惯容-阻尼减振系统对斜拉索振动控制研究

发布时间：2020-04-26 01:51

【摘要】：大跨度斜拉桥的斜拉索在外界环境激励下极易发生多种有害振动,斜拉索的有效减振技术对斜拉桥的安全运营至关重要。现有外置阻尼器减振措施虽然一定程度上解决了斜拉索的振动问题,但大柔度超长斜拉索的工程应用使得阻尼器安装高度进一步降低、斜拉索目标控制模态阶次急剧增长。如何采用被动控制手段解决传统被动阻尼器由于安装位置限制而导致超长斜拉索附加阻尼不足的问题,始终是工程界与学术界共同关注的前沿热点。为此,本文依托国家自然科学基金面上项目:“结构三元被动减振理论与技术及其提升斜拉索振动控制效果研究”(51878274),以提升斜拉索振动被动控制效果为基本立足点,结合结构振动控制领域的最新理论与技术成果——“inerter”(惯容器),分别开展了并联式“惯容-阻尼”减振系统(PVMD)、串联式“惯容-阻尼”减振系统(SVMD)以及调谐式“惯容-阻尼”减振系统(TID)对斜拉索的振动控制研究。分别基于复模态理论和有限差分法,分析了PVMD、SVMD和TID参数变化对斜拉索附加模态阻尼比的影响规律,获得了阻尼器最优参数和斜拉索最大附加模态阻尼比;评估了斜拉索垂度和抗弯刚度对PVMD、SVMD和TID最优参数以及斜拉索减振效果的影响;综合斜拉索最大附加模态阻尼比、斜拉索在简谐激励下的第1阶模态跨中位移幅值和振动能量等性能指标,阐明了PVMD、SVMD和TID相对于普通黏滞阻尼器(VD)对斜拉索振动控制的优越性;分析了“惯容-阻尼”减振系统的耗能机制,基于能量视角揭示了PVMD、SVMD和TID对斜拉索减振效果的提升机理;通过PVMD、SVMD和TID对斜拉索减振效果对比,阐明了各“惯容-阻尼”减振系统对斜拉索振动控制的适用范围。主要研究结论如下:(1)与VD相比,PVMD、SVMD和TID均可为斜拉索提供更高的附加模态阻尼比,并显著降低了斜拉索在相同荷载激励下第1阶模态的跨中位移幅值和振动能量。PVMD和SVMD对斜拉索减振效果提升主要归功于惯容单元产生的负刚度效应放大了阻尼器阻尼元件的位移,提高了阻尼器的耗能效率;TID对斜拉索减振效果提升归功于负刚度作用和调谐作用实现了阻尼器内部阻尼元件位移的双重放大。(2)PVMD的无量纲惯容系数接近“1”时,对斜拉索的减振效果达到最优;当PVMD惯容系数小于最优值时,斜拉索的最大附加模态阻尼比随着惯容系数的增大而增大,PVMD的最优阻尼系数随着惯容系数的增大而减小;PVMD为斜拉索各阶模态提供的最优附加模态阻尼比基本相同,最优惯容系数和阻尼系数均随着斜拉索的模态阶次的增大而减小;忽略斜拉索垂度和抗弯刚度的影响,将过高估计PVMD对斜拉索的减振效果。(3)SVMD的无量纲惯容系数大于0.5时,对斜拉索的减振效果优于VD,且在无量纲惯容系数接近“1”时对斜拉索的减振效果达到最优;在惯容系数小于最优值时,斜拉索的最大附加模态阻尼比和SVMD的最优阻尼系数均随着惯容系数的增大而增大;SVMD对斜拉索各阶模态提供的最优附加模态阻尼比基本相同,最优惯容系数和阻尼系数均随着斜拉索的模态阶次的增大而减小;忽略斜拉索垂度和抗弯刚度的影响,将过高估计SVMD对斜拉索的减振效果。(4)TID为斜拉索各阶模态提供的最大附加模态阻尼比基本相同,最优惯容比随着斜拉索模态阶次的增大而逐渐减小,而最优频率比和最优阻尼比随着斜拉模态阶次的增大而增大;斜拉索垂度和抗弯刚度将降低TID为斜拉索提供的最大附加模态阻尼比,且TID惯容比的会放大斜拉索垂度和抗弯刚度对TID减振效果的不利影响;TID调谐作用对其等效负刚度系数和等效阻尼系数的放大作用,显著降低了TID对斜拉索减振控制所需的惯容系数和阻尼系数。(5)PVMD对斜拉索某一阶模态的减振效果优于SVMD,但对多阶模态的减振效果不如SVMD;TID对斜拉索某一阶模态的减振效果和多阶模态的减振效果均优于PVMD和SVMD。
【图文】：

“Inerter”构造示意

华北水利水电大学硕士学位论文 对框架结构的减振增效作用；汪志昊和许艳伟[33]开展了 EIMD 对斜拉，试验表明 EIMD 为试验斜拉索前两阶模态提供的附加模态阻尼比是论最优值的 2.02 和 4.46 倍，，并指出 EIMD 卓越的减振性能主要归因效应放大了阻尼器的位移，提高了阻尼器的耗能能力，Sun 等[36]验隔震性能。
【学位授予单位】：华北水利水电大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：U448.27;U441.3

【参考文献】

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1 许艳伟;斜拉索振动控制试验研究[D];华北水利水电大学;2017年

本文编号：2640942