钢结构桥梁的桥墩振动时效方法与流程

本发明涉及钢结构件去应力处理技术领域，尤其是一种用于消除钢结构桥梁的桥墩的焊接残余应力的振动时效方法。

背景技术：

钢结构桥梁和混凝土桥梁是现代桥梁结构的两种基本结构型式。钢结构具有自重轻、材质均匀、质量稳定、易于工厂化制造、装配化施工、便于回收利用及抗震性能强等优点，为世界桥梁界所推崇。目前法国、日本和美国等国家的钢结构桥梁占比分别为85%、41%和35%，但我国的钢结构桥梁占比不足2%。随着我国铁路和公路建设的高速发展，一带一路战略决策所带动的周边国家的铁路和公路建设的高速发展，钢结构桥梁具有广阔的发展前景。

钢结构桥梁采用钢结构建造，由钢结构桥墩和钢梁构成，多个桥墩支撑多个钢梁构成了钢结构桥梁，桥墩由搭柱构成，钢梁有钢桁梁、钢箱梁和钢混组合梁等结构形式。钢结构桥梁的桥墩属于大型焊接结构件，不仅刚性强，而且重量重，有的高达数百吨；这种结构件由纵横交错的筋板构成，焊接部位多，焊接后存在很高的分布复杂的残余应力，应力集中现象突出；此外钢结构桥梁不仅承受自身的重量作用，这个重量有的高达数万吨，还承载来自于桥梁上的车辆以及风力等外力的作用，因此这个残余应力与桥梁的工作应力叠加后就可能导致桥梁出现变形甚至断裂的严重后果，因此很有必要消除这个残余应力。

现有的消除残余应力的主要技术有热时效、自然时效、超声波冲击时效和振动时效。消除钢结构桥梁的桥墩焊接残余应力，采用热时效，热处理设备投资巨大，时效成本高，存在氧化变形等问题，并不可行；自然时效周期长，不能满足交货时间要求，更不可行；超声波冲击时效消除应力的深度有限，也不能消除宏观残余应力，也不可行。

振动时效是用共振原理消除残余应力的可靠先进的时效技术，具有高效、节能、环保、实施简便以及成本低廉等显著优势，为桥墩的时效处理提供了可能性。但是常规的振动时效处理方法，均是采用单台振动时效设备，对工件进行振动时效处理，这对于桥墩这种大型工件则不能达到有效地消除残余应力的目的，其原因在于单台振动时效设备，均是使用单个激振器产生动应力，在其亚共振点进行共振振动来消除残余应力的，而要有效地消除残余应力，必须使激振器共振所产生的动应力与残余应力叠加，超过材料的屈服极限，才能达到有效消除残余应力的目的，但是桥墩这种大型工件，刚性强，重量重，采用单个激振器进行振动时效处理，其共振时候产生的动应力很小，其与残余应力叠加之后，不能超过材料的屈服极限，因此达不到有效消除残余应力的目的。此外目前世界上现有的单台振动时效设备的激振器的激振力，都不超过50KN，都难以获得对这类大型工件进行共振所需要的动应力，而要研制开发出更大的激振力的振动时效设备，其技术难度又是极大的。

长期以来国内外很多企业，都曾经尝试过用振动时效来消除钢结构桥梁的桥墩的残余应力，但是均没有获得成功，这也被公认为是钢结构桥梁行业长期存在的，也是人们一直渴望解决的一个世界性技术难题。

由于钢结构桥梁的桥墩无法进行消除残余应力的时效处理，因此不仅存在由残余应力导致的桥梁质量问题隐患，而且也影响了钢结构桥梁的推广应用。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题，是提供一种钢结构桥梁的桥墩振动时效方法，这种振动时效方法，能够有效地消除钢结构桥梁桥墩的残余应力。

