斜拉索—摩擦型阻尼器系统的阻尼特性分析

研究了采用非线性摩擦型阻尼器的斜拉索振动控制的阻尼特性。通过数值模拟斜拉索-摩擦型阻尼器系统的自由振动,分析了斜拉索位移时程曲线的衰减特征,系统模态阻尼比的变化规律以及拉索振动形状的变化。通过对拉索模态阻尼比的参数分析,得到了摩擦型阻尼器参数和拉索附加阻尼关系的通用设计曲线。研究了拉索-摩擦型阻尼器系统最大附加阻尼的取值,结果表明斜拉索的最大模态阻尼比依振动初始条件等参数影响分布在一个范围而非定值,其下限值仍高于采用线性黏滞阻尼器时所获得的最大模态阻尼比。最后将数值模拟结果与已有实索试验数据进行了对比,二者吻合良好。     

超长拉索多模态控制的黏滞阻尼器参数优化研究

苏通大桥500m级斜拉索的振动响应实测表明：超长拉索可能存在剧烈的高阶涡振,且发生风雨振的模态阶数也远高于传统中、短索。传统的控制斜拉索前若干阶模态的黏滞阻尼器参数优化方案无法满足超长索的高阶模态振动控制要求。为此,对拉索-黏滞阻尼器系统高阶模态的附加模态阻尼比及最优阻尼系数进行了推导;再以模态阻尼比为控制指标,研究了适用于控制超长拉索多模态振动的阻尼器参数方案,并与传统前若干阶模态控制方案进行了分析对比。研究表明：相邻的较低阶模态对应的最优阻尼系数之间差别巨大,导致阻尼器按照控制前几阶模态进行参数设计时,控制效果随着模态阶数的提高而急剧下降;而随着模态阶数的提高,相邻模态对应的最优阻尼系数之间差别将减小。若不考虑对第1,2阶模态的控制,从第3 阶模态开始考虑（即ζ3≥ζmin）设计阻尼器参数,阻尼器对超长拉索控制的模态范围能够被大幅扩大。     

垂度拉索-惯质阻尼器体系的减振分析

提出一种利用齿轮齿条、惯质元件和黏滞阻尼元件组合的拉索用新型惯质阻尼器,给出了阻尼器各元件参数的理论设计方法,并指出了其耗能原理。利用理论推导结合数值计算的方法给出其单体耗能性能,建立了拉索-惯质阻尼器体系的平面内运动方程,使用复模态分析法,给出了考虑垂度拉索-惯质阻尼器体系的模态阻尼比计算公式。针对某实际拉索,使用无量纲化分析方法,给出了实索惯质阻尼器的设计参数及相应的拉索模态阻尼比。研究了同一惯质阻尼器参数对不同拉索振动模态的减振效果。结果表明,当有垂度拉索在惯质或阻尼增大时会趋近于本阶次的嵌固频率。针对某实际超长拉索,当目标减振模态阶数不太多时,经过惯质、黏滞阻尼及安装位置等多参数调谐之后,可获得优于现有黏滞阻尼器的广谱减振效果。     

被动磁流变阻尼器的实索减振试验研究

对磁流变(MR)阻尼器进行了实索减振试验.试验时改变MR阻尼器的输入电压来改变MR阻尼器的输出力.通过人工激振拉索后,测得拉索的振动波腹点位移衰减时程曲线,计算得拉索的对数衰减率值.结果表明拉索的对数衰减率值与MR阻尼器的输入电压、拉索振动阶数和拉索振幅均相关.拉索的对数衰减率值当附加MR阻尼器有输入电压时有了大幅增长,其值在大部分振幅区域内大于0.03,可满足拉索减振要求;而当MR阻尼器无电压输入时对数衰减率值小于0.03,无法满足拉索减振要求.试验发现拉索的对数衰减率值-振幅曲线随着MR阻尼器的输入电压及振动模态阶数大小的变化具有良好的规律性,且针对各阶振型具有相接近的最大对数衰减率值和最小的对数衰减率值,提示了利用MR阻尼器进行半主动优化控制的可能性.     

