大吨位电涡流轴向阻尼器在大跨度斜拉桥上的研究与应用

大吨位电涡流轴向阻尼器在大跨度斜拉桥上的研究与应用1.桥梁大型阻尼器研究现状1.1传统被动耗能减振装置结构被动耗能减振是在结构中设置非结构构件的耗能元件（通常称为耗能器或阻尼器），结构振动使耗能元件被动地往复相对变形或者在耗能元件间产生往复运动的相对速度，从而耗散结构的振动能量、减轻结构的动力响应。

结构设置耗能元件一般不改变结构形式，也不需要外部能量输入。

结构被动耗能减振装置经过40余年的发展，大体有如下几类产品：金属阻尼器、摩擦阻尼器、黏弹性阻尼器、黏滞液体阻尼器、调谐质量阻尼器和调谐液体阻尼器。

其中如果按照速度相关型和位移相关型来分类，黏滞液体阻尼器和黏弹性阻尼器属于速度相关型阻尼器，金属阻尼器和摩擦阻尼器属于位移相关型阻尼器，调谐质量阻尼器和调谐液体阻尼器则属于调谐吸振型耗能装置。

在上述传统被动耗能减振装置中，黏滞液体阻尼器的应用最为广泛，它适用于地震激励、风振激励、环境激励等不同强度和频带激励下的结构振动控制。

例如，我国的上海卢浦大桥、苏通长江公路大桥、西堠门大桥等超大跨度桥梁在抗震设计中均采用了黏滞液体阻尼器。

黏滞液体阻尼器通常使用液体硅油作为阻尼器的中间介质，它由带有活塞的圆筒中塞满硅油制成。

当活塞在外力的作用下往复运动时，活塞挤压硅油迫使其流入导油孔，从而产生很大的阻尼。

从力学模型上看，黏滞液体阻尼器是一种非线性的速度型阻尼器，它不会增加局部结构的受力负担，而且其控制效果不易受外部环境如温度和振动频率等因素变化的影响。

黏滞液体阻尼器在土木工程领域的应用始于上世纪80年代末，美国在这方面的研究起步较早，目前已经形成系列化研究。

我国对黏滞阻尼器的研究起步较晚，欧进萍教授、李爱群教授、周云教授等都对黏滞液体阻尼器的产品开发、理论和试验研究进行了积极探索。

从产品技术上看，由美国Taylor公司生产的黏滞液体阻尼器处于国际领先水平，并已大量应用于实际工程。

国内的黏滞液体阻尼器产品经过近10多年的发展也取得了很大的技术进步，已经逐步开始在实际工程中得到应用。

然而，国内外的黏滞液体阻尼器都存在一些普遍的问题：首先，黏滞液体阻尼器对密封技术要求很高。

特别是对于桥梁结构，密封圈将长期暴露于恶劣的自然环境当中，并且昼夜承受车辆、风等引起的振动，使黏滞液体阻尼器生命周期内存在较大的漏油失效风险，即使是美国泰勒公司生产的阻尼器，在奥克兰大桥使用3年后也出现了漏油现象，需要更换。