本发明解决技术问题所采用的技术方案为：这种钢结构桥梁的桥墩振动时效方法，桥墩于下部设有下框梁、于上部设有上框梁，使用多台振动时效设备，每台所述振动时效设备具有一个控制器，所述控制器通过激振器导线与所述激振器连接，所述控制器通过测振器导线与所述测振器连接，包括以下步骤：

第一步、通过试振得到所述上框梁的共振峰波峰在所述桥墩顶面的投影线、所述下框梁的共振峰波峰在所述桥墩底面的投影线和所述下框梁的两个共振峰波谷在所述桥墩底面的投影线；第二步、将支撑垫放置于所述下框梁底部与所述下框梁的两个所述共振峰波谷在所述桥墩底面的投影线的相交处；

第三步、将多台所述振动时效设备的所述激振器均固定在所述下框梁的所述共振峰波峰在所述下框梁上端面的投影线上，每个所述激振器的电机旋转方向均相同设置，每个所述激振器的偏心角角度均设置为10度～180度；

第四步、将多台所述振动时效设备的所述测振器均固定在所述上框梁的所述共振峰波峰在所述上框梁顶面的投影线上；

第五步、启动其中一台所述振动时效设备的控制器进行振前扫频，通过所述测振器测量所述桥墩在所述激振器额定频率范围内的全部共振峰，并获得所述桥墩的振前扫频共振数据和共振曲线；所述共振数据是指共振时的最大振动加速度值a及其所对应的所述激振器的电机转频值f，所述共振曲线是指所述振动加速度a与所述激振器的所述电机转频f的a-f关系曲线；第六步、根据所述振前扫频共振数据和所述共振曲线，选取低频共振峰的亚共振频率作为所述桥墩的主振频率，控制每台所述激振器的振动频率均为所述桥墩的主振频率，多台所述激振器同时进行同频共振，对所述桥墩进行振动时效处理，振动时效处理时间为0.5小时～5小时，振动时效过程中控制振动加速度值为20m/s²～120m/s²；所述低频共振峰是指在激振频率与振动加速度对应曲线中，激振频率从低到高出现的多个共振峰波峰中，处于最低频率的共振峰波峰；所述亚共振频率是指该共振峰的最大振动加速度值a1的2/3处所对应的所述激振器的电机的转频值；

第七步、启动其中一台所述振动时效设备的控制器，对完成振动时效处理的所述桥墩进行振后扫频，通过所述测振器测量所述桥墩在所述激振器额定频率范围内的全部共振峰，获得所述桥墩的振后扫频共振数据和共振曲线即完成。

上述钢结构桥梁的桥墩振动时效方法技术方案中，更具体的技术方案还可以是：至少选取另一个共振峰的亚共振频率作为所述桥墩的辅振频率，对完成主振频率同频共振的所述桥墩进行辅振振动时效处理，控制每台所述激振器的振动频率均为所述桥墩的辅振频率，同时进行同频共振，振动时效处理时间为0.5小时～5小时，振动时效过程中控制振动加速度值为20m/s²～120m/s²。

进一步的：所述支撑垫为圆柱形的橡胶垫，所述圆柱形的橡胶垫的直径为50毫米～500毫米，厚度为10毫米～500毫米，弹性模量为0.7Mpa～2Mpa,泊松比为0.5～1.5。

进一步的：多个所述激振器均为相邻近设置，多个所述测振器均为相邻近设置。

进一步的：对所述桥墩进行辅振振动时效处理时，所述支撑垫应分别移至进行辅振振动的这个所述下框梁的共振峰波峰在所述桥墩底面的投影线上，所述激振器应分别移至进行辅振振动的这个所述下框梁的共振峰波峰在所述下框梁上端面的投影线上，所述测振器应分别移至进行辅振振动的所述上框梁的共振峰波峰在所述上框梁顶面的投影线上。

