斜拉橋橋面—拉索—阻尼器動(dòng)力特性研究.pdf

1、斜拉橋拉索的振動(dòng)及其控制策略問(wèn)題是近年來(lái)科學(xué)與工程領(lǐng)域的熱點(diǎn)研究領(lǐng)域之一。其核心的難點(diǎn)問(wèn)題是如何建立準(zhǔn)確而實(shí)用的動(dòng)力特性分析模型以及如何應(yīng)用建立的理論模型進(jìn)行斜拉索減振的理論分析及工程實(shí)踐。本論文在國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的研究基礎(chǔ)上，圍繞橋面-拉索-阻尼器動(dòng)力特性問(wèn)題,研究斜拉索減振的控制策略及其參數(shù)優(yōu)化方法,確定描述拉索動(dòng)力特性的相關(guān)參數(shù)與初始條件之間的定量關(guān)系,為斜拉索減振的具體實(shí)施提供了理論依據(jù),主要研究?jī)?nèi)容如下:
　　(1)研究實(shí)用的

2、斜拉橋拉索設(shè)計(jì)及參數(shù)分析模型。為了獲得精確而實(shí)用的拉索參數(shù)設(shè)計(jì)和振動(dòng)控制理論模型,建立了基于 Hamilton原理的拉索動(dòng)力特性方程,采用三節(jié)點(diǎn)二次等參單元來(lái)描述拉索運(yùn)動(dòng)單元,建立了拉索動(dòng)力學(xué)模型,利用推導(dǎo)的拉索有限元模型,分析工程中常見(jiàn)的索纜支撐結(jié)構(gòu)拉索設(shè)計(jì)參數(shù)與固有模態(tài)的關(guān)系。算例分析結(jié)果表明,該模型能準(zhǔn)確的模擬工程中所使用拉索的真實(shí)動(dòng)力特性,適合應(yīng)用于斜拉橋及桅桿結(jié)構(gòu)的拉索動(dòng)力學(xué)參數(shù)設(shè)計(jì)及振動(dòng)控制;通過(guò)對(duì)比拉索平面內(nèi)外以及軸向振動(dòng)

3、的模態(tài)特性,發(fā)現(xiàn)在工程常用的張拉條件下,拉索的軸向振動(dòng)幅度遠(yuǎn)小于拉索平面內(nèi)外的振動(dòng)幅度且平面內(nèi)外的振動(dòng)等價(jià)。通過(guò)求解斜拉索模態(tài)結(jié)果發(fā)現(xiàn),由于斜拉橋拉索前幾階自振模態(tài)頻率較低,且拉索質(zhì)量輕、阻尼小,容易在風(fēng)雨或支座激勵(lì)等外界因素作用下產(chǎn)生不同機(jī)理的振動(dòng),從而對(duì)橋梁安全產(chǎn)生影響。
　　(2)研究直接激勵(lì)下的斜拉索-阻尼器減振模型。針對(duì)拉索減振中常用阻尼器的一些不理想因素如安裝支座剛度以及阻尼器內(nèi)剛度等,將減振阻尼器安裝支座的彈性模擬成

4、與理想阻尼器串聯(lián)的剛性彈簧,而將減振阻尼器的內(nèi)剛度模擬為與理想阻尼器并聯(lián)的剛性彈簧以進(jìn)一步研究考慮阻尼器非理想因素的斜拉索-阻尼器減振優(yōu)化模型。結(jié)果表明,外部阻尼器的剛度非理想特性對(duì)系統(tǒng)模態(tài)阻尼影響顯著。隨著阻尼器安裝支座剛度的減小,阻尼器阻尼系數(shù)的優(yōu)化值也逐漸減小,安裝支座剛度會(huì)減小拉索-阻尼器系統(tǒng)的最優(yōu)化模態(tài)阻尼比;隨著外部阻尼器內(nèi)剛度值不斷增大,阻尼器阻尼系數(shù)的優(yōu)化值逐漸增大,對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)最大模態(tài)阻尼比則隨著阻尼器內(nèi)剛度的增加逐漸減

