施工阶段斜拉桥主动控制模型试验研究

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在过去一段时间里,主动控制成为结构工程研究热点之一,尤其对抑制强风和地震产生的结构振动,研究非常活跃。处于施工状态的斜拉桥上部结构除应满足必须的设计荷载外,还应考虑地震、风等外荷载引起的结构振动,以保证有较好的施工质量的作业环境、施工人员工作时的舒适性、施工器械以及上部结构的安全性,因此有必要安装阻尼器等辅助措施,特别在施工过程中主塔独立、主梁单悬臂及全悬臂等抗风和抗震性能较差的阶段,减振措施更为重要。本文首先以一个简易二层框架模型为对象,采用拉哥朗日方法建立了包含AMD参数的系统运动方程,对二自由度结构进行了主动控制设计。采用多种控制算法,包括极点分配法、LQR、LQG和H_∞等方法配合Kalman滤波器对结构进行控制,仿真计算结果表明,采用LQG方法效果最优。之后进行振动台试验。研究发现,对无弹簧连接的AMD控制设计时,应对状态空间中AMD的位移分量进行处理,以便保证控制的稳定性。之后针对双悬臂施工状态的斜拉桥模型的振动控制进行了试验研究。首先建立了斜拉桥模型的有限元模型,采用小波分析方法识别了结构模态参数,并通过模型修正方法改善了有限元模型的精度,该模型用于进行控制器设计。理论研究表明,斜拉桥对称双悬臂施工状态时,在没有安装辅助墩前横桥向包含2阶重频模态,通过结构系统可控性、可观性分析可知,至少须在主、边跨两端各安装一个AMD和一个传感器才能达到理想的主动控制效果。控制算法采用了LQG和H_∞方法,以主梁两悬臂端位移和加速度为控制输出向量,并采用了关键模态缩减方法降低结构系统的自由度。通过数值仿真,讨论了EJ Centro地震波作用下的斜拉桥模型主梁横弯振动的制振效果。同时,通过斜拉桥模型脉冲激励响应的主动控制试验对控制算法的有效性进行了验证。最后采用了制振前后桥梁响应峰值和RMS值对控制效果进行了评价。理论研究和试验均表明,主动控制对具有复杂空间构形的斜拉桥结构是一种有效的制振手段。
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