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大跨度桥梁多模态耦合颤抖振及其控制研究

曾宪武  
【摘要】:目前,国内大跨度桥梁的建设飞速发展,桥梁的抗风问题面临严峻的考验,传统的抗风措施和方法已经不能完全满足设计的要求,对特大跨度桥梁风致振动进行控制(如采用气动措施或被动控制措施)已经到了必不可少的地步,而桥梁多模态耦合颤抖振理论和控制工程中的被动控制理论的结合是其中最为重要的理论性和技术性的问题。传统桥梁抖振被动控制理论是基于单模态叠加SRSS法,无法考虑多模态参与作用和模态间气动耦合效应。颤振被动控制理论是基于古典耦合颤振理论,无法考虑多模态参与作用,这导致了传统桥梁颤抖振被动控制理论具有很大的局限性。目前,桥梁抖振分析方法已经从原来的基于单模态叠加的SRSS法过渡到多模态耦合抖振分析方法或时域分析方法,桥梁颤振分析方法也已经从原来的古典耦合颤振理论或分离流扭转颤振理论过渡到多模态耦合颤振理论甚至是全模态颤振理论。故无论是从学科发展需要还是从实际应用的角度来讲,发展可以考虑多模态参与作用和模态间气动耦合效应的多模态耦合颤抖振被动控制理论具有重要的理论意义和实际意义。 本文在目前多模态耦合颤抖振理论和被动控制理论的基础上,基于结构的固有模态坐标,建立一套全新的多模态耦合颤抖振被动控制理论,该理论可以考虑多模态参与作用和模态间气动耦合效应,且列式中对各种被动控制装置在主梁上的安装位置没有任何要求,可以包含任意数量的被动控制装置,并进一步采用有效数值方法使理论程序化。最后以广东省西部沿海高速公路崖门斜拉桥和香港汀九大桥等工程为研究背景,采用自行开发的大跨度桥梁多模态耦合颤抖振被动控制和参数分析程序分别研究了调谐质量阻尼器(TMD)、多重调谐质量阻尼器(MTMD)、双频率调谐质量阻尼器(DTMD)和多重双频率调谐质量阻尼器(多重DTMD)等被动控制装置对提高桥梁颤振稳定性和减少抖振响应的有效性和可靠性。由于所建立的被动控制理论是基于多模态耦合颤抖振理论,因此,更真实地反映桥梁风振的实际情况,相应地,基于多模态耦合颤抖振被动控制理论所得到的最优参数与采用传统被动控制理论所得到的最优参数相比,具有较高的精度,所设计的被动控制装置也就具有较高可靠性,这对于保证大跨度桥梁安全性至关重要。 本文最后采用时域法对本文建立的多模态耦合颤抖振被动控制理论进行验证,通过模拟作用在桥梁上的气动力,包括静风力、抖振力和自激力,再现了桥梁结构从稳定的随机振动(抖振)过渡到发散振动(颤振)这一过程,获取了桥梁在风荷载作用下结构的抖振位移均方根响应和桥梁颤振临界风速和颤振频率等


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