拉索端部弹性约束振动控制研究(I)——理论模型

本文建立了拉索振动的轴向被动控制理论模型。在拉索端部沿轴向设置弹性约束,通过影响索端支座的移动,从而改变拉索的振动特性,最终达到减振效果。通过D’Alembert原理建立拉索-弹性约束系统振动方程,通过Galerkin方法将偏微分方程转化为常微分方程,应用龙格-库塔积分法求解方程;经过仿真分析,验证了该振动控制具有明显的减振效果,并且讨论了初始拉力、支座质量、振动频率及弹簧刚度对减振效果的影响;最后给出了计算最优阻尼参数的近似解析式,为工程师提供了简便有效的参考依据及设计方法。     

拉索端部弹性约束振动控制研究(Ⅱ)——试验验证

在索端沿轴向设置弹性约束,对拉索振动轴向被动控制进行了试验研究。研究了支座移动对拉索振动频率的影响;验证了弹性约束对拉索振动的减振效果,讨论了阻尼系数和弹簧刚度对减振效果的影响;最后验证文献[10]中理论研究的正确性。     

防振锤抑制拉索振动的仿真分析与试验研究

针对目前斜拉桥拉索减振方法的不足,提出利用防振锤抑制拉索振动的思路。为验证该方法的有效性,本文分别建立了拉索和防振锤的运动方程,并采用振型叠加法建立与其对应的广义坐标方程,采用状态空间法建立与其对应的状态方程,运用SIMULINK仿真系统对拉索进行了动力仿真分析。设计了相应的室内试验,进行了拉索-防振锤组合系统试验,并利用SIMULINK对试验进行了相同参数的仿真分析,对比验证了防振锤减振的有效性。仿真结果与试验结果对比发现,作为拉索减振装置防振锤减振效果较为显著,对于防振锤的设计应使其振动频率与拉索振动频率相一致、安装质量不宜过小、阻尼不宜太大、且宜安装在拉索振幅较大处。研究结果表明:防振锤抑制拉索的振动是有效的,利用防振锤装置抑制超长拉索振动是可行的。     

具有弹性转动约束的斜拉桥多索-浅拱模型及其面内自由振动分析

考虑斜拉桥的初始构型,建立具有弹性转动约束的多索-浅拱模型。首先,采用Hamilton变分原理得到了索和浅拱的控制微分方程。为了保证浅拱在索-浅拱连接处满足连续条件,将浅拱分段考虑,通过索-浅拱连接处的位移连续条件和力的平衡条件以及两端支座处的边界条件,推导了求解该系统自由振动问题的基本方法。然后,以弹性转动约束双索-浅拱模型为例,对其面内特征值问题进行求解,同时,建立相应的ANSYS模型,得到该模型频率和振型的有限元解。通过与有限元方法计算结果的对比,表明本文方法的正确性和有效性。最后,选取了斜拉索的倾角、垂度,浅拱的抗弯刚度、矢跨比,以及支座的转动刚度等参数,对模型的前5阶频率进行了参数化分析。     

面内端部激励下斜拉索振动方程推导与求解

为精确描述面内端部激励下拉索非线性振动机制,构建抽象端部激励下的拉索力学描述模型,分别推导了拉索拟静态振动和模态振动控制方程,基于有限差分法给出了拉索模态振动的数值求解方法。由于垂度效应的影响,在轴向、竖向以及轴向和竖向共同激励下拉索的拟静态索力与端部位移采用一个非线性方程予以表征。拉索拟静态振动可视作外部激励施加在拉索上,引起拉索的非线性模态振动,通过理论推导分别求得模态振动的控制方程和变形协调方程。在模态振动过程中,拉索的动力特性(如刚度和周期)不断变化,索力和拉索变形相互耦合,使得其求解非常复杂。采用有限差分法进行数值求解,并基于有限元方法验证了数值求解方法的准确性。重点讨论了拉索模态振动共振机制,结果表明,在轴向、竖向以及轴向和竖向激励下,拉索模态振动存在多个共振区域,包括小周期、0.5T₁、T₁和2T₁等(T₁为成桥状态下拉索基本振动周期);在共振区域内,拉索振动索力幅度较大,模态振动对总索力的贡献系数较高,超过0.4,在实际工程中不容忽视;拉索阻尼对模态振动的影响较大,增加拉索阻尼比将改...     

黏滞阻尼器对拉索参数振动的控制分析

提出采用黏滞阻尼器对拉索参数振动进行控制,建立了黏滞阻尼器控制拉索参数振动的运动方程。从频域和时域以及起振幅值等角度,研究了最优黏滞阻尼器对不同垂度拉索参数振动的控制效果;此外,还研究了最优黏滞阻尼器安装位置对拉索参数振动控制效果的影响。研究表明,黏滞阻尼器可以有效控制拉索的参数振动,控制效果与拉索的激励幅值、最优阻尼器的安装位置和斜拉索的垂度有关。激励幅值越大,控制效果一般越差;最优阻尼器的安装位置越靠近跨中,则控制效果越好;黏滞阻尼器对大垂度拉索的控制效果不及对小垂度拉索的控制效果。     

