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原文传递大跨多塔斜拉桥风致抖振AMD控制研究

论文题名：	大跨多塔斜拉桥风致抖振AMD控制研究
关键词：	多塔斜拉桥;主动调谐质量阻尼器;控制参数;参数敏感性;鲁棒性;有限元分析
摘要：	随着我国经济的快速发展，跨江和跨海大桥的规划和建设渐入高潮。多塔斜拉桥力学性能优越，结构轻巧，造型美观，受到工程师的青睐。大跨多塔斜拉桥结构轻柔，在风荷载作用下会产生大幅度的振动，结构的抖振问题较为突出。抖振虽然不会引起结构灾难性的破坏，但抖振发生的风速低、频率高，过大的抖振响应可能影响行人、行车的安全性和舒适性以及引起构件疲劳破坏。本文采用主动调谐质量阻尼器（AMD）控制大跨多塔斜拉桥的抖振响应，分析了AMD布置位置和参数变化对控制效果的影响，并讨论了AMD控制系统的鲁棒性。本文主要研究内容和结论如下。　　(1)采用有限元软件ANSYS对嘉绍大桥进行动力特性分析。嘉绍大桥主梁的竖向振型、横桥向振型和扭转振型分别首次出现在1阶、21阶和43阶，说明主梁的竖向刚度比横桥向刚度和扭转刚度小得多;桥塔顺桥向振型和主梁竖向振型相互耦合，桥塔首先出现顺桥向振型。　　(2)运用谐波合成法数值模拟嘉绍大桥的三维脉动风场，并对模拟的脉动风速进行了检验。分析表明，模拟的脉动风速的功率谱和目标功率谱较为吻合;且模拟脉动风速的互功率谱和目标互功率谱的大体趋势是一致的，说明模拟的脉动风速间具有一定的相关性。　　(3)将脉动风速时程进行处理，得到风荷载时域化模型，然后进行抖振响应非线性时程分析，分析嘉绍大桥抖振响应特点。研究表明，主梁竖向抖振位移远大于横桥向抖振位移和扭转抖振位移，横桥向抖振位移大于扭转抖振位移。对竖向抖振位移，中间跨跨中的位移远大于边跨的位移;对横桥向抖振位移，中跨的位移比其他跨的大得多;对扭转抖振位移，中间跨跨中的位移远比边跨的大。另一方面，桥塔顺桥向抖振响应远大于横桥向抖振响应。对桥塔抖振位移，中间塔的抖振位移较边塔的大。对塔底顺桥向抖振内力，次中塔比其他塔大得多;对塔桥面高度处顺桥向抖振内力，中塔较其他塔大。另外，中间塔的横桥向抖振内力比边塔的大。　　(4)将ANSYS有限元模型转化为评估模型，然后从动力特性、抖振响应和TMD控制效果三方面验证评估模型的精度，在此基础上，设计了AMD控制系统。分析指出，评估模型具有足够的精度，能够用于研究。　　(5)在主梁和桥塔上布置AMD，保持AMD总质量不变，研究AMD布置位置对控制效果的影响。对主梁，AMD布置在中跨的控制效果最好，次中跨次之，次边跨最差;在多个桥跨布置AMD时，AMD越集中于中跨，控制效果越好。对桥塔，AMD布置在中塔的控制效果最好，次中塔次之，边塔最差;在多个桥塔布置AMD时，AMD越集中于中塔，控制效果越好。与主梁AMD相比，桥塔AMD的控制效果要差一些，但桥塔AMD对塔底剪力的减振效果优于主梁AMD。而全桥AMD的控制效果介于主梁AMD和桥塔AMD之间，且其作动器控制力比主梁AMD和桥塔AMD的都要小。　　(6)针对AMD的质量比和控制参数，研究AMD控制系统的参数变化对控制效果的影响。对AMD质量比，随着质量比的增大，结构抖振响应开始减小很快，然后趋于平缓;而减振率的变化趋势与之相反。对控制参数β，随着β的增大，结构抖振响应开始增加很快，然后趋于平缓;而作动器控制力、行程以及减振率的变化趋势与之相反。　　(7)考虑结构刚度、质量和阻尼的不确定性，分别将名义结构的刚度、质量和阻尼提高和降低15％，考察AMD控制系统的鲁棒性。研究表明，刚度和质量不确定的影响均来自结构振型频率的变化，阻尼不确定的影响来自结构阻尼的变化。结构参数的不确定性对AMD控制的减振率几乎没有影响。AMD控制系统对刚度、质量和阻尼的不确定均具有较好的鲁棒性。
作者：	孙多波
专业：	土木工程;防灾减灾工程及防护工程
导师：	黄镇
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