进一步的：所述桥墩呈水平放置。

由于采用了上述技术方案，本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

1、本发明使用多台振动时效设备对桥墩进行振动时效处理，就能使得多个激振器同时共振，其激振力就可以成倍地提高，共振产生的动应力就很大，动应力与残余应力叠加之后，可超过材料的屈服极限达到有效消除残余应力的目的，而且使用的是现有的振动时效设备，无需再研制开发出更大激振力的振动时效设备，同时振动时效设备的数量，可以根据桥墩的重量，灵活增加；对一件桥墩的振动时效处理时间小于2天，耗电量小于20度，时效成本极低，在桥墩生产现场就可以实施，也不损伤桥墩的表面质量，可以解决由残余应力导致的桥梁质量问题隐患。使用本发明对桥墩进行振动时效处理，振动时效工艺曲线和残余应力消除率均符合振动时效技术国家标准的技术要求，平均残余应力消除率为43%，符合平均残余应力消除率不得低于30%的国家标准。

2、本发明的支撑垫设置四点，就能够安全可靠地支撑住桥墩，避免桥墩侧翻，出现安全事故或者桥墩损坏的质量事故，支撑垫的位置在桥墩的下框梁的底部共振峰波谷位置，就能减少支撑点对共振的阻碍，可获得最佳的共振效果，支撑垫优选圆柱形的橡胶垫就可以获得较好的弹性支撑效果。

3、本发明把多台激振器相邻近地设置在桥墩的下框梁上，就能够使得共振时候的激振力从相同的一个位置产生。多台激振器的电机的旋转方向设置为同一个旋转方向，就使得多台激振器所产生的激振力的方向相同，激振力就可以成倍地提高，而不至于相互抵消。激振器的固定位置，在桥墩的下框梁的共振峰波峰位置，就能够获得最大的激振力。激振器的偏心角设置在10度～180度这个范围，就可以根据桥墩的共振情况，调整合适的偏心角角度，获得适当的激振力，这个激振力既可以达到有效消除桥墩残余应力的目的，又不至于造成桥墩共振损伤。

4、本发明把多个测振器相邻近地设置在桥墩的上框梁上，就能够在相同一个位置，检测桥墩的共振加速度值，判定共振加速值是不是达到预期的数值，而且共振加速度值与共振动应力是成正比的，加速度值越大，动应力也越大，因此也可以间接判定其动应力是不是达到需要的数值。测振器的固定位置在桥墩的上框梁的共振波峰位置，这样才能够检测出桥墩的固有共振频率，实施共振时效，获得最佳的共振效果。

5、本发明设置多台控制器控制多台激振器的亚共振振动频率完全相同，并且同时对桥墩实施振动时效，这样多台激振器是同頻共振，其所产生的动应力也是同频率的，其动应力就能够叠加，就能够成倍地提高动应力，而不至于相互抵消。振动时效处理时间设置为0.5小时～5小时，目的是针对这种大型工件，通过较长时间的共振振动，有效地消除其残余应力，而常规振动时效处理时间一般都不超过0.5小时。振动时效过程中控制振动加速度值为20m/s²～120m/s²，目的是获得适当的共振动应力，这个动应力与残余应力叠加后，能够超过材料的屈服极限，从而能够达到有效消除残余应力的目的，也不至于产生共振损伤后果；这个振动加速度值下限设为20m/s²，低于这个数值，这个动应力与残余应力叠加后，不能够超过材料的屈服极限，就不能够达到有效消除残余应力的目的，这个振动加速度值上限为120m/s²，超过这个数值，这个动应力与残余应力叠加后，可能超过材料的断裂极限，就可能出现振裂的后果。

6、本发明分别对桥墩在激振器额定频率范围内的的多个共振峰，均分别进行了同频共振，就能有效地消除桥墩各个部位的残余应力。

7、本发明在对桥墩的其余共振峰分别进行振动时效处理的时候，将支撑垫调整到该共振峰所对应的波谷位置，将激振器和测振器调整到该共振峰所对应的波峰位置，其作用是为了获得最佳的消除残余应力的效果。