圆球减振装置对风力发电高塔的振动控制研究

本文提出了圆球减振装置对风力发电高塔振动控制的工作原理和计算方法,并对其控制效果进行了理论研究。首先利用拉格朗日方程推导得到圆球减振装置的自振频率及其对单自由度系统的被动控制力,并推广至多自由度系统。进而将风力发电高塔等效为集中质点模型,建立了风塔-减振装置体系的运动微分方程。用谐波叠加法模拟得到脉动风速时程,分析比较了风力发电高塔在无控及有控状态下的动力响应及疲劳寿命。计算结果表明,圆球减振装置是一种简单、经济和实用的减振装置,能够有效减小风塔的动力响应,延长其疲劳寿命。     

纵向剪切波作用下长型地下结构与地基动力相互作用研究

为了研究在剪切波沿地下长型结构纵向传播情况下,惯性力对地下结构与地基动力相互作用的影响,基于Winkler地基模型和Euler-Bernoulli梁模型,分别建立了长型地下结构的静力平衡方程、自由振动方程和强迫振动方程。通过振型叠加法将偏微分方程简化为常微分方程;利用微分算子法分别求得静力平衡方程;自由振动方程和强迫振动方程的解析解。通过算例计算,比较并分析了静力平衡方程解与强迫振动方程解的差别。结果表明在算例取值情况下,惯性力对结构振动的影响较小;而在地基基床系数k很小或轴向力N很大时,惯性力的影响才较为显著。     

考虑斜拉索刚度、垂度、阻尼的非线性运动方程研究

随着斜拉桥跨径的快速增长,斜拉索的长度也大大增加,斜拉索是斜拉桥的主要受力构件,其在外荷载作用下经常引发大幅振动,这样就降低了斜拉索的寿命或造成拉索的破坏,因此研究斜拉索的非线性运动方程对解决振动问题具有实际工程的意义。本文在考虑斜拉索非线性静平衡曲线、抗弯刚度、粘滞阻尼影响的斜拉索平面内非线性振动的基础上,建立了斜拉索非线性运动方程。采用Galerkin法解耦了斜拉索非线性运动方程,并运用Runge-Kutta法对其自由振动和周期强迫振动两种情形进行了求解,最后,通过对该索的理论计算数据与原型仿真数据的对比分析,可知上述非线性方程比传统的线性方程更精确。本文的研究为今后斜拉索的非线性分析及其振动控制奠定了一定的理论基础。     

大型储液罐摩擦摆基底隔震控制分析

针对弹性钢制圆柱储液罐,基于Haroun-Housner模型,将连续流体质量等效为3种集中质量,分别为:对流质量、脉冲质量和刚性质量,与这些集中质量连接的相应刚度取值依赖于储罐壁和流体质量.在水平地震激励下,在储罐底部加摩擦单摆支座,给出了简化的液体 - 储罐-隔震支座的力学分析模型,建立了摩擦摆支座基底隔震体系的振动控制方程,并利用Newmark逐步积分法对控制方程进行了数值求解,研究了摩擦摆支座基底隔震的储液罐地震反应,验证了FPB隔震的有效性.     

TLD抑制拉索振动的试验研究

针对现有减振方法对拉索振动控制的不足,尝试利用调谐液体阻尼器(TLD)抑制拉索振动。首先设计了TLD模型,并进行了TLD单体试验,其次对Cable-TLD组合系统进行了试验研究。研究表明利用TLD抑制拉索振动是可行的。其研究为同时控制拉索面内外复杂耦合振动提供了一种新思路。     

基于弹性拉索的超高墩三塔斜拉桥减震效果研究

为探究超高墩三塔斜拉桥在弹性拉索装置下的减震效果,首先利用SAP2000建立了考虑支座非线性和拉索几何非线性的三维有限元模型;其次基于弹性拉索装置,研究了弹性拉索刚度对三塔斜拉桥地震响应的影响;最后基于数值分析结果并结合某三塔斜拉桥实际工程提出3种减震方案。研究表明:在两边塔塔梁结合处设置弹性拉索可显著减小桥梁在地震作用下的内力和位移响应;提出的方案1(两边塔单根弹性索均为50股,单股刚度均为12000kN/m)、方案2(两边塔单根弹性索均为100股,单股刚度均为10000kN/m)和方案3(15#主塔单根弹性拉索100股,单股刚度10000kN/m;17#主塔单根弹性拉索100股,单股刚度为16000kN/m)相较于无弹性索状态,均可有效降低主塔塔底弯矩、塔底剪力、塔顶位移及主梁纵向位移;相较于方案1,方案2和方案3是更优方案。     

