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原文传递斜拉桥桥面—拉索—阻尼器动力特性研究

论文题名：	斜拉桥桥面—拉索—阻尼器动力特性研究
关键词：	斜拉桥;桥面-拉索-阻尼器;动力特性;控制策略;拉索设计;减振模型;优化设计
摘要：	斜拉桥拉索的振动及其控制策略问题是近年来科学与工程领域的热点研究领域之一。其核心的难点问题是如何建立准确而实用的动力特性分析模型以及如何应用建立的理论模型进行斜拉索减振的理论分析及工程实践。本论文在国内外现有的研究基础上，围绕桥面-拉索-阻尼器动力特性问题,研究斜拉索减振的控制策略及其参数优化方法,确定描述拉索动力特性的相关参数与初始条件之间的定量关系,为斜拉索减振的具体实施提供了理论依据,主要研究内容如下: 　　(1)研究实用的斜拉桥拉索设计及参数分析模型。为了获得精确而实用的拉索参数设计和振动控制理论模型,建立了基于 Hamilton原理的拉索动力特性方程,采用三节点二次等参单元来描述拉索运动单元,建立了拉索动力学模型,利用推导的拉索有限元模型,分析工程中常见的索缆支撑结构拉索设计参数与固有模态的关系。算例分析结果表明,该模型能准确的模拟工程中所使用拉索的真实动力特性,适合应用于斜拉桥及桅杆结构的拉索动力学参数设计及振动控制;通过对比拉索平面内外以及轴向振动的模态特性,发现在工程常用的张拉条件下,拉索的轴向振动幅度远小于拉索平面内外的振动幅度且平面内外的振动等价。通过求解斜拉索模态结果发现,由于斜拉桥拉索前几阶自振模态频率较低,且拉索质量轻、阻尼小,容易在风雨或支座激励等外界因素作用下产生不同机理的振动,从而对桥梁安全产生影响。　　(2)研究直接激励下的斜拉索-阻尼器减振模型。针对拉索减振中常用阻尼器的一些不理想因素如安装支座刚度以及阻尼器内刚度等,将减振阻尼器安装支座的弹性模拟成与理想阻尼器串联的刚性弹簧,而将减振阻尼器的内刚度模拟为与理想阻尼器并联的刚性弹簧以进一步研究考虑阻尼器非理想因素的斜拉索-阻尼器减振优化模型。结果表明,外部阻尼器的刚度非理想特性对系统模态阻尼影响显著。随着阻尼器安装支座刚度的减小,阻尼器阻尼系数的优化值也逐渐减小,安装支座刚度会减小拉索-阻尼器系统的最优化模态阻尼比;随着外部阻尼器内刚度值不断增大,阻尼器阻尼系数的优化值逐渐增大,对应的系统最大模态阻尼比则随着阻尼器内刚度的增加逐渐减小。因此进行阻尼器动力特性试验确定其刚度特性是设计外部阻尼器减振系统时不可忽略的环节。　　(3)研究调谐质量阻尼器(TMD)在斜拉桥拉索减振中的应用。针对斜拉索减振常用粘滞阻尼器的一些不利因素如安装位置受限,桥面-阻尼器耦合运动等,提出斜拉索-TMD系统的减振模型,推导了拉索-TMD系统的振动超越方程,基于复模态分析建立了系统模态阻尼特性的解析表达式,并采用数值方法求得系统阻尼器最优设计参数和最大模态阻尼比的近似解。结果表明,斜拉索振动的TMD减振策略能有效克服常用的阻尼器安装位置在拉索端部的局限,新的TMD设计参数优化方法同时考虑了系统刚度,质量,阻尼等参数对减振系统模态阻尼比的影响,是适合工程应用的斜拉索减振模型。　　(4)研究桥面间接激励下的斜拉索响应特性。应用所建立的拉索动力学模型分析桥面运动作用下的拉索局部振动特性,分别对谐波激励作用下拉索的强迫激振和参数激振进行研究。结果表明,由于通常情况下容易发生大幅振动的拉索倾角较小,拉索受到的强迫激励的幅值比同时受到的参数激励的幅值大,发生桥面间接激励下拉索的强迫共振是不能忽视的斜拉索有害振动。另一方面,利用已有斜拉桥 Benchmark模型,计算全桥整体的自振频率与振型,然后,应用已建立的拉索振动模型对其进行模态分析得到桥上各斜拉索的低阶自振频率,并将结果与斜拉桥整体的低阶自振频率对比,结果表明,在全桥系统中,当单一拉索的自振频率与斜拉桥整体的低阶自振频率的之比落在某些区域时,将发生严重的强迫共振现象,从而导致拉索的大幅共振;与此同时,本文利用所监测到的斜拉桥地震响应数据,分析桥面的地震响应频谱特性,并对桥梁拉索在地震引起的桥面运动动态响应时程进行分析。结果表明,在地震作用下,斜拉桥桥面的响应时程曲线是以低频率成分为主的,容易引起拉索的大幅强迫振动,影响桥梁的安全,而在借助外部减振设施的情况下,提高系统的模态阻尼比能显著减少振幅放大。　　(5)研究考虑桥面运动的斜拉索减振设计方法。针对桥面-斜拉索-阻尼器耦合振动的问题,基于几何位移关系修正现有的理论模型,推导更为合理的计及阻尼器耦合振动的桥面激励下斜拉索减振分析方法,并采用复模态分析方法对拉索-阻尼器系统的模态阻尼特性进行了数值分析,结果表明,在桥面激励条件下拉索-阻尼器系统的模态阻尼比与拉索的倾角有关,与常用的阻尼器设计方法不同,相同的外部阻尼器情况下,斜拉索的倾角越小,系统的模态阻尼比越小,既有的阻尼器设计方法过分夸大了外部阻尼器的减振作用。本研究还进一步研究考虑阻尼器非理想特性并考虑桥面运动的斜拉索减振阻尼器参数设计方法,新的设计方法更适合桥面激励下斜拉索减振阻尼器优化设计。
作者：	罗帅
专业：	土木工程
导师：	刘红军
授予学位：	博士
授予学位单位：	哈尔滨工业大学
学位年度：	2012
正文语种：	中文