基于新型轴向电涡流阻尼器的拉索多模态减振性能研究

研究了新型滚珠丝杠式轴向电涡流阻尼器(ball screw type axial eddy current damper, BS-ECD)对拉索的多模态减振控制效果。首先,基于单位振动周期内耗能相等的原则计算了BS-ECD等效线性阻尼系数的表达式。然后,利用等效线性化理论推导了安装BS-ECD后拉索附加模态阻尼比的表达式。以此为基础,针对拉索多模态振动控制开展了BS-ECD的参数优化设计,得到了拉索受控模态分别为1～4阶和1～8阶时BS-ECD的最优临界速度、峰值阻尼力和拉索附加模态阻尼比,并评价了其减振性能。最后,分析了减振效果对阻尼器最优参数和位移幅值变化的敏感性。分析结果表明：存在一组BS-ECD的临界速度和峰值阻尼力,可以使拉索任意两阶模态的附加阻尼比同时达到最大值;当指定阻尼器工作行程时,通过参数优化可以使BS-ECD的多模态减振效果优于线性黏滞阻尼器和非线性液体黏滞阻尼器,且减振效果对最优参数变化不敏感;与其他非线性阻尼器一样,BS-ECD提供的附加模态阻尼比也具有明显的振幅依赖性,当阻尼器的工作行程偏离设计值时,其减振效果会有较明显的降低,后续应仔细研究。     

被动电磁阻尼器对斜拉索振动控制研究

斜拉索的有效减振技术,对斜拉桥的安全运营至关重要,开展了基于电磁阻尼器的拉索减振新技术研究。首先测试一种旋转式电磁阻尼器的电、力学性能,然后建立了电磁阻尼器-模型斜拉索减振试验平台,研究了阻尼器的安装高度及直线-旋转运动传动比对拉索减振效果的影响。试验结果表明,电磁阻尼器对试验拉索的前五阶面内振动模态均可以取得较好的控制效果,而且安装位置越高、传动比越大,控制效果越好。分析表明,优越的减振效果主要归功于电磁阻尼器减振系统兼具的黏滞阻尼与负刚度现象。     

采用向量式有限元的斜拉索振动控制仿真

采用向量式有限元(Vector Form Intrinsic Finite Element(VFIFE)),建立斜拉索模型,通过给空间点增加附加作用力来模拟阻尼器对斜拉索的作用。模拟了拉索激振和振动衰减的过程,利用Hilbert变换处理拉索的衰减时程,得到拉索的附加阻尼比,分析了阻尼器的线性粘滞阻尼系数、阻尼器内刚度、阻尼器运动部分质量、阻尼器支撑刚度,及斜拉索垂度对附加阻尼比的影响;并将结果与附加阻尼比通用计算公式计算结果进行对比。结果表明,采用VFIFE建立斜拉索-阻尼器系统能准确地模拟阻尼器对斜拉索的振动控制作用;模拟得到的结果与通用计算公式给出的结论相符;系统存在最优阻尼系数和最优阻尼比;阻尼器内刚度的增大和支撑刚度的减小将降低系统阻尼比;阻尼器运动部分质量的增大将增大系统阻尼比;拉索垂度对第1阶模态阻尼比的降低影响较大,对于高阶模态的影响很小。     

索梁动力耦合对非线性拉索阻尼器减振效果的影响分析

索梁耦合振动会影响斜拉桥动力性能,特别是对模态阻尼比会产生不利影响.为了解索梁耦合振动对附加非线性阻尼器后拉索模态阻尼比的影响,根据吸收能量等效的原则得到了工程常用非线性阻尼器的等效线性阻尼系数.建立了由索、梁和等效粘滞阻尼器组成的理论模型,采用复模态分析方法详细研究了主梁振动频率与拉索振动频率比对拉索附加非线性阻尼器减振效果的影响.结果表明:当主梁与拉索的频率比相近时,拉索阻尼器的减振效果会大幅降低.     

一种惯质黏滞阻尼器的性能及其对拉索减振效果的试验研究

该研究制作了一台利用齿轮、齿条、惯质元件和黏滞阻尼元件组合的拉索阻尼器样机,并开展了详细的拉索减振试验研究。建立了考虑拉索垂度、内阻尼特性、阻尼器齿轮惯质、转动轴惯质与轴承的阻尼特性等因素影响的拉索-阻尼器振动体系,并利用改进的Galerkin方法进行数值分析。详细讨论了该新型阻尼器的自身性能参数、耗能性能及其针对拉索的减振性能。试验结果与数值计算对比分析表明：惯质黏滞阻尼器具有明显的负刚度,由此产生的位移放大效应对拉索减振效果有显著的正面影响。改进的Galerkin方法能够用于惯质黏滞阻尼器-拉索减振系统的分析中,且该算法不依赖于计算初值的选择;数据计算结果与试验结果吻合较好,验证了该研究计算方法的准确性;该惯质黏滞阻尼器对拉索振动具有良好的减振效果。     

