惯质阻尼器对斜拉索振动控制的理论分析与仿真研究

摘要

随着桥梁建设难度的增加和技术的不断进步，斜拉桥的跨度不断刷新，斜拉索的长度随斜拉桥跨度的增加而增加,且斜拉索本身具有质量轻、柔度大、刚度和阻尼小，易在风荷载及车辆激励作用下发生大幅振动，进而引发拉索锚固区锈蚀、疲劳损伤及行人的不舒适感，斜拉索长期的大幅振动会影响整个桥梁的安全运营，因此，拉索的振动控制是亟待解决的问题。目前，拉索减振的主要控制措施是在拉索靠近主梁位置安装外置式阻尼器，因此，本文研究的外置式惯性质量阻尼器，通过产生放大的等效质量，提供给阻尼器较大的惯性力，进而给拉索提供较大的阻尼力，通过耗散拉索振动产生的能量，进而有效控制拉索的振动。　　本文具体开展的研究工作和取得成果如下：　　(1)简述了斜拉桥跨度不断刷新的发展历程及斜拉索大幅振动造成的危害，综述了拉索振动类型及工程实际抑振措施，广泛调研了国内外安装阻尼器的桥梁并进行分类，综述了惯质阻尼器的发展历程及研究现状。　　(2)介绍了滚珠丝杠的工作机理、惯质阻尼器的力学特性，推导了两节点单元的惯质阻尼器的阻尼力表达式；分析了惯质阻尼器的负刚度效应及其耗能增效机理；进行拉索-惯质阻尼器系统的动力特性分析，研究了系统阻尼比随阻尼器的参数变化规律。结果表明：惯质阻尼器的质量元件可以产生较大的惯性质量，且是阻尼器产生负刚度效应的原因，负刚度效应有利于提升阻尼器对拉索的减振控制效果。根据拉索的阻尼比随两参数(无量纲惯性质量、阻尼系数)变化规律，求得拉索前三阶模态的最优无量纲惯性质量和阻尼系数，随着拉索模态的增加，系统最大模态阻尼比变化不大，但对应的两个最优参数值减小；在模态分析工程中，两参数的细微变化，对系统的每阶阻尼比影响较大；惯质阻尼器的前三阶模态最大阻尼比约为普通粘性阻尼器的9倍，说明惯质阻尼器在拉索振动中可以发挥更好的减振耗能性能作用。　　(3)以水平张紧弦理论为基础，分别建立了四种惯质阻尼器(SVMD、PVMD、TID、TVMD)的斜拉索-阻尼器系统模型；研究了系统前三阶阻尼比随参数变化的规律；研究了四种惯质阻尼器的负刚度效应；对比分析了四种惯质阻尼器-拉索系统的自由振动时程曲线。结果表明：四惯质阻尼器的每阶模态随参数变化过程中均存在一个最优参数，但在相同参数情况下，PVMD的抑振效果相比SVMD要好。TID的滞回曲线面积随惯性质量me的增加越饱满，但继续增大质量表现为正刚度效应。TVMD的滞回曲线面积随惯性质量me的增加反而降低，且表现为正刚度特性，说明TVMD的减振效果主要由阻尼元件的阻尼效应贡献，在同等情况下，TID的减振耗能较TVMD要好。通过对比拉索-阻尼器系统的自由振动时程曲线，对于拉索一阶振动，三元惯性质量阻尼器(TID、TVMD)减振效果较二元惯性质量阻尼器(SVMD、PVMD)要好。　　(4)通过ANSYS建立有限元仿真模型，进行了拉索的前10阶模态动力特性分析；研究了PVMD、TID、TVMD安装在拉索梁端及塔端和只安装在梁端的动力特性分析，对比了三者前10阶模态阻尼比及变化规律；研究了TID在拉索及空间不同位置的动力特性分析，对比了不同空间位置前10阶模态阻尼比及变化规律。结果表明：拉索有限元仿真分析时利用复模态分析的QR阻尼法求得的频率与理论解接近，有限元分析的结果足够精确；在拉索靠近主梁处安装惯质阻尼器对低阶模态系统阻尼比提升较大，但TID和TVMD对高阶模态的拉索振动减振效果不明显；拉索在靠近梁端及桥塔处安装惯质类阻尼器，系统的前6阶模态阻尼比大概是仅在梁端处安装阻尼器时的2倍，但PVMD和TVMD在高阶模态中，两种工况的模态阻尼比接近，且三种惯质阻尼器中，TID在拉索前10阶模态的总体减振效果相对较好；当拉索在空间位置安装阻尼器时，有利于低阶模态的拉索振动控制，对高阶模态的偶数阶振动的模态阻尼比提升反而降低；在拉索低阶模态振动控制时，在靠近梁端及空间3L/4位置时，TID-拉索系统的减振效果最佳。　　(5)针对超长斜拉索安装高度及单个阻尼器控制效果存在的缺陷，对VD、VMD、TID、TVMD组合的拉索-双阻尼器系统进行了运动方程推导及数值求解，求解得到的空间状态方程，对拉索-组合阻尼器系统的动力特性分析及阻尼器参数优化等提供了参考价值。