其次，黏滞液体阻尼器的内摩擦力较大，会妨碍其在低水平激励下的正常启动，从而在一定程度上降低了其实际减振效率，并限制了其使用范围。

第三，在高速工作条件下，黏滞液体阻尼器的内部会产生很高的油压，存在爆缸的风险。

1.2电涡流阻尼技术在结构工程领域的研究现状我们把用于结构振动控制的电涡流阻尼装置统称为电涡流阻尼器。

特别地，当电涡流阻尼器采用永磁体作为磁场发生源时，它不需要外部能源供应，因而属于被动耗能减振控制装置的范畴。

与摩擦阻尼器、黏滞液体阻尼器等传统被动耗能减振装置相比，电涡流阻尼器是一种新型、绿色的被动耗能减振装置。

电涡流阻尼的产生不依赖于摩擦，也不需要工作流体，从而根本上避免了黏滞液体阻尼器漏油失效的潜在风险，具有维护要求低、耐久性好、启动灵敏度高等优点。

此外，电涡流阻尼器具有良好的可调节性能，通过改变电涡流阻尼器的电磁参数或磁路构造很容易改变其阻尼系数。

与电涡流制动器的广泛应用相比，电涡流阻尼器在大型土木结构振动控制领域的研究和应用面临的一个主要困难是相对其它被动耗能减振装置，电涡流阻尼器的耗能效率太低。

这一方面是早期永磁体的性能较低而且价格较高，在技术上和经济上都很难提供足够大的激励磁场，同时也没有深入研究提高耗能效率的措施。

另一方面，虽然电磁铁可以提供高强度的激励磁场，但需要有稳定的电源供应，因其不方便和不可靠而很难被土木工程所接受。

自2008年开始，陈政清院士领导的项目团队研究团队致力于电涡流阻尼技术在土木工程大型结构中的应用，所发明的板式电涡流单元与旋转式阻尼器克服了电涡流阻尼耗能效率低的困难，已经在国内外几十项大型工程中得到应用，其中包括我国最高的上海中心大厦，摩洛哥的世界最高热电塔和岳阳洞庭二桥悬索桥和著名的张家界玻璃桥等等。

1.3轴向电涡流阻尼器的研究现状当把电涡流阻尼力直接施加到结构上进行振动控制时，电涡流阻尼力通常沿着阻尼器的轴线方向，因此我们把这一类电涡流阻尼器统称为轴向电涡流阻尼器。

目前有关轴向电涡流阻尼器的研究非常少。

2008年，Palomera-Arias等提出了一种采用永磁体作为磁场发生源，铜导线作为感应电流载体的轴向电涡流阻尼器（如图1所示），并从耗能密度和经济性两方面分析了这种轴向电涡流阻尼器在土木工程结构振动控制中应用的可行性。

Palomera-Arias的研究表明在同等出力的条件下这种轴向电涡流阻尼器尺寸至少是黏滞液体阻尼器的1.6倍，而价格至少是黏滞液体阻尼器的5倍。

2009年，Ebrahimi等针对车辆悬架系统的减振控制提出了一种由永磁体和导体圆筒构成的轴向电涡流制动器（如图2所示），作者推导了这种轴向电涡流阻尼器阻尼系数的理论计算公式，并通过有限元方法和样机试验对该阻尼器的性能进行了验证。

Ebrahimi等在结论中指出这种轴向电涡流阻尼器的重量和经济性都难以达到现有商用被动耗能阻尼器的水平。

2015年，Bissal等[33]提出了采用轴向电涡流阻尼器作为高压直流断路器中超快减振器的可行性，这种轴向电涡流阻尼器主要由导体圆筒和置于导体圆筒内的永磁体构成，作者分析了不同的磁路拓扑对轴向电涡流阻尼器阻尼性能的影响，并通过试验进行了验证。

上述轴向电涡流阻尼器的活塞杆都直接与结构构件相连，这样阻尼器内部永磁体与导体之间的相对速度就等于结构构件两端相对速度的大小。

因为与车辆的制动速度相比土木工程结构的振动速度非常小，而振动质量却非常大，所以上述轴向电涡流阻尼器难以提供足够大的结构控制力。

图1 Palomera-Arias 等提出的轴向电涡流阻尼器 图2 Ebrahimi 等提出的轴向电涡流阻尼器为了解决上述问题，2013年以来，陈政清教授结合滚珠丝杠和电涡流制动器开发了一种新型的轴向电涡流阻尼器。

这种新型轴向电涡流阻尼器主要由滚珠丝杆、滚珠螺母、旋转外杯、导体圆筒、固定内杯、永磁体、连接件和各种传动轴承构成，因此又称为外杯旋转式轴向电涡流阻尼器（如图3所示）。