负刚度非线性黏滞阻尼器对斜拉索振动控制研究

为提升传统被动线性黏滞阻尼器（LVD）对斜拉索的减振效果,本文融合被动负刚度控制技术和非线性黏滞阻尼特征,开展了负刚度非线性黏滞阻尼器（NSNVD）对斜拉索减振增效的研究。基于能量等效线性化方法获得了 NSNVD 的线性等效力学模型;采用复模态分析获得了斜拉索张紧弦模型的附加模态阻尼比的近似解和迭代解,并分别与考虑或忽略斜拉索垂度和抗弯刚度的数值仿真解进行对比,验证了能量等效线性化方法对 NSNVD 斜拉索减振系统的适用性;基于考虑斜拉索垂度和抗弯刚度的仿真解分别开展了 NSNVD 对斜拉索单模态减振效果参数分析和多模态减振效果优化研究,获得了 NSNVD 负刚度系数和黏滞阻尼指数对斜拉索单模态和多模态减振效果的影响规律。研究结果表明：NSNVD 的被动负刚度效应显著提升了斜拉索单模态减振效果,负刚度效应和非线性黏滞阻尼特征均有助于提升斜拉索多模态减振效果;与非线性黏滞阻尼器（NVD）和负刚度线性黏滞阻尼器（NSLVD）相比,NSNVD 对斜拉索具有更好的减振效果。     

黏滞阻尼器联合负刚度对斜拉索减振控制的增效研究EI北大核心CSCD

阻尼器的负刚度特性有助于提升其对斜拉索的减振效果,为探究负刚度装置(NS)对黏滞阻尼器(VD)应用于斜拉索减振控制的增效作用,开展了VD联合NS对斜拉索减振控制的增效研究。采用复模态分析方法获得了斜拉索-VD-NS耦合系统的特征方程,并进一步推导了斜拉索附加模态阻尼比的近似解;分析了NS的负刚度系数和安装高度对斜拉索模态阻尼比和振动频率的影响;基于输出反馈的LQR控制,获得了给定负刚度系数时VD对斜拉索多阶模态减振控制的最优参数,进而研究了负刚度系数和NS安装高度对斜拉索多阶模态振动控制的增效作用。研究结果表明:增加NS的负刚度系数或安装高度均有助于提升VD对斜拉索单阶模态和多阶模态减振效果,同时减小了VD的最优阻尼系数;NS对VD减振性能的提升归功于负刚度系数或NS安装高度的增大对VD位移幅值的放大效应,提升了VD的耗能能力。     

风和车流作用下悬索桥纵向减振及阻尼器参数优化EI北大核心CSCD

为了对运营阶段风和车流作用下大跨公路悬索桥进行纵向减振并对阻尼器进行参数优化,通过在已有的风‑车‑桥耦合振动分析系统中引入液体黏滞阻尼器单元,建立了随机风‑车流‑悬索桥分析系统。以一座典型山区大跨悬索桥为工程背景,采用建立的分析系统对比分析了布置阻尼器前后加劲梁在随机风和车流作用下纵向振动的时频特性。在此基础上,进行了阻尼器的参数敏感性分析,研究了阻尼器参数的不同取值对加劲梁位移和塔底内力的影响规律。以优化全桥结构受力、降低纵向振动响应为目标,采用响应面法对阻尼器的参数进行了优化分析。研究表明:对于风、车流荷载单独以及联合作用下的加劲梁纵向振动,阻尼器均能有效降低纵向振动的幅值;但能否降低纵向振动的频率取决于纵向振动中主频的成分。设置液体黏滞阻尼器后,风、车流荷载单独或者联合作用下,加劲梁纵向位移极值和纵向累积位移均随着阻尼系数的增大和速度指数的减小呈减小趋势。此外,不同荷载工况下液体黏滞阻尼器对塔底纵向弯矩的影响规律不同:在风荷载单独作用下,阻尼器会增加塔底纵向弯矩。优化后的液体黏滞阻尼器参数建议取值区间为:阻尼系数宜取500-700 kN/(m/s)^(α),速度指数宜取0.3-0.5。     

考虑垂度影响的拉索-双粘滞阻尼器系统振动分析

随着斜拉索长度的不断增加,在索近梁端单点安装阻尼器已经难以满足拉索减振的需要。同时,已有研究表明索垂度会减弱索端阻尼器的减振效果。因此,针对超长斜拉索,考虑垂度的影响,分析了斜拉索上两处安装粘滞阻尼器(拉索-双粘滞阻尼器)系统的复模态特性。考虑实际中阻尼器一般安装于近索锚固端位置,推导出了该情况下系统模态阻尼比的近似解析表达式,进行了阻尼器参数对索阻尼的影响分析和优化。结果表明:对于双阻尼器系统,垂度仍对拉索对称振动模态的阻尼比有减弱效果,对反对称振动模态无影响;阻尼器对称安装于索两端时,即使考虑垂度索所获得的最优阻尼相比于安装单个阻尼器时可以提高至2倍,能有效解决单阻尼器提供阻尼不足的问题。双阻尼器同端布置相比于仅安离索端较远的阻尼器时,索单阶最优模态阻尼无提高,但对于同时抑制拉索高、低阶振动具有优势。     

