阻尼器显示出伦敦千禧桥的改造的灵活性

经过道格拉斯·p·泰勒

2000年6月10日，千禧步桥向公众开放，这是一个多世纪以来第一座横跨泰晤士河的新桥。在它运行的第一天就有近10万人使用它。但仅仅两天后，它就因甲板危险运动而被下令关闭。看似随机的行人脚步会引起桥面共振，横向加速度高达0.25 g。

桥梁结构的强迫谐波激励现象已经被很好地理解，并且已经被许多来源很好地记录。千禧桥的独特之处在于，它在没有任何预期的强迫运动或行进的情况下产生了共鸣。在对大桥开放期间可用的视频片段进行了广泛审查后，一系列测试确定了一种独特的生物动力反馈现象，“同步横向步行”，这导致看似随机的步行动作随着时间的推移在桥上不相关的一组人之间变得同步。

项目团队评估了许多将减少或消除反馈响应的概念。最有希望的是：加强桥梁，限制允许的允许数量的桥梁，主动控制或补充被动阻尼。最终选择阻尼作为优选的解决方案。

对于这个问题，最直接的应用是使用附加的粘性阻尼装置，将结构总阻尼水平提高到20%的临界范围，相比之下，现有结构的临界阻尼水平约为0.5%。设计概念是基于这样一个前提，即增加阻尼可以将共振偏转降低到一个适当的低水平。

对于简单的弹簧-质量-阻尼系统，稳态强迫共振时的振幅为:

其中x =谐振幅度
X0 =弹簧-质量系统在稳定力作用下的零频率偏转
δ =临界阻尼系数

根据定义，谐振响应的放大系数

因此，如果通过强制共振激发具有0.5％临界阻尼的简单的第一订单系统，则放大系数是：

如果系统中的阻尼升高到20％至关重要，则放大率基本上降低到：

桥上使用的阻尼装置导致了五个主要的设计问题，其中一些是这个特殊结构所独有的。

阻尼器必须以0.8Hz的平均频率连续循环。大多数周期将在低幅度下进行，但业主要求的总循环次数基于50年的桥梁寿命。这相当于超过109个循环的生命周期，远远超过任何类型的传统阻尼装置的正常值。理想情况下，阻尼器应为整个生命周期免费免维护。
阻尼器必须响应低至0.025 mm的微小分辨率的微小偏转，否则将无法抑制反馈，直到桥梁已经很好地共振。阻尼频率响应要求定义为D.C.B2 Hz，在整个带宽上具有高保真输出。由于风，热量和静态载荷，因此，该问题具有复杂的是，需要最多的距离或减去275毫米的总阻尼偏转。
阻尼器响应必须具有较低的迟滞量，以避免行人感知到传统滑动接触流体密封的经典“粘滑”运动，从而感知到桥梁结构的失稳。当考虑到非常长的循环寿命时，这一要求变得更加困难;传统的液压实践是在动态循环下使用干扰大的密封件，以延长使用寿命。这些高干扰反过来又会产生高密封摩擦，突出“粘滑”运动。
需要几种不同的阻尼器设计，其中每个不同的输出力，偏转，部件方程和包络尺寸。
阻尼器位于室外，在带有潮汐流的咸水水道上方。设计寿命是这样的，阻尼器的所有主要操作元件都需要由固有的耐腐蚀金属构成，不会随着时间的推移而降解。

阻尼产品制造商Taylor Devices提出了一种独特的解决方案，这种阻尼器以前只被NASA和其他美国政府机构用于天基光学系统。这些以前的应用对长寿命和低振幅高分辨率有类似的要求，但对小而轻的设计外壳要求相对较低的阻尼力。这种设计最独特的元素是由焊接金属波纹管制成的无摩擦密封。这种类型的密封不会滑动，而是随着阻尼器的移动而弯曲而无迟滞。

两个金属波纹管密封用于密封阻尼器中的流体。当阻尼器移动时，两个波纹管通过单个波纹管段的弯曲交替伸展和收缩。由于密封元件弹性弯曲而不是滑动，因此密封滞后几乎为零。由压缩波纹管所取代的体积通过交叉口进入位于阻尼器另一端的延伸波纹管。当这种情况发生时，阻尼力由阻尼头的孔板产生，而产生的压力通过高限制流体动力迷宫套管与金属波纹管隔离。由于采用流体动力衬套，没有滑动接触活塞杆发生，确保无摩擦性能。