8、本发明的基本原理是通过使用多台振动时效设备，使多台激振器同频共振所产生的动应力，与残余应力叠加后，超过桥墩材料的屈服极限，实现有效地消除其残余应力的目的。

附图说明

图1是本发明实施例的钢结构桥梁的桥墩的结构示意图。

图2是本发明实施例的采用多台台振动时效设备对钢结构桥梁的桥墩振动时效的示意图。

图3是图2的俯视图。

图4是本发明实施例的钢结构桥梁的桥墩共振数据和共振曲线示意图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详述。

实施例1：

图1所示的为钢结构桥梁的桥墩2，位于桥墩2下部设有下框梁201，位于桥墩2上部设有上框梁202，该桥墩2是长×宽×高为10858mm×10858mm×3450mm的正方体，重量为500.3吨，采用40毫米厚的钢板焊接而成；下框梁201、上框梁202、桥墩2顶面与桥墩2底面呈平行设置。

本实施例对这种钢结构桥梁的桥墩2的振动时效方法为：使用两台振动时效设备1，两台振动时效设备1的额定激振力均为50KN，额定激振频率均为133.33HZ；每台振动时效设备1具有一个控制器101、一个激振器105、一个测振器104和四个支撑垫，控制器101通过激振器导线102与激振器105连接，控制器101通过测振器导线103与测振器104连接，包括以下步骤：

第一步、将桥墩2吊装呈水平放置在四个支撑垫106上，本实施例的四个支撑垫106为四个圆柱形的橡胶垫，每个圆柱形的橡胶垫的直径为50毫米，厚度为10毫米，弹性模量为0.7Mpa，泊松比为0.5，两个橡胶垫分别放置于靠近桥墩2的前侧面处，两个橡胶垫分别放置于靠近桥墩2的后侧面处；通过试振得到桥墩2的上框梁202的共振峰波峰在桥墩2顶面的投影线3，桥墩2的下框梁201的共振峰波峰在桥墩2底面的投影线，由于桥墩2顶面与桥墩2底面呈平行设置，桥墩2的下框梁201的共振峰波峰在桥墩2底面的投影线与桥墩2的上框梁202的共振峰波峰在桥墩2顶面的投影线3平行；通过试振得到桥墩2的下框梁201的两个共振峰波谷在桥墩2底面的投影线，两条投影线分别为投影线4和投影线41；

第二步、调整四个支撑垫106的位置，使四个支撑垫106与下框梁201底部的接触点分别为桥墩2底面与下框梁201的两个共振峰波谷在桥墩2底面的投影线的相交处，即前侧面处的一个支撑垫106移至桥墩2底面与投影线4的相交处，另一个支撑垫106移至桥墩2底面与投影线41的相交处；后侧面处的一个支撑垫106移至桥墩2底面与投影线4的相交处，另一个支撑垫106移至桥墩2底面与投影线41的相交处；

第三步、将两台振动时效设备1的激振器105均固定在下框梁201的共振峰波峰在下框梁201上端面的投影线上，由于下框梁201与桥墩2顶面呈平行设置，因此，下框梁201的共振峰波峰在下框梁201上端面的投影线与桥墩2的上框梁02的共振峰波峰在桥墩2顶面的投影线3平行；两个激振器105均为与投影线3呈相邻近设置；每个激振器105的电机旋转方向均相同设置，每个激振器105的偏心角角度均设置为10度；

第四步、将两台振动时效设备1的测振器104均固定在上框梁202的共振峰波峰在上框梁202顶面的投影线3上，两个测振器104均为与投影线3呈相邻近设置；

第五步、启动其中一台振动时效设备1的控制器101进行振前扫频，通过测振器104测量桥墩2在激振器105额定频率范围内的全部共振峰，并获得桥墩2的振前扫频共振数据和共振曲线；共振数据是指共振时的最大振动加速度值a及其所对应的激振器105的电机转频值f，共振曲线是指振动加速度a与激振器105的电机转频f的a-f关系曲线；

