蘇通長江公路大橋主橋為雙塔雙索麵鋼箱梁斜拉橋，其主跨跨徑為1088米，建成時為世界第一大跨徑斜拉橋。斜拉索為空間雙索麵扇形結構，每塔兩側各布置34對平行鋼絲斜拉索，最大索長為577米。
蘇通大橋自2008年通車至今已運營十餘年，拉索阻尼器出現了性能退化問題。為了替換原有阻尼器、解決長索出現的高頻振動和未安裝阻尼器的短索的日常振動問題，2018年11月，蘇通大橋有限責任公司組織和委託多家科研單位，全面系統地開展了拉索減振措施相關的理論、試驗和實測研究（表1）。
在此期間，科研單位針對外置阻尼器更換選型，系統測試了在國內和日本應用廣泛的黏性剪切阻尼器、黏滯阻尼器、新型電渦流阻尼器的減振性能，並對黏性剪切阻尼器的低溫特性進行了測試和評價 ；針對拉索高頻振動問題，研究了其機理，並測試了三種不同的抑振措施方案，即索表面繞螺旋線、索間增設連接器和梁端套管口增設內置阻尼器；針對未安裝阻尼器的短索的日常振動，測試了外置電渦流阻尼器和套管口內置阻尼器兩種減振方案。
拉索外置阻尼器
3種外置阻尼器的實橋安裝如圖1所示。安裝電渦流阻尼器時，對原有支架進行了改造，加強了支架的面外剛度；黏性剪切阻尼器和黏滯阻尼器均在原支架上進行安裝，對連接位置進行了處理。
(a) 電渦流阻尼器
(b) 黏性剪切阻尼器
(c) 黏滯阻尼器
圖1 三種外置阻尼器在拉索上的安裝情況
黏性剪切阻尼器和黏滯阻尼器
(1)阻尼目標
蘇通大橋斜拉索減振措施原設計考慮了索的前5階振動，然而日常觀測和監測數據顯示，長索實際發生的振動模態多於前五階，因此在進行外置黏性剪切和黏滯阻尼器更換設計時，對減振阻尼需求目標作了如下調整：
索前五階振動的對數衰減率高於0.03(與原設計一致)；
對於其他3.0Hz以下的拉索振動模態，要求對應的Scruton（斯柯頓）數大於10。此項要求對於最長索覆蓋了其前13階模態。
上述第二條要求參考了美國後張力協會（PTI）對斜拉索設計、試驗及安裝的推薦規程（2018）。基於拉索風洞試驗研究文獻，該規程要求：
其中Sc為斯柯頓數，δ為拉索振動的對數衰減率，ρ=1.225kg/m3為空氣密度, D(m)為拉索直徑，m(kg/m)為拉索單位長度質量。當拉索表面採取了有效氣動措施時，上述要求可以放鬆到Sc>5。考慮到蘇通大橋斜拉索表面雖然進行了凹坑處置，但仍出現過風雨振動，因此取Sc>10。根據蘇通大橋不同規格索的直徑和單位長度質量，計算得到抑制蘇通大橋斜拉索風雨振動需要的最小阻尼和對數衰減率，如表2所列。
(2)多模態振動阻尼效果
為了測試黏性剪切阻尼器和黏滯阻尼器的減振效果，針對蘇通大橋蘇州江側上遊索麵(SJU)的18、26、32號索，分別優化設計並安裝了這兩種阻尼器，進行了實橋試驗。3根索的長度分別為334.2米、454.1米和546.9米，其中針對SJ32U索設計的黏性剪切阻尼器亦安裝在NJ32U(南通江側上遊的32號索，與SJ32U索參數相同)索上進行了測試，試驗結果如圖2。
圖2 黏性剪切阻尼器和黏滯阻尼器阻尼效果實測結果。水平虛線對應抑制蘇通大橋斜拉索風雨振需要的最低模態阻尼(0.32%,見表2)；豎虛線左側對應頻率低於3.0Hz的索振動模態，右側對應頻率大於3.0Hz的索振動模態。
黏性剪切阻尼器和黏滯阻尼器的減振效果均能達到原設計要求，即拉索前5階模態振動對數衰減率達到0.03（模態阻尼比為0.48%）。
