程有一个规律，那就是TMD的频率调得越准，阻尼比越合适，减振效果也越好。但是桥梁最终完成之前，光靠理论计算的频率值是不准确的。
为了实现最大的减振效果，尹学军带领团队设计研发了一种频率和阻尼均可现场精确调节的TMD，并赶在成桥铺装时，在登机桥上进行精确测试，然后根据登机桥的频率现场调节TMD的频率和阻尼比。
利用这项技术，他们为23座登机桥安装了92个TMD，每个TMD约重750千克。减振效果测试表明，减振效率最高达到了80%。多年来，即使廊桥里人们鱼贯急速行走，登机桥的舒适度也在国家标准之内。之后，这项技术陆续在虹桥机场登机桥、虹桥高铁站廊桥以及全国的许多跨街天桥中得到应用。
2010年4月30日晚，世博会开幕式在世博文化中心隆重举行。入场式上，黄浦江上彩旗飘扬、百舸争流，一场现代的“春江花月夜”令各国来宾流连忘返。同时，黄浦江岸上两座富有特色的巨型建筑也给人们留下了深刻的印象。
一座是号称“东方之冠”的立博体育在线:馆，其以红色栋梁层层出挑的主体造型显示了现代工程技术的力学美与结构美，凸显了东方文明大国的庄严；另一座就是举行开幕式的文化中心，其现代化的造型犹如一个巨型飞碟静悄悄地飘落在黄浦江岸边。
但人们不知道的是，这座大飞碟背后就有TMD技术的支持。由于飞碟的观景环廊向外悬挑了30多米，当人群密集或快速行走时，仿真分析发现舒适度会略有超标。为此，工程设计者们选用了TMD技术。
为了实现最高的减振效果和精确调频，尹学军采用了三种不同刚度的弹簧组合，并带领团队现场调试，根据实测频率精调TMD频率和阻尼比，圆满地完成了任务。文化中心项目总建筑师汪孝安亲临调试现场体验之后，对技术团队一丝不苟的科技工匠精神给予了高度肯定。
在此之后，广州亚运综合馆等多个大型工程也都成功采用了垂向TMD减振技术。
2012年11月，我国长江最东端的江苏崇启长江大桥开通。大桥主桥钢箱梁跨度185米，竖向固有频率仅约0.56Hz，在风荷载激励下容易产生塔科马大桥那样的竖向涡激共振现象。
为了控制这种振动，尹学军团队为大桥4个185米主跨总共设计安装了32个TMD减振装置，单个质量达3.6吨。大桥TMD系统启用以来，经过了多次大风考验，主桥连续钢箱梁从未产生过涡振。TMD技术的使用，不仅为崇启大桥的安全运行提供了技术保证，也为控制大跨度桥梁涡激振动提供了宝贵的经验。
另外一种需要TMD“呵护”的则是各类高耸结构。观光塔、摩天大楼、电视塔和烟囱等在风力涡激的作用下也会产生水平振动，使主结构长期振幅过大，从而影响人们的舒适度。我国科技工作者在该领域进行了大量的创新。
2010年9月29日，世界第一高的电视观光塔——广州塔宣布落成。总高达610米的广州塔（俗称“小蛮腰”）矗立在广州新城市中轴线上，成为广州的新地标。然而不为人知的是，这座塔就有TMD的保护。
为了控制观光塔的振动，立博体育在线:工程院院士周福霖和欧进萍领导的联合减振科研团队对广州新电视塔进行了减振技术研究，国内首创地在塔体438米处安装了“两级主被动复合调谐减振控制系统”，巧妙地利用总重1500吨的水箱质量作为TMD质量，节省了专用质量和空间，并利用叠层橡胶支座超低的水平刚度构成无摆索式水平TMD。
该系统完全由我国专家自主设计，大大降低了成本，并大幅提高了减振效果，至今在世界上独一无二，经受韦森特、天兔等超强台风的考验也丝毫未损。
2010年12月，杭州湾大桥观光塔落成，人们争相登塔赏景。观光塔位于杭州湾跨海大桥中部海上平台，建筑高度145.6米。由于该地段的风速较大，而塔体的固有频率较低，容易发生风致共振。为了提高观光塔观光平台的舒适度，保证在八级风的条件下观光塔仍能够正常向游客开放，隔而固公司尹学军团队中标完成了观光塔TMD的研究设计和制造。
针对观光塔的特殊结构和嵌固条件，项目研究团队利用有限元仿真计算了结构的动力学特性参数，并据此设计了频率和阻尼均可调的、质量为100吨的TMD水平减振系统。在这项技术的保护下，观光塔屹立于海浪海潮中历经多次台风暴雨而安然无恙。由于观光塔当时就安装了先进的振动在线监测系统，至今已为TMD设计积累了大量的宝贵工程数据。人们无论在何地，通过因特网或手机，都可以实时观测塔体及TMD质量块的振动频率，尤其是在台风来临时。