第六步、根据振前扫频共振数据和共振曲线，（1）选取其中的低频共振峰f1的亚共振频率fz1作为桥墩2的主振频率，启动每台控制器101，控制每台激振器105的振动频率均为桥墩2的主振频率，两台激振器105同时进行同频共振，对桥墩2进行振动时效处理，振动时效处理时间为0.5小时，振动时效过程中控制振动加速度值为20m/s²～120m/s²；亚共振频率是指该共振峰的最大振动加速度值a1的2/3处所对应的激振器105的电机的转频值；（2）选取第二个共振峰f2的亚共振频率fz2作为桥墩2的辅振频率，启动每台控制器101，控制每台激振器105的振动频率均为桥墩2的辅振频率，两台激振器105同时进行同频共振，对桥墩2进行辅振振动时效处理，振动时效处理时间为0.5小时，振动时效过程中控制振动加速度值为20m/s²～120m/s²；选取桥墩2的第二个共振峰的亚共振频率fz2进行辅振振动时效处理时，支撑垫106应移至进行辅振振动的这个下框梁的共振峰波峰在桥墩2底面的投影线上，激振器105应分别移至进行辅振振动的这个下框梁201的共振峰波峰在下框梁201上端面的投影线上，测振器104应分别移至进行辅振振动的上框梁202共振峰波峰在上框梁202顶面的投影线上；

第七步、启动其中一台振动时效设备1的控制器101，对完成振动时效处理的桥墩2进行振后扫频，通过测振器104测量桥墩2在激振器105额定频率范围内的全部共振峰，获得桥墩2的振后扫频共振数据和共振曲线；这些数据与第五步所获得的振前扫频共振数据和共振曲线进行比对，其共振峰数据和曲线均出现了变化，符合GB/T25712-2010《振动时效工艺参数选择及技术要求》国家标准的要求，证明振动时效质量效果可靠，并将振动时效前后的共振数据和共振曲线作为质量检验依据送检存档；

第八步、将振动时效设备1从桥墩2上拆除，完成对桥墩2的振动时效处理。

实施例2：

第一步、将桥墩2吊装呈水平放置在四个支撑垫106上，本实施例的四个支撑垫106为四个圆柱形的橡胶垫，每个圆柱形的橡胶垫的直径为300毫米，厚度为200毫米，弹性模量为1Mpa，泊松比为0.7；

第三步、将两台振动时效设备1的激振器105均固定在下框梁201的共振峰波峰在下框梁201上端面的投影线上，由于下框梁201与桥墩2顶面呈平行设置，因此，下框梁201的共振峰波峰在下框梁201上端面的投影线与桥墩2的上框梁02的共振峰波峰在桥墩2顶面的投影线3平行；两个激振器105均为与投影线3呈相邻近设置；每个激振器105的电机旋转方向均相同设置，每个激振器105的偏心角角度均设置为180度；

第六步、根据振前扫频共振数据和共振曲线，（1）选取其中的低频共振峰f1的亚共振频率fz1作为桥墩2的主振频率，启动每台控制器101，控制每台激振器105的振动频率均为桥墩2的主振频率，两台激振器105同时进行同频共振，对桥墩2进行振动时效处理，振动时效处理时间为5小时，振动时效过程中控制振动加速度值为20m/s²～120m/s²；（2）选取第二个共振峰f2的亚共振频率fz2作为桥墩2的辅振频率，启动每台控制器101，控制每台激振器105的振动频率均为桥墩2的辅振频率，两台激振器105同时进行同频共振，对桥墩2进行辅振振动时效处理，振动时效处理时间为5小时，振动时效过程中控制振动加速度值为20m/s²～120m/s²；（3）选取第三个共振峰f3的亚共振频率fz3作为桥墩2的辅振频率，启动每台控制器101，控制每台激振器105的振动频率均为桥墩2的辅振频率，两台激振器105同时进行同频共振，对桥墩2进行辅振振动时效处理，振动时效处理时间为0.5小时，振动时效过程中控制振动加速度值为20m/s²～120m/s²；选取桥墩2的第二个共振峰f2的亚共振频率fz2和第三个共振峰f3的亚共振频率fz3分别进行辅振振动时效处理时，支撑垫106应分别移至进行辅振振动的这个下框梁的共振峰波峰在桥墩2底面的投影线上，激振器105应分别移至进行辅振振动的这个下框梁201的共振峰波峰在下框梁201上端面的投影线上，测振器104应分别移至进行辅振振动的上框梁202共振峰波峰在上框梁202顶面的投影线上；其余特征与实施例1相同。