目录

声明

第 1 章 绪论

1.1 研究背景

1.2 斜拉索振动控制综述

1.2.1 斜拉索振动类型

1.2.2 斜拉索减振控制措施

1.3 惯质类阻尼器及其研究进展

1.3.1 惯质器的作用

1.3.2 惯质阻尼器的类型

1.3.3 惯质阻尼器的发展及研究现状

1.4 本文研究的主要内容及工作

第2章斜拉索-惯质阻尼器系统数值分析

2.1 引言

2.2 惯质阻尼器的工作原理及力学特性

2.2.1 工作原理

2.2.2 力学特性

2.3 惯质阻尼器的负刚度效应

2.4 惯质阻尼器的耗能增效机理

2.5 斜拉索-惯质阻尼器系统的动力特性分析

2.5.1 拉索-阻尼器系统的运动方程

2.5.2 用伽辽金法求解运动方程的特征值

2.5.3 拉索-惯质阻尼器系统动力特性分析

2.6 惯质阻尼器对拉索减振效果分析

2.6.1 拉索在无阻尼器作用时运动方程

2.6.2 拉索-VD 系统运动方程及特征值求解

2.6.3 惯质阻尼器对拉索在简谐激励下的减振效果

2.7 安装惯质阻尼器后拉索的阻尼特性

2.8 本章小结

第3章四种不同惯质阻尼器的减振性能研究

3.1 引言

3.2 基于 PVMD 的拉索振动控制研究

3.2.1 特征方程的建立

3.2.2 参数分析

3.3 基于 SVMD 的拉索振动控制研究

3.3.1 特征方程的建立

3.3.2 参数分析

3.4 对比分析 PVMD 和 SVMD 的减振性能

3.5 基于 TID 的拉索振动控制研究

3.5.1 特征方程的建立

3.5.2 参数分析

3.6 基于 TVMD 的拉索振动控制研究

3.6.1 特征方程的建立

3.6.2 参数分析

3.7 对比分析 TID 和 TVMD 的减振性能

3.8 本章小结

第4章 惯质阻尼器对斜拉索减振的有限元分析

4.1 引言

4.2 拉索的仿真动力特性分析

4.2.1 拉索的有限元模型

4.2.2 拉索的动力特性分析

4.3 拉索安装 PVMD、TID、TVMD 时的仿真动力分析

4.3.1 惯质阻尼器安装于拉索靠近主梁处的动力特性分析

4.3.2 拉索主梁和桥塔处均安装惯质阻尼器的动力特性分析

4.4 惯质阻尼器在拉索空间不同位置的仿真动力分析

4.4.1 拉索在主梁及空间不同位置安装阻尼器的动力特性分析

4.4.2 拉索在主梁、桥塔及空间安装阻尼器的动力特性分析

4.5 对比分析不同安装方式的减振效果

4.6 本章小结

第5章 两个阻尼器控制斜拉索的运动方程推导

5.1 引言

5.2 两个 VD 对拉索振动控制

5.2.1 运动方程求解

5.3 两个 VMD 对拉索振动控制

5.3.1 运动方程求解

5.4 TID 和 VD 组合对拉索振动控制

5.4.1 运动方程求解

5.5 TID 和 VMD 组合对拉索振动控制

5.5.1 运动方程求解

5.6 两个 TID 对拉索振动控制

5.6.1 运动方程求解

5.7 TVMD 和 VD 组合对拉索振动控制

5.7.1 运动方程求解

5.8 TVMD 和 VMD 组合对拉索振动控制

5.8.1 运动方程求解

5.9 两个 TVMD 对拉索振动控制

5.9.1 运动方程求解

5.10 TVMD 和 TID 组合对拉索振动控制

5.10.1 运动方程求解

5.11 本章小结

结论与展望

主要研究工作结论

主要创新点

今后研究工作展望展望

参考文献

致谢