5、小。因此進(jìn)行阻尼器動(dòng)力特性試驗(yàn)確定其剛度特性是設(shè)計(jì)外部阻尼器減振系統(tǒng)時(shí)不可忽略的環(huán)節(jié)。
　　(3)研究調(diào)諧質(zhì)量阻尼器(TMD)在斜拉橋拉索減振中的應(yīng)用。針對(duì)斜拉索減振常用粘滯阻尼器的一些不利因素如安裝位置受限,橋面-阻尼器耦合運(yùn)動(dòng)等,提出斜拉索-TMD系統(tǒng)的減振模型,推導(dǎo)了拉索-TMD系統(tǒng)的振動(dòng)超越方程,基于復(fù)模態(tài)分析建立了系統(tǒng)模態(tài)阻尼特性的解析表達(dá)式,并采用數(shù)值方法求得系統(tǒng)阻尼器最優(yōu)設(shè)計(jì)參數(shù)和最大模態(tài)阻尼比的近似解。結(jié)果表明,斜

6、拉索振動(dòng)的TMD減振策略能有效克服常用的阻尼器安裝位置在拉索端部的局限,新的TMD設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化方法同時(shí)考慮了系統(tǒng)剛度,質(zhì)量,阻尼等參數(shù)對(duì)減振系統(tǒng)模態(tài)阻尼比的影響,是適合工程應(yīng)用的斜拉索減振模型。
　　(4)研究橋面間接激勵(lì)下的斜拉索響應(yīng)特性。應(yīng)用所建立的拉索動(dòng)力學(xué)模型分析橋面運(yùn)動(dòng)作用下的拉索局部振動(dòng)特性,分別對(duì)諧波激勵(lì)作用下拉索的強(qiáng)迫激振和參數(shù)激振進(jìn)行研究。結(jié)果表明,由于通常情況下容易發(fā)生大幅振動(dòng)的拉索傾角較小,拉索受到的強(qiáng)迫激勵(lì)

7、的幅值比同時(shí)受到的參數(shù)激勵(lì)的幅值大,發(fā)生橋面間接激勵(lì)下拉索的強(qiáng)迫共振是不能忽視的斜拉索有害振動(dòng)。另一方面,利用已有斜拉橋 Benchmark模型,計(jì)算全橋整體的自振頻率與振型,然后,應(yīng)用已建立的拉索振動(dòng)模型對(duì)其進(jìn)行模態(tài)分析得到橋上各斜拉索的低階自振頻率,并將結(jié)果與斜拉橋整體的低階自振頻率對(duì)比,結(jié)果表明,在全橋系統(tǒng)中,當(dāng)單一拉索的自振頻率與斜拉橋整體的低階自振頻率的之比落在某些區(qū)域時(shí),將發(fā)生嚴(yán)重的強(qiáng)迫共振現(xiàn)象,從而導(dǎo)致拉索的大幅共振;與此

8、同時(shí),本文利用所監(jiān)測(cè)到的斜拉橋地震響應(yīng)數(shù)據(jù),分析橋面的地震響應(yīng)頻譜特性,并對(duì)橋梁拉索在地震引起的橋面運(yùn)動(dòng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)程進(jìn)行分析。結(jié)果表明,在地震作用下,斜拉橋橋面的響應(yīng)時(shí)程曲線是以低頻率成分為主的,容易引起拉索的大幅強(qiáng)迫振動(dòng),影響橋梁的安全,而在借助外部減振設(shè)施的情況下,提高系統(tǒng)的模態(tài)阻尼比能顯著減少振幅放大。
　　(5)研究考慮橋面運(yùn)動(dòng)的斜拉索減振設(shè)計(jì)方法。針對(duì)橋面-斜拉索-阻尼器耦合振動(dòng)的問(wèn)題,基于幾何位移關(guān)系修正現(xiàn)有的理論模型

9、,推導(dǎo)更為合理的計(jì)及阻尼器耦合振動(dòng)的橋面激勵(lì)下斜拉索減振分析方法,并采用復(fù)模態(tài)分析方法對(duì)拉索-阻尼器系統(tǒng)的模態(tài)阻尼特性進(jìn)行了數(shù)值分析,結(jié)果表明,在橋面激勵(lì)條件下拉索-阻尼器系統(tǒng)的模態(tài)阻尼比與拉索的傾角有關(guān),與常用的阻尼器設(shè)計(jì)方法不同,相同的外部阻尼器情況下,斜拉索的傾角越小,系統(tǒng)的模態(tài)阻尼比越小,既有的阻尼器設(shè)計(jì)方法過(guò)分夸大了外部阻尼器的減振作用。本研究還進(jìn)一步研究考慮阻尼器非理想特性并考慮橋面運(yùn)動(dòng)的斜拉索減振阻尼器參數(shù)設(shè)計(jì)方法,新的設(shè)