实施例3：

第一步、将桥墩2吊装呈水平放置在四个支撑垫106上，本实施例的四个支撑垫106为四个圆柱形的橡胶垫，每个圆柱形的橡胶垫的直径为500毫米，厚度为500毫米，弹性模量为2Mpa，泊松比为1.5；

第三步、将两台振动时效设备1的激振器105均固定在下框梁201的共振峰波峰在下框梁201上端面的投影线上，由于下框梁201与桥墩2顶面呈平行设置，因此，下框梁201的共振峰波峰在下框梁201上端面的投影线与桥墩2的上框梁02的共振峰波峰在桥墩2顶面的投影线3平行；两个激振器105均为与投影线3呈相邻近设置；每个激振器105的电机旋转方向均相同设置，每个激振器105的偏心角角度均设置为150度；

第六步、根据振前扫频共振数据和共振曲线，（1）选取其中的低频共振峰f1的亚共振频率fz1作为桥墩2的主振频率，启动每台控制器101，控制每台激振器105的振动频率均为桥墩2的主振频率，两台激振器105同时进行同频共振，对桥墩2进行振动时效处理，振动时效处理时间为2小时，振动时效过程中控制振动加速度值为20m/s²～120m/s²；（2）选取第二个共振峰f2的亚共振频率fz2作为桥墩2的辅振频率，启动每台控制器101，控制每台激振器105的振动频率均为桥墩2的辅振频率，两台激振器105同时进行同频共振，对桥墩2进行辅振振动时效处理，振动时效处理时间为2小时，振动时效过程中控制振动加速度值为20m/s²～120m/s²；（3）选取第三个共振峰f3的亚共振频率fz3作为桥墩2的辅振频率，启动每台控制器101，控制每台激振器105的振动频率均为桥墩2的辅振频率，两台激振器105同时进行同频共振，对桥墩2进行辅振振动时效处理，振动时效处理时间为2小时，振动时效过程中控制振动加速度值为20m/s²～120m/s²；选取桥墩2的第二个共振峰f2的亚共振频率fz2和第三个共振峰f3的亚共振频率fz3分别进行辅振振动时效处理时，支撑垫106应分别移至进行辅振振动的这个下框梁的共振峰波峰在桥墩2底面的投影线上，激振器105应分别移至进行辅振振动的这个下框梁201的共振峰波峰在下框梁201上端面的投影线上，测振器104应分别移至进行辅振振动的上框梁202共振峰波峰在上框梁202顶面的投影线上；其余特征与实施例1相同。

使用残余应力测量仪，检测了桥墩2振动时效前后的残余应力，残余应力检测数据如表1所示，检测结果表明，残余应力平均消除率约为43%，符合国家标准（GB/T25712-2010）所规定的平均残余应力消除率不低于30%的要求，证明达到了有效地消除了残余应力的目的。

本钢结构桥梁桥墩振动时效方法能够有效地消除桥墩2的残余应力，对桥墩2的振动时效处理时间不超过2天，耗电量不超过20度，时效成本极低，在桥墩2生产现场就可以实施，不损坏桥墩2的表面质量。