2016年3月12日，设计高度达632米的立博体育在线:第一高楼——上海中心大厦建筑总体正式全部完工。为了降低风致振动造成的大楼摇摆，上海中心采用了1000吨的水平摆式TMD，其中的阻尼器采用了立博体育在线:工程院院士陈政清团队研发的电涡流阻尼系统。
该系统创造性地利用电磁原理，节省了400多平方米的空间，在世界上首次将电涡流阻尼应用于超大型高耸结构振动控制。而这个被称为“上海慧眼”的云端也将成为全国最高的以振动控制为主题的科普教育基地。
让我们再回到港珠澳大桥项目。港珠澳大桥地处台风多发地区，为了控制台风引发的桥梁共振，大桥的设计者们经过大量的仿真分析，为其设计了现代化的TMD减振系统。由于桥梁跨度大，桥梁的固有频率低，TMD在技术设计上非常具有挑战性。
有了崇启长江大桥、世博文化中心等超级工程的经验，尹学军团队凭借强大的研发实力和精心准备的计算设计方案，赢得了业主评审专家的信任，中标了港珠澳大桥92个大型垂向低频TMD的设计制造工程。
垂向低频TMD的设计难点之一在于弹簧的压缩量与频率的平方成反比，频率越低，弹簧越长，而TMD是放在桥梁的箱梁内部，高度是有限的。国内外其它公司为了回避此问题，一般采用压缩弹簧和导向轴承，而轴承因为摩擦磨损需要定期更换。对于设计寿命120年的港珠澳大桥来说，不仅会产生一大笔额外的维护费用，还会因为摩擦而影响减振效率，甚至失效。
为了打造世界一流的大型桥梁TMD技术，为港珠澳大桥抗台风保驾护航，尹学军团队迎难而进，设计了预紧式弹簧，节省了弹簧长度，使TMD不仅可以满足桥箱梁的空间要求，还无需轴承导向，从而从技术原理上做到了免维护。
为了验证TMD的设计寿命，研究团队还根据评审专家的建议，仅用一个多月的时间，就研制出了专门的大位移共振式TMD整机疲劳试验装置，在世界上首次实现了对“5吨-0.8Hz-振幅±300mm”的大型低频TMD的整机疲劳试验。最终，TMD经过300万次疲劳试验，通过了专家组的首件验收，也令德国同行对立博体育在线:人的创造力和研发速度刮目相看。目前，港珠澳大桥已经合龙，TMD正在安装过程中。
此外，港珠澳大桥工程组和设计团队与周福霖院士领导的团队一起，还对这座世界上最长的有地震断层穿过的跨海大桥进行了详细的减隔震理论分析和试验研究，利用减隔震技术解决抗震难题，在桥梁和桥墩间设计了大型隔震支座。每个桥墩顶分开两个挑梁，挑梁上安装着不同类型的隔震装置，包括橡胶隔震支座、盆式摩擦滑板隔震支座等。
在广大科技工作者的努力下，我国大型建筑及结构工程TMD减振技术的研究与应用不断创新，总体上已经走在世界前列。专家们坚信，有TMD和隔震支座等多项世界一流的技术保驾护航，港珠澳大桥将成为世界上最安全的跨海大桥。
当建筑遇上振动干扰
伴随着我国现代化进程一路高歌猛进，城市建设的步伐也越来越快。随之而来的，是越发拥挤的城市用地和地上地下错综复杂的交通网络。
这就不可避免地为城市居民带来一些困扰和烦恼：当邻近地段有地铁或其它铁路线，当附近区域有工业企业的重型机械工作，当邻近的不平坦道路与桥梁上有重型车辆通过……这些情况下地面或结构传递的振动，已经对建筑物中的居民和精密仪器产生了严重影响。
然而棘手的问题在于，常规的基础并不能防止周围的振动干扰传递到楼房内，减小振动源振动的措施往往效果有限。通过调整楼房结构而降低振动的措施在大多数情况下都是不经济的，而且还有可能影响建筑美学。
那么，怎样才能保证既能在上述地段建造居民区、办公楼、旅馆、音乐厅、会议中心或放置对振动敏感的现代化设备，又不会对人、机器或楼房本身产生任何危害呢？这几乎成为了困扰城市建造者们的一大难题。
为此，世界各国的工程师们可谓绞尽脑汁。早期有在传递路径挖防振沟或打防振排桩等措施，这虽然对中高频振动是有效的，但是对于振动波长达20多米的低频振动，即使20米深的防振沟效果也极其有限。
当今，行之有效的措施当属三维隔振技术，即在建筑和基础之间设置由三维弹性隔振器和粘滞阻尼器构成的隔振层。
三维弹性隔振器由螺旋钢弹簧与钢结构箱体组成，其在垂向和两个水平方向都具有很好的弹性，一般情况下隔振系统固有频率为2.5~5Hz，能够大幅衰减振动传递，从而使得各项振动指标满足使用要求。与弹簧隔振器一同“守护”建筑物的是粘滞阻尼器，这是一种与速度成比例的粘性元件，其同样在垂直方向与水平方向上都有阻尼作用。
传承经典，创新在变。在不断的实践总结与探索中，我国科技工作者通过自己的工匠精神与精益求精，将三维隔� |