图3 外杯旋转式轴向电涡流阻尼器构造示意图外杯旋转式轴向电涡流阻尼器的导体圆筒由铸铁或其它高磁导率材料构成，它对永磁体形成的磁场具有屏蔽作用，防止了对外界环境的电磁干扰，同时也提高了内部磁场的强度，收到了一举两得的效果。

因为使用了永磁体作为磁场源，所以轴向电涡流阻尼器并不需要外部电源，它是一种被动阻尼器。

当阻尼器两端的连接件产生相对运动时，滚珠丝杆做轴向运动并驱动螺母旋转，螺母的旋转运动通过推力轴承传递给旋转外杯和固定在其上的导体圆筒，旋转外杯和导体圆筒在旋转过程中不仅受到惯性力矩的作用，还因切割磁力线而受到电涡流阻尼力矩的作用，上述惯性力矩和电涡流阻尼力矩反过来又通过滚珠螺母转换为作用在滚珠丝杆上的轴向力并传递给受控结构。

在以上工作过程中，滚珠丝杠副对结构输入的轴向速度以及作用在旋转外杯和导体圆筒上的总力矩都有显著的放大作用，这一方面使轴向电涡流阻尼器的耗能密度接近粘滞阻尼器的水平，另一方面还使得与轴向惯性力对应的等效质量（又称表观质量）可以达到旋转外杯和导体圆筒实际物理质量的成百上千倍。

经过近年来的技术攻关已成功研制了3吨、50吨及100吨的轴向电涡流阻尼器样机，样机试验结果表明外杯旋转式轴向电涡流阻尼器的耗能效率和出力已接近黏滞液体阻尼器的水平。

从力学性能来看，新型轴向电涡流阻尼器是一种非线性的速度型阻尼器，但是这种速度非线性与黏滞液体阻尼器存在本质区别。

在低速条件下，轴向电涡流阻尼接近线性粘滞阻尼，但是随着速度的进一步增大，轴向电涡流阻尼力总是先增加，后减小，存在一个最大值及对应的临界速度。

外部旋转式轴向电涡流阻尼器的力饱和特性可以对结构形成有效的过载保护。

2.大吨位电涡流阻尼器在武穴长江大桥项目工程应用武穴长江大桥是中国湖北省境内连接黄冈市与黄石市的过江通道，位于长江水道之上，是湖北省“953”高速公路网纵一线麻城—阳新高速公路（鄂高速S29）和东营—深圳公路（220国道）跨越长江的关键性控制工程。

武穴长江公路大桥主桥采用主跨808m双塔单侧混合梁斜拉桥方案。

钢混结合面位于南塔附近，并伸入主跨距南塔中心线11.4m;南边跨采用混凝土主梁，长236.4m；中跨和北边跨采用钢主梁，全长1166.6m，主桥布置图如下图4。

图4、主桥桥型布置图全桥设置8个塔梁大吨位阻尼器，阻尼器设置于塔、梁之间，每个索塔初设置四个。

图5、塔梁电涡流阻尼器所处的位置此项目的电涡流塔梁阻尼器特征：A）工作温度范围，根据磁钢性能设计为-40℃～+80℃，优于技术要求的-15℃～+50℃；B）启动摩擦阻力，小于设计最大阻尼力的1%，可以保证阻尼器在日常运行的行车制动力等激励下开始工作，提高全桥在运营状态的性能；C）电涡流阻尼器的阻尼力-速度曲线不但可以与电涡流阻尼器曲线进行等效，还可通过一些手段适当调整优化，可调整到阻尼力随速度的增加不再继续增加或下降，避免强地震时振动速度超过设计最大速度的极端工况下阻尼器破坏失效。

以前期完成设计的电涡流阻尼器曲线为例：图6 电涡流阻尼器优化的阻尼力-速度曲线图7 速度相关性能荷载-位移曲线图8、频率相关性能荷载-位移曲线通过项目运营期的监控观测，阻尼器启动摩擦力较小，能适应桥梁的较大速度和位移范围的工况，起到较好的减振耗能的效果，对桥梁结构件工作进行了较好的缓存和保护，可以有效延长结构件的使用寿命。