大跨度斜拉桥施工阶段风振控制研究

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大跨度斜拉桥在施工阶段由于结构阻尼低、且处于不稳定状态,容易在风荷载作用下产生振动而引起施工作业的舒适性问题,在强风或中小地震的作用下还可能产生较大的内力而引起施工机械和结构的安全性问题,因此需要采取安装阻尼器等措施进行制振。作为大型空间柔性结构,斜拉桥具有复杂的静动力特性,宜采取主动控制以及混合控制等方式制振,而且阻尼器需要安装在多个位置以提高制振效果。因此,研究针对复杂结构和风荷载作用下的制振分析理论与方法以及制振装置特性十分必要。论文针对大跨度斜拉桥施工阶段可能发生的风致振动,研究了采用质量阻尼器进行制振的分析理论和实桥应用。主要研究工作如下:1.建立了用于控制设计的斜拉桥模型,对风荷载作用下斜拉桥结构动力特性和响应进行了分析,以某斜拉桥为例探讨了空间脉动风荷载作用下斜拉桥双悬臂施工状态的各阶模态。振型对振动响应的贡献。针对斜拉桥的风振控制,建立了斜拉桥结构与安装在其上分布式的多个质量阻尼器系统的模型。模型考虑了气动自激力对结构气动刚度和气动阻尼的贡献。探讨了三种模型缩减方法(Guyan缩减法及IRS缩减法、基于内配平的缩减法和基于模态叠加的缩减法)及其可行性。对系统模型进行阶次缩减并建立了用于主动控制算法设计的计算模型。2.引入H2/H生能目标函数,建立了以结构响应能量最小化为设计目标的基于H2/H方法的分布式TMD参数优化方法。可以实现安装在不同位置的多个TMD的参数优化,而且分布式的多个TMD可以对结构某一阶模态频率调谐,也可以对结构多阶模态频率调谐。以某双悬臂施工状态的斜拉桥的风振控制为例,对单个TMD和分布式多个TMD参数优化和制振效果进行了分析。3.研究了主动控制装置ATMD对斜拉桥抖振响应的制振。采用LQG控制算法和H控制算法进行了控制器设计,在考虑ATMD实际应用时的工程约束条件下,探讨了ATMD安装在不同位置和对不同振型调谐时的控制效果。4.针对斜拉桥风振(抖振)的特点,提出了TMD和ATMD混合控制方式。将TMD和ATMD分别针对结构的低阶和高阶模态振型进行了参数优化设计,仿真计算结果表明,采用TMD和ATMD混合控制方式可以很好的控制风荷载作用下的斜拉桥位移和加速度响应。5.针对实际施工的大跨度斜拉桥钢塔制振,系统的研究了钢塔施工阶段的制振目标、制振器设计、制振器的性能试验、钢塔动力特性测试与制振器安装调试、制振效果的评价分析等,解决了被动式制振器在实际应用时出现的问题。试验和现场测试数据为今后的同类钢塔制振设计提供了宝贵资料,为被动式制振器在大跨度桥梁制振应用的推广以及主动式制振器的研发、应用打下了基础。
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