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斜拉桥结构,尤其是大跨度斜拉桥结构柔性大、阻尼小,极易在强风、地震等外部激励下产生大幅振动,这对桥梁的使用寿命和桥梁安全运营构成极大威胁,风振控制已成为斜拉桥研究方面亟待解决的问题之一。磁流变阻尼器由于阻尼力可调性好、响应快、性能稳定等优点备受关注,已成为斜拉桥振动控制的有效减振措施之一。而磁流变阻尼器由于本身的磁路结构设计及其采用的磁流变液等导磁材料等因素影响,致使阻尼器阻尼力动态范围和最大出力在电流(电压)达到一定值时不再变化,即发生磁饱和现象。这一问题需要深入研究,以便更好地探索磁流变阻尼器的减振性能。
本文对多线圈剪切磁流变阻尼器磁饱和性能分别进行了试验研究、理论分析和有限元模拟,提出了考虑磁饱和因素的磁流变阻尼器磁饱和力学模型,并将磁流变阻尼器用于Matlab编制的平面杆系斜拉桥有限元结构中进行风振响应控制。具体的研究内容和成果如下:
1.通过多线圈剪切阀式磁流变阻尼器磁饱和性能试验,验证了磁流变阻尼器的磁饱和现象,确定了该阻尼器进入磁饱和状态的电流区间为[1.8A,2.4A]。基于良好的磁饱和试验数据,对比分析得出阻尼器处于磁饱和状态时,阻尼器的阻尼力、耗能能力与电流、位移幅值、频率的关系规律;
2.给出了简化磁路磁饱和问题的判定步骤,简单可行;指出磁路结构设计中,活塞直径和缸筒厚度对阻尼器性能的影响。考虑导磁材料非线性特性的磁路结构有限元分析可有效地模拟、预测磁饱和现象的发生,因此,可以根据磁路有限元分析结果改进或优化磁路设计;
3.提出的磁饱和力学模型模型参数意义明确,结合能量法进行模型参数识别,识别过程易于程序操作;且该模型能较好地拟合不同激励工况下的试验数据,较为准确地描述阻尼器的非线性饱和的电流控制特性及阻尼力对激励位移幅值和频率的依赖特性:
4.编制了平面杆系斜拉桥有限元模型,模拟了斜拉桥的简化三维脉动风场,得到其风振响应,并运用状态空间法和基于LQR算法的LQR三态控制策略,实施磁流变阻尼器对斜拉桥的风振控制,结果显示磁流变阻尼器的LQR三态控制能有效地控制斜拉桥主梁及桥塔的纵飘位移和加速度幅值,且小幅地降低斜拉桥主梁竖向位移峰值。
本文的创新之处在于:
针对磁流变阻尼器性能试验中的磁饱和数据进行了单独分析,提出了判定阻尼器磁路磁饱和的简易理论方法,并建立了考虑阻尼器磁饱和性能的磁流变阻尼器力学模型--磁饱和模型,且该模型能较为准确反映其磁饱和性能。