黏性剪切阻尼器和黏滯阻尼器的減振效果能達到抑制風雨振的基本要求，即索振動頻率在3.0Hz以下的模態對應的Scruton數>10。
對於索振動頻率小於1.0Hz的模態，黏滯阻尼器阻尼效果更好；對於頻率大於3.0Hz的拉索振動模態，黏性剪切阻尼器的減振效果優於黏滯阻尼器；索振動頻率為1.0Hz到3.0Hz之間時，兩種阻尼器的阻尼效果相當。
(3)黏性剪切阻尼器低溫性能分析
黏性剪切阻尼器為工程界熟知的一個特點是，其使用的黏性介質的剪切性能對溫度敏感。黏性剪切阻尼器的整體性能、其對索的阻尼效果是否對溫度敏感一直未有明確答案。試驗將黏性剪切阻尼器單體放入冷藏室進行降溫，然後在不同的低溫條件下進行單體性能測試。結果表明，隨著溫度降低，黏性剪切阻尼器的剛度係數和阻尼係數均有一定變化，在兩種變化的綜合影響機制下，理論估計其對索的阻尼效果並無顯著變化。此外，通過不同季節的實橋測試和長期監測，亦可以直接分析黏性剪切阻尼器在不同溫度下的阻尼效果：
2019年5月(氣溫在25度)和2019年11月(氣溫在15度)，對安裝了黏性剪切阻尼器的SJ26U索和SJ32U進行了實橋測試，測試得到的模態阻尼基本吻合（如圖3），都能達到上文所述的設計目標。
圖3 安裝黏性剪切阻尼器的索阻尼效果在2019年5月和11月的測試結果對比
長期監測數據分析表明，安裝黏性剪切阻尼器的索夏季和冬季的日常振動無明顯差異。索NJ32U(2019年6月底更換為黏性剪切阻尼器)夏季（8-9月）和冬季（2020年1-2月）監測得到的振動加速度的日均方根值如圖4所示。可見，除了出現高階渦振的日期外，索振動加速度日均方根值在冬季和夏季無明顯差別，索的日常振動的幅值在2020年1月下旬最小。
圖4 安裝黏性剪切阻尼器的NJ32U索夏季和冬季振動對比
電渦流阻尼器
湖南大學在蘇通大橋7根拉索上設計安裝了電渦流阻尼器，進行了索阻尼效果測試和長期振動監測。安裝有電渦流阻尼器的索的測試結果顯示：
安裝電渦流阻尼器的7根索測試得到的附加阻尼效果好，最高附加模態阻尼比能達到1.62%，甚至超過了理想黏滯阻尼器的最優單階阻尼效果。
圖5 電渦流阻尼器對蘇通大橋較長索的阻尼效果測試結果。所測試模態均進行了3次試驗，對應結果標記為1#-3#。圖中，水平虛線對應控制蘇通大橋斜拉索風雨振需要的最低模態阻尼(0.32%,見表2)；豎虛線左側對應頻率低於3.0Hz的索振動模態，右側對應頻率大於3.0Hz的索振動模態。
圖5為其中3根索安裝電渦流阻尼器後的實橋阻尼測試結果。實橋試驗最高測得NJ26D索的26階模態阻尼、最高測試振動模態的頻率達到7.291Hz(NJ18D索的第19階)，所有測試的模態的阻尼比均達到抑制渦激振動的要求（Scruton數>10）。
對比電渦流阻尼器和黏性剪切阻尼器的效果，可見，電渦流阻尼器在3.0Hz以下的頻段，對索的附加阻尼優於成熟阻尼器；當頻率繼續升高時，黏性剪切阻尼器的附加阻尼效果與電渦流阻尼器的阻尼效果接近。
電渦流阻尼器對索7階左右的模態的阻尼效果好，有兩方面原因：一是電渦流阻尼器的參數針對索的更高階模態進行了優化；二是電渦流阻尼器轉子的慣性放大作用能提高其在索振動中的耗能效果。
高階渦激振動及減振方案
長索高頻渦激振動問題
蘇通大橋拉索在原阻尼器安裝前後，現場施工人員就發現了拉索的高頻振動情況。結合蘇通大橋的監測數據，後續研究明確此高頻振動為渦激振動。同時，2018年以來的試驗和監測工作(表1)亦表明，安裝了電渦流阻尼器或者黏性剪切阻尼器的長索仍出現了此類高頻渦激振動：
