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原文传递基于MR阻尼器的多塔斜拉桥地震响应半主动控制研究

论文题名：	基于MR阻尼器的多塔斜拉桥地震响应半主动控制研究
关键词：	多塔斜拉桥;磁流变阻尼器;半主动控制;模态控制算法;行波效应;参数优化;地震响应
摘要：	目前我国沿海区域的经济发展十分迅猛，建设连接我国各大沿海经济区之间的跨海桥梁成为了目前国家规划的重大项目，而多塔斜拉桥凭借着其多塔长联能够避免深水基础的布置形式受到了越来越多人的青睐。作为现代社会最重要的社会基础设施之一，跨海大桥抗震性能的好坏直接关系着人类巨大的生命财产安全，保证跨海大桥的抗震性能是减轻地震损失、加强区域安全的基本措施。为此本文以横跨杭州湾的第二座跨海大桥-嘉绍大桥为实际背景工程结合半主动控制理论和磁流变阻尼器对桥梁进行半主动振动控制研究，为提高多塔斜拉桥抗震性能分析提供必要的理论依据和现实意义。　　由于大跨度多塔斜拉桥的半主动控制研究本身具有的一定的特殊性与难度，目前国际上对于其研究还属于相对落后，本文开展了以下几方面工作: 　　(1)基于当前的半主动控制理论以及磁流变阻尼器的研究，结合课题背景，分析各类不同控制算法及国际上常用的磁流变阻尼器力学模型原理、优缺点，选择较适宜进行半主动振动控制研究的控制算法及磁流变阻尼器力学模型，拟采用独立模态控制算法结合限界Hrovat控制算法作为嘉绍大桥半主动振动控制的主要控制算法;以一个简单的三层框架为对象，对其进行基于两种不同方法的振动控制模拟分析，验证本文采用Ansys和Matlab相互调用的方法来实现结构振动控制仿真方法的正确性。　　(2)基于Ansys软件平台功能建立嘉绍大桥的有限元基准模型，对其进行非线性静力分析和动力特性分析，根据嘉绍大桥的基本情况选择适合的地震波，采用多点地震输入及一致地震输入时程分析法分别对桥梁整体及关键构件进行地震响应模拟分析，讨论行波效应对于桥梁地震响应的影响。结果表明考虑行波效应的多点激励对于结构内力及位移响应有着十分显著的影响，且这种影响并不是单一的，即考虑行波效应的影响与构件所在位置、结构本身动力特性、构件约束条件等有较大关系; 　　(3)利用Matlab数据处理软件对上一章求解出来的全部单元质量、刚度矩阵进行处理，组装成结构整体质量和刚度矩阵。组装好的嘉绍大桥整体矩阵自由度十分庞大，在基于Matlab进行控制力求解时会导致计算难以进行，为此本文依据桥梁整体自由度之间的耦合、平衡降阶理论，对整体刚度、质量、阻尼矩阵进行降价处理。通过对模型降阶前后动力特性的对比分析，证实所采用降阶方法的正确性，使针对于自由度庞大的桥梁结构的半主动控制可行性得到实现; 　　(4)根据模型降阶之后的刚度、质量、阻尼矩阵采用Matlab对控制系统进行设计，并利用Ansys与Matlab的相互调用实现嘉绍大桥原有模型与控制系统的结合，最终对桥塔及桥梁的地震响应进行控制分析。首先对独立模态控制与LQR经典最优控制分别结合限界Hrovat最优控制的两种半主动振动控制效果进行对比分析，结果证实独立模态控制算法结合限界Hrovat控制算法对于本工程具有更好的控制效果;然后讨论在不同地震剪切波速输入工况下控制体系相关参数对于桥梁地震响应控制效果的影响，设计可以评价各种控制效果的计算方法，并给出不同工况下的最优控制方案。根据本文第四章节，嘉绍大桥在分别考虑1000m/s和500m/s行波效应地震动多点输入基础上采用独立模态半主动控制方案4（α=100、β=2.5×10-8）进行振动控制均可以最合理的控制代价前提下取得最良好的控制效果，为最优控制方案。
作者：	方自奋
专业：	土木工程
导师：	张志强
授予学位：	硕士
授予学位单位：	东南大学
学位年度：	2014
正文语种：	中文