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大跨度斜拉桥拉索的振动及被动、半主动控制

陈水生  
【摘要】: 斜拉索是斜拉桥的主要受力构件之一,由于其大柔度、小质量和小阻尼等特点,极易发生振动,准确分析斜拉索的静、动力特性并进行振动控制是斜拉桥设计的重要工作之一。 本文创新地提出了斜拉桥拉索-桥面耦合参数振动模型,推导了索-桥耦合非线性参数振动方程组,联合Galerkin法及数值积分方法,对各种特性的拉索进行了数值求解,得出了影响拉索参数振动的各种因素;提出了斜拉索受轴向端激励参数振动模型,导出了模型的非线性振动方程,使用谐波平衡法得出了产生参数振动需要的最小激励幅值、共振时瞬态及稳态的振动幅值及索拉力的变化特性,并用数值积分方法对实际斜拉桥拉索进行了计算,分析了拉索阻尼对参数振动的影响。 本文对斜拉索的1:1面内、外模态耦合内共振进行了研究。通过Galerkin方法,得到了一个反映面内一阶及面外一阶模态的耦合非线性动力系统,用多尺度法对面内激励下的内共振进行了分析,以实际桥梁拉索为例,得出了拉索模态耦合非线性振动具有多值、分叉等特点,并分析了拉索阻尼对模态耦合内共振的影响。这样的研究在国内、外属于首创。 综合考虑了拉索抗弯刚度、垂度的影响,研究了粘弹性阻尼器对斜拉桥拉索的空间振动控制,联合中心差分方法及状态空间法,得出了拉索面内、外振动各阶模态可能达到的最大阻尼比及相应的最优阻尼器系数,并对斜拉桥拉索的阻尼器设计提出了参考建议:考虑拉索抗弯刚度、垂度及几何非线性,导出了索-阻尼器系统的空间振动非线性方程组,结合Newmark方法及伪力(Pseudo-Force)方法,创新地提出了求解非线性方程组的杂交方法,根据拉索-阻尼器系统的阻尼特性,在各种荷载作用下,对索-阻尼器系统的非线性瞬态振动响应进行了研究,从系统响应的角度更加直接地验证了阻尼器的控制效果。 结合LQR最优控制理论、面向速度剪切(Clipped-optimal)控制算法及修正的磁流变(NR)阻尼器Bouc-Wen模型,创新地提出了LQR-Clipped半主动控制算法,应用拉索振动的差分离散模型,对斜拉索的面内振动进行了被动、主动及半主动控制研究,分析了MR阻尼器对斜拉索的振动控制效果。 对已安装了阻尼器的钱塘江三桥15号斜拉索进行了现场振动测试,采用频响函数拟合法对试验数据进行了分析,得出了已有阻尼器及拉索的动力特性。


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