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原文传递风-浪-流耦合作用下斜拉桥的振动控制研究

论文题名：	风-浪-流耦合作用下斜拉桥的振动控制研究
关键词：	斜拉桥;振动响应;被动控制;半主动控制;风-浪-流耦合作用
摘要：	21世纪以来，中国桥梁建设突飞猛进，跨峡谷、跨海峡等大跨桥梁接踵而至，不断创造世界桥梁发展新的历史。新材料、新技术的使用，使大跨桥梁的自重轻、刚度小，且跨海桥梁所处环境复杂，风荷载、波浪荷载、海流荷载之间相互作用、相互影响，在风-浪-流耦合场中将会激发桥梁结构产生显著的动力效应，能够在较宽的频带内激发结构产生随机振动。当外部荷载周期与桥梁结构自振周期相近时，将会引起结构共振，严重影响桥梁结构和行车安全，甚至长时间外荷载的能量输入，将会引起结构动力失稳、结构破坏。　　目前斜拉桥结构是跨峡谷、跨海峡桥梁中应用最广泛的、最成熟的桥梁结构，梁受弯、塔受压、索受拉，结构简单，受力明确，自重较小，跨度大，相较于其他大跨桥梁结构，具有十分显著的优势，但在跨海桥梁中，风-浪-流耦合作用下大跨斜拉桥结构振动响应明显，影响行车安全和结构耐久性，缩短服役期寿命。有效的振动控制技术是保证大跨斜拉桥在复杂外部环境下性能需求的重要手段之一，本文以双塔双索面钢箱梁斜拉桥模型为算例，提出基于新型电磁质量阻尼器（Electromagnetic Inertial Mass Damper,EIMD）的被动控制和半主动控制方法，主要研究成果如下：　　（1）建立斜拉桥有限元模型并进行振型分析，发现斜拉桥在外干扰作用下较大的振动主要发生在主梁跨中位置，即为整个结构的薄弱点，故在斜拉桥结构主梁靠近跨中段进行安装阻尼器，达到控制斜拉桥振动响应的目的。　　（2）随机风场采用谐波叠加法模拟，将空间脉动风场简化为沿横桥向和竖桥向的一维风场，大直径圆墩柱在有限水深中的波浪力采用MacCamy和Fuchs（1954）提出的解析解方程求得。采用不同的荷载工况组合，分析风、波浪、海流之间的相互作用，仿真结果表明风荷载和海流荷载均会对波浪波高有一定的升高影响，增大波浪作用在墩柱的作用力。　　（3）根据EIMD的力学性能和力学模型，设计了EIMD参数；建立了斜拉桥结构基于EIMD被动控制的动力学微分方程和空间状态方程，并在MATLAB中进行动态仿真分析，对比无控状态斜拉桥结构的动力响应，结果表明基于EIMD的被动控制大幅降低和斜拉桥结构的动力响应峰值，对斜拉桥结构的振动响应有显著的控制效果。　　（4）EIMD作为新型电磁质量阻尼器，不仅仅只用于结构被动控制中，本文通过调整EIMD的外接电阻Rd，将电磁阻尼力作为半主动控制力，采取半主动控制策略，使其趋近LQR/LQG算法得到的最优控制力，实现对结构的半主动控制。结果表明，LQR算法的控制效果优于LQG，半主动控制对位移和加速度的控制优于EIMD的被动控制，对速度控制效果稍差。　　（5）考虑到海洋环境的复杂性，且有限元模拟与现实结构存在差异，采用传统的控制算法的半主动控制对斜拉桥结构进行控制，无法长久的、准确的对结构的变刚度、变质量等问题进行及时反馈。针对上述问题，基于EIMD提出了模糊神经网络算法的半主动控制策略。结果表明，尽管模糊神经网络算法与LQR算法得到的控制力有误差，但模糊神经网络算法的能够达到近似LQR的控制效果。采用两种控制算法对变刚度下斜拉桥结构的振动响应进行比较，分析其鲁棒性。结果表明，与LQR相比，模糊神经网络控制算法具有更好适应性和鲁棒性。
作者：	郑强
专业：	结构工程
导师：	李志军
授予学位：	硕士
授予学位单位：	西安工业大学
学位年度：	2022