根據湖南大學的拉索振動監測報告，安裝電渦流阻尼器的NJ32D和NJ31D、安裝原MR阻尼器的NJ32U索(2019年6月底更換為黏性剪切阻尼器)，在監測期間均發生了明顯的渦激振動現象，對應卓越頻率為9.98Hz和10.26Hz，最大加速度幅值超過50m/s2。
對比2019年7月至12月NJ32D和NJ32U(安裝黏性剪切阻尼器)索的振動情況（圖6），兩根索均在多日出現了大加速度幅值的渦激振動(剔除了加速度測量的漂移點)，面內外均出現了此類振動，面外振動的幅值大部分情況下約為面內振動幅值的一半。
圖6 NJ32D和NJ32U索2019年7月至12月面內外加速度日最大值統計圖
可以明確的是，長索外置阻尼器不能有效控制此類渦激振動的主要原因在於，外置阻尼器接近此類振動時索振型的駐點，因而基本無耗能效果。此外，長索高階振動時自身的阻尼很低，模態阻尼比低於0.5%，靠自身阻尼難以將渦振振幅控制在很小的幅度內。
高頻渦激振動的減振措施
(1)拉索表面繞粗直徑螺旋線
湖南大學採用風洞試驗研究發現，粗直徑螺旋線(直徑10mm，螺距12倍索直徑)可有效抑制蘇通大橋拉索的渦激共振響應。並注意到，抑制索渦激振動相比抑制索風雨振，要求螺旋線的直徑更粗，例如明石海峽大橋吊杆抑制渦振的螺旋線的直徑也為10mm。
(2)索間連接器
中交公路規劃設計院有限公司等單位優化設計並實橋安裝了連接SJ31D、SJ32D和SJ33D索的兩個連接器。安裝前後索振動監測結果表明，索間連接器對索模態的阻尼有提高作用。
(a) SJ18U索
(b) SJ26U索
(c) SJ32U索
圖7 3根索套管口橡膠阻尼器安裝完成照片
(3)長索套管口安裝日本內置橡膠阻尼器
根據文獻和工程調研，日本多多羅橋長索渦激振動控制採用的是套管口安裝片狀橡膠阻尼器。一般而言，橡膠阻尼器具有較好的高頻減振效果。蘇通大橋在SJ18U、SJ26U和SJ32U三根長索的梁端套管口內安裝了多多羅橋上使用的橡膠阻尼器，完成後的照片如圖7所示。這是中國大陸首次引入這種現場灌注式的套管口高阻尼橡膠阻尼器。安裝前後索的振動測試和監測結果表明，套管口阻尼器能有效控制索的高階渦激振動。雖然其對外置阻尼器的低階阻尼效果有一定影響，但受影響的低階阻尼效果仍能滿足設計目標要求。具體如下——
長索單獨安裝套管口高阻尼橡膠阻尼器相對於索不安裝阻尼器，索振動的阻尼具有一定提升，提升效果與理論估計吻合。
2020年1月19日至2020年3月15日期間，對蘇通大橋同時安裝有黏性剪切阻尼器和日本套管口橡膠阻尼器的SJ32U索，以及僅安裝了黏性剪切阻尼器的NJ32U索和僅安裝電渦流阻尼器的NJ32D索的振動監測顯示：套管口橡膠阻尼器有效限制了索的高階渦激振動。圖8所示為這3根索在監測期間加速度的日最大值統計圖。可見，安裝了套管口橡膠阻尼器的SJ32U索的面內面外，未出現明顯的渦激振動。
圖8 NJ32D、NJ32U和SJ32U索2020年1月19日至3月15日索麵內外振動加速度日最大值對比
安裝橡膠阻尼器前後對索阻尼測試的結果顯示，長索套管口安裝橡膠阻尼器後，外置阻尼器對索前幾階振動的阻尼效果有所削弱，外置阻尼器對更高階索振動的控制效果未受到明顯影響。在套管口阻尼器的負面影響下，安裝黏性剪切阻尼器的斜拉索的低階振動的模態阻尼仍能滿足設計目標。
