大跨人行桥-TMD系统的动力参数识别与振动舒适性研究

来源 :湖南大学 | 被引量 : 1次 | 上传用户:l_zhijie1234
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近年来,随着轻质高强材料的广泛使用、结构设计方法的不断进步以及我国城市建设和旅游开发需求日益旺盛,大跨人行桥建设得到了飞速发展。2000年,伦敦千禧桥刚开通就因人致晃动而不得不关闭,使桥梁人致横向振动问题受到了桥梁界广泛重视。2010年,柬埔寨钻石桥发生人致振动踩踏事件,导致353人死亡的事故,向全世界表明解决人行桥人致振动问题迫在眉睫。安装调谐质量减振器(tuned mass dampers,TMD)是抑制结构人致振动与风致振动、提高行人舒适性的有效措施。准确识别人行桥结构的动力特性并优化TMD参数是保障TMD实际控制效果的前提条件。为此,本文围绕人行桥振动舒适性问题,在结构模态参数识别、TMD参数优化及减振效率评价等方面开展了较为深入的研究。本文的主要工作如下:(1)开展了人行桥动力试验模态参数识别方法的研究。综述了基于环境振动、自由振动和强迫振动动力试验的人行桥模态参数识别方法,总结了各种方法的优点与不足。归纳了基于信号分解的随机减量法环境振动响应参数识别方法。以一座简支人行桥和一座大跨曲线钢桁架人行桥为例,开展了环境振动动力试验和行人激振动力试验,识别了结构模态参数,比较分析了各方法的可靠性。(2)提出了基于附加已知质量的人行桥模态质量识别方法,识别模态质量可为TMD参数优化奠定基础。基于附加质量后的结构刚度和模态振型不变的假定,利用质量加载前后桥梁结构相关模态的频率变化量及附加质量的大小来识别原结构的模态质量。以梁桥、斜拉桥及悬索桥为例,进行了数值仿真研究,研究了该方法的可行性。结果表明:对于梁桥和斜拉桥,不管采用集中质量加载还是均布质量加载,该方法均能有效识别结构部分竖弯模态的模态质量;但对于悬索桥,质量加载引起结构几何刚度变化,导致该方法无法失效。(3)研究了相同参数的多个TMD对结构单模态控制时TMD的参数优化问题。结果表明:在简谐激励下,相同参数的多个TMD的最优频率比和最优阻尼比等设计参数与多个TMD的总质量比对应的最优参数相同,即相同参数的多个TMD的质量比须以TMD总重量来确定质量比。以某人行桥TMD样本为例,测试了相同设计参数下TMD装置样本的动力特性,各子TMD样本频率离散性很小,但实测阻尼比有一定的离散性。(4)提出了基于人行桥-TMD耦合系统参数识别的TMD调试和减振效率评价方法。该方法首先利用桥梁-TMD耦合系统动力试验识别原结构被控模态和TMD的模态参数,然后,基于识别结果进行TMD的频率和阻尼比调试,并利用识别的参数构造桥梁-TMD耦合系统的频响函数,评价TMD的减振效率。该方法具有操作简单、快速、成本低等特点。以简支梁桥和连续梁桥为例,开展了数值仿真分析,结果表明:该方法可有效调试简支梁桥和连续梁桥上安装的TMD频率和阻尼比,并准确评价TMD的减振效率。(5)通过总结分析已有的行人舒适度标准,研究了基于行人舒适性要求的大跨人行桥涡激振动振幅限值要求。大跨人行桥主梁截面高度小,在常遇风速范围内,易发生高阶模态涡激振动;为了满足行人舒适性要求,人行桥应尽可能通过气动措施,优化主梁气动外形,避免发生涡激振动。以浏阳河汉桥为工程背景,通过风洞试验研究了该桥梁涡激振动性能,分析了涡激振动对行人舒适性的影响。
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