基于粘滞剪切型阻尼器的斜拉索减振控制研究

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斜拉索振动控制技术已经较为成熟,通过外置阻尼器和内置橡胶圈的拉索减振已成为斜拉桥工程建设中的重要施工环节。随着超长拉索的发展应用和对技术要求的提高,对拉索的减振控制遇到了新的问题和新的研究思路。本文以飞云江大跨度斜拉桥及其拉索作为研究的对象,从拉索-阻尼器系统的拉索松弛和阻尼器劣化导致的阻尼器附加刚度和阻尼器间隙的变化几个方面对拉索振动控制影响进行了研究,包含了拉索的风致振动和拉索的参数振动两种振动类型的研究分析。主要的几点工作如下:(1)回顾了国内外的一些拉索振动及其控制的研究成果,对最近的一些新的拉索振动问题与新的减振方式和减振器进行了综述。阐述了拉索减振新技术的研究意义。(2)建立了拉索自由振动力学模型,推导拉索的自由振动曲线方程,分析了拉索考虑横向刚度和不考虑两种情况下的拉索固有频率特性。推导了拉索静力作用下的减振力学模型,得到了耦合的振型阻尼比表达式,并通过matlab编程求解了拉索的各个振型阻尼比的分布情况,得到了拉索各个振型阻尼比之间的关系曲线。通过工程实测拉索的高阶测量计算阻尼比验证了振型阻尼比关系式的正确性,并反推了实际拉索的低阶阻尼比,具有很大的工程应用价值。(3)在了解了拉索的振动特性和阻尼特性后,对拉索的松弛后的本构变化,松弛率进行了试验研究。分别对锌铝合金钢丝和钢绞线进行了松弛实验,得到了各自对应的松弛率变化试验数据,并通过线性回归数值拟合了松弛率随时间变化的本构关系。在得到的本构关系上推导了钢绞线使用几十年后的基频变化,对拉索性能和拉索实用寿命等性能的衡量评测具有较大的帮助。(4)基于Davenport风速谱对实际拉索模拟点的脉动风进行了模拟,得到了模拟点的脉动风速时程,并转化得到该拉索的脉动风荷载。通过sap2000中的索单元建立功能,利用多段交接框架单元模拟了拉索模型,并输入得到的风荷载,得到风荷载作用下的拉索模型。并对阻尼器劣化后附加刚度变化和阻尼器间隙变化对拉索风致振动跨中位移幅值和对应的阻尼器耗能曲线进行了对比研究分析。结果表明,劣化阻尼器附加刚度对拉索风致振动影响较小,但间隙的变化对拉索-阻尼器系统具有明显的不利影响。(5)推导了拉索参数振动减振力学模型,并利用MATLAB编程通过龙格库塔迭代数值方法分析了实际拉索参数振动特性和拍振现象,分析了频率比对拉索振动幅值的影响,找到拉索参数振动轴向激励频率。并通过对比分析研究了阻尼器间隙变化对于拉索振动的影响规律。(6)为解决传统阻尼器劣化后对拉索振动控制的影响,设计了一款剪切型粘滞阻尼器,并通过试验方法和理论方法验证了阻尼器的基本力学性能,疲劳性能和极小变形(小间隙)耗能等性能指标。最后通过装有该阻尼器的实际拉索实测阻尼比验证了阻尼器良好的减振能力和小变形耗能。为减振工程提供了功能更全面的阻尼器。
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