安裝有外置阻尼器的長索出現渦振的情況在其他斜拉橋上幾乎未見報導，這可能與蘇通大橋斜拉索長度大有關。為了防止這類渦振的出現，理想的情況是在橋梁設計之初採取塔端安裝內置式套管口阻尼器進行控制，塔端安裝的橡膠阻尼器的減振效果能與梁端的外置阻尼器完美疊加。但是，套管口安裝的橡膠阻尼器不僅需要像外置阻尼器一樣進行優化設計，還要有配套的工藝保證其長期有效。此外，橋梁設計之時亦可以採取輔助索和索表面繞線的方案，它們會對橋梁的風荷載和美觀性造成一定影響，需要綜合考慮多種因素進行設計。
成橋以後，塔端進行阻尼器增設施工困難，在梁端增加套管口阻尼器是最為便利和不影響美觀的選擇，其需要和外置阻尼器共同優化設計。
短索減振措施
針對蘇通大橋原設計未設置外置阻尼器的短索，開展了採用支架安裝電渦流阻尼器和在套管口安裝日本粘彈性材料填充阻尼器兩種方案的實施、測試和監測工作。
圖9 索間連接器安裝完成照片
安裝粘彈性材料填充阻尼器後，SJ9U索前5階振動(3.0Hz以下模態)的阻尼在0.15%左右(對應對數衰減率為0.01)，與理論設計吻合。阻尼效果主要受限於套管口到索錨固點的距離(約為索長的1%)。
索SJ9U和SJ8U振動的監測對比表明，套管口阻尼器對索日常振動起到顯著的控制效果。圖10統計了2020年1月19日至2020年3月15日期間，兩根索麵內、面外振動的最大振幅。可見，SJ8U索幾乎每天出現加速度幅值大的振動，最大加速度超過測量量程（50m/s2），一半日期最大加速度超過20m/s2；安裝套管口阻尼器的SJ9U索在監測期間出現了三次加速度幅值較大的振動,面內加速度最大為13.5m/s2、面外加速度最大為11.28m/s2,均出現在2020年2月15日。
蘇通大橋的NJ8D和NJ9D索，在索長2.5%位置安裝電渦流阻尼器後，NJ8D索4階和12階振動的模態阻尼達到0.4%和0.36%以上；NJ9D索4階和11階振動的模態阻尼達到0.74%和0.38%以上。
圖10 2020年1月19日至2020年3月15日期間SJ08U、SJ09U和NJ09D索振動加速度日最大值統計圖
在圖10所示的監測期內，安裝電渦流阻尼器的NJ09D索麵內加速度最大為4.57m/s2，發生在2020年3月9日；面外加速度最大為5.93m/s2,發生在2020年2月16日。可見，採用了支架安裝的外置阻尼器,由於安裝位置的提升能進一步提升對短索的控制效果。
正視差距補短板
針對蘇通大橋拉索阻尼器更換、長索高頻振動處置和未安裝阻尼器的短索振動處置需求，蘇通大橋組織實施了一系列的減振方案（裝置）設計、阻尼器選型試驗和拉索減振效果實測，研究和試驗監測結果表明：
國產外置阻尼器能達到索低階控制需求，可以替代進口阻尼器，且在價格和後期維護上有較大優勢，同時新型電渦流阻尼器能夠提供更大的阻尼效果。
三種外置阻尼器對特長拉索的高頻渦振控制效果均不理想，而在梁端套管口增加高阻尼橡膠阻尼器效果比較明顯，對短索的日常振動也控制較好。
在整個研究工作和索減振措施設計中，我們發現：(1)針對斜拉索的減振設計國內缺少減振目標確定、阻尼器參數優化、阻尼器支架設計等規範標準；(2)同時套管口阻尼器的選取和施工缺乏設計，在設計理念和施工工藝方面均與國外存在較大差距。這些問題亟需在後續斜拉橋的設計和維護中解決。
本文刊載 /《大橋養護與運營》雜誌 2020年 第3期 總第11期
作者 / 王敬民 孫利民 陳政清
作者單位 / 江蘇蘇通大橋有限責任公司
同濟大學、湖南大學