飞机航电设备的半主动磁流变控制

本文提出一种新的航电设备减振控制策略,采用半主动磁流变阻尼器与小阻尼柔性橡胶支座来取代目前采用高阻尼刚性橡胶支座的方法,以降低对航电设备的耐振要求,增强飞机飞行的安全性。本文建立了航电设备减振控制的两自由度刚体平-扭耦联模型,荷载激励考虑了基底平动与转动加速度。磁流变阻尼器的半主动控制算法选用限幅最优控制算法,主控制器为H2/LQG控制器,并采用一种加速度反馈的控制策略。针对目前的被动控制方案,本文研究了支座阻尼对减振控制效果的影响。为了得到最优的半主动控制效果,本文对控制器的权矩阵进行了参数优化分析。文中针对一系列工况详细比较了本文所提出的半主动控制策略与目前被动控制策略的减振控制效果。仿真分析结果表明,磁流变阻尼器可以非常有效地减小航电设备的动力反应,新的减振控制策略远优于现有的被动控制方案。     

底层大空间高层建筑自由振动的实用计算方法

以连杆节间为界，按弹性支座上的Ｔｉｍｏｓｈｅｎｋｏ悬臂梁建立剪力墙部分的振动方程，按一般框架建立框架部分的振动方程。根据力、变形协调条件，形成底层大空间高层建筑结构的自由振动，并据此计算其自由振动。     

考虑刚度及边界条件的短索索力求解与试验研究

建立了一个非齐次边界拉索力学模型,基于拉索线性振动理论,推导了考虑拉索抗弯刚度及边界条件的拉索频率方程;根据双曲函数的数理特性对频率方程进行了合理简化,得到了实用的频率简化方程,提出了逆过程求解索力的方法和步骤,并探讨了不同支承刚度对索力的影响。设计了室内拉索试验模型并进行了27种工况索力试验,比较了不同工况下的计算索力与实际索力,验证了本文提出的频率简化方程和逆过程求解方法的实用可靠性。     

SMA弹簧-摩擦支座基础隔震体系的地震响应分析

大尺寸超弹性形状记忆合金(Shape Memory Alloy,简称SMA)螺旋弹簧是一种可用于结构减振控制的阻尼器。然而,迄今为止这种超弹性阻尼器在土木工程结构隔震领域的研究较少。本文提出了一种SMA弹簧-摩擦支座(SMA Spring-Friction Bearing,简称SFB)并研究了其隔震性能。首先,在考虑材料内部相变过程的SMA本构关系模型的基础上,针对超弹性SMA弹簧的恢复力性能建立了一种便于工程应用的新的宏观现象模型。随后,推导了SFB隔震结构体系运动方程,利用MATLAB程序进行了结构地震响应的数值模拟。最后,将SFB隔震体系的地震响应与具有相同结构参数的纯摩擦支座(Pure Friction Bearing,简称PFB)隔震体系和摩擦摆(Friction Pendulum System,简称FPS)隔震体系的地震响应进行了对比分析。研究结果表明,SFB对上部结构具有良好的加速度减振效果,同时,该支座较其它两种滑动支座在降低隔震层位移峰值响应和抑制隔震支座残余位移两方面具有明显的优势。     

高层钢结构地震反应形状记忆合金拉索控制研究

本文通过形状记忆合金(SMA)材料的超弹性性能试验确定了SMA材料的各项参数和常温状态下的本构模型。对采用SMA拉索实施振动控制的20层钢结构的Benchmark模型的地震响应进行了时程分析。计算结果表明,实施SMA拉索控制后,层间相对位移可降低70％左右,且SMA材料很好的耗能作用有效地减少了地震能量向上部楼层的传递,对上部结构具有一定的隔振作用;顶层相对位移的控制效果达到51％;顶层加速度可降低43％;地震波强度和拉索初应变对拉索的被动控制效果影响较大。最后给出了拉索的安装位置与拉索的应变之间的关系曲线,建议了合理的布置方案。     

基于压电摩擦阻尼器的输电塔模型结构控振分析与试验研究

研究了新型压电摩擦阻尼器对输电塔结构模型在地震作用下的振动控制问题。提出了一种新式的拉索-压电摩擦阻尼器减振系统,对安装有拉索-压电摩擦阻尼器减振系统的输电塔结构模型进行了振动台试验,试验中采用最优Bang-Bang半主动控制策略对阻尼器出力进行实时调节。对试验进行数值模拟分析,并将分析结果与试验结果进行对比,同时对结构的耗能进行了时程分析。结果表明:拉索-压电摩擦阻尼器减振系统能有效减小输电塔结构模型在地震过程中的响应;模拟与试验结果相吻合,说明了模拟结果的可靠性良好。     

正交加肋地基板在谐荷载作用下的动力响应

将加肋地基板作为板-梁耦合系统，考虑弹性地基模型，建立土—基础耦合系统的运动微分方程，通过富氏积分变换及其逆变换，演绎出双向正交加肋钢筋混凝土地基板在设备谐激力作用下的振动响应的半解析解法。结果说明，在土建设计中，为了减少振动对环境的有害影响，应考虑动力设备基础的隔振和减振问题。数值算例也表明，本方法有较好的计算精度。     

形状记忆合金超弹性阻尼性能的试验研究

本文分析了形状记忆合金（SMA）超弹性阻尼减振的机理，通过试验研究了温度、加载频率、循环次数及预变形等因素对SMA超弹性阻尼的影响。研究结果表明，利用SMA的超弹性阻尼特性可以研制出性能良好的耗能减振装置，在工程结构振动控制方面具有比较好的应用前景。