多索-梁结构固有振动特性分析

进行了单索-梁结构和二索-梁结构模型固有振动试验,采用斜拉桥整体动力分析有限元方法建立了索梁结构有限元模型,与试验结果进行的比较验证了所建有限元模型的正确性。通过对单索-梁结构至四索-梁结构的固有振动特性的有限元分析表明,斜拉索的存在和数量对索梁结构的面内固有频率影响较大,对面外固有频率影响很小;斜拉索的增加使索梁结构面内振动频率增大的主要原因是斜拉索对主梁起到竖向支承的作用。将斜拉索竖向支承作用简化为弹性支撑,考虑斜拉索水平分力对主梁轴力的影响,推导得到了多索-梁结构面内固有振动的频率方程和振型函数,与有限元计算结果进行的对比说明了所得简化公式的正确性和适用性。     

基于可变摩擦阻尼力的斜拉索半主动控制算法

通过比较线性粘滞阻尼器和摩擦型阻尼器的耗能,发现斜拉索采用摩擦型阻尼器获得的最大附加阻尼高于相应的线性粘滞阻尼器,进而提出了基于可变摩擦阻尼力的斜拉索半主动控制算法。该算法通过控制阻尼器位置处的拉索位移振幅来实时调节阻尼力,使其始终满足拉索-阻尼器系统的最优阻尼力幅值与最优阻尼器位移幅值的对应关系。按摩擦型阻尼器的方式耗能,系统获得的最大附加阻尼总是高于线性粘滞阻尼器的被动最优控制,且与振动频率无关,可以实现斜拉索的变频率多模态振动控制。最后,分别针对斜拉索的自由振动和简谐强迫振动进行了半主动控制算法的数值模拟,验证了其减振效果。     

磁流变阻尼器对斜拉索振动控制研究

大跨度斜拉桥拉索的风雨振现象越来越引起人们的重视,应用磁流变阻尼器进行拉索振动控制是一种新的探索。本文采用模态坐标表示的拉索运动方程和Bingham模型,对磁流变阻尼器-拉索系统的阻尼特性进行了全面仿真模拟,得到了阻尼器安装位置、外部激励大小及阻尼器输入电压等参数对系统前三阶模态阻尼比的影响规律,介绍了在洞庭湖大桥应用磁流变阻尼器进行拉索振动控制的试验研究情况,试验与仿真结果具有很好的一致性,表明仿真计算模型和方法是正确的和可行的。对磁流变阻尼器减振效果的仿真计算表明,该阻尼器具有很好的减振性能。在实际风雨振发生时实测的加速度响应进一步印证了仿真结果,表明应用磁流变阻尼器能很好地抑制拉索风雨振现象,磁流变阻尼器将是抑制拉索风雨振一种非常有效的手段。这些对于应用磁流变阻尼器进行拉索振动控制具有重要的指导意义。     

索-梁耦合振动下的拉索复合减振方法研究

既有研究结果和工程实践表明:当发生索桥耦合振动时,黏滞阻尼器提供给拉索的实际阻尼值远小于理论计算值。为保证耦合振动下的减振效果,提出利用常规黏滞阻尼器附加TMD的复合减振方法。为此,建立了拉索、黏滞阻尼器与TMD组成的理论分析模型,并开展了相应的室内试验。理论分析与试验结果的对比分析表明:根据最主要贡献模态设计的附加MTMD,能最大程度地协助黏滞阻尼器抑制该模态脉动;该复合减振方法可有效弥补索端黏滞阻尼器由于索-桥耦合振动等原因造成的减振效果损失问题。     

水线-雷诺数效应-斜拉索振动关系的试验研究

通过对不同位置粘贴有水线的斜拉索模型进行测力和测振风洞试验,分析了不同雷诺数下的阻力系数、升力系数和振幅等参数,研究了水线影响雷诺数效应及通过影响雷诺数效应导致振动的机理,研究结果表明:水线能影响力系数随雷诺数的变化规律,力系数的大小和变化规律与振动有着十分密切的关系;在较低的水线位置,随着雷诺数的上升,伴随着阻力系数的减小,升力系数大幅增大,发生类似临界雷诺数的效应,力系数随水线位置的变化规律导致驰振系数为负,在这种情况下发生大幅振动,用临界雷诺数效应和驰振均可解释;在较高的雷诺数下,伴随着阻力系数的减小,升力系数大幅变化,每个水线位置都发生了不同程度的振动,该振动的机理可能与临界雷诺数效应导致的振动机理类似。     

索梁结构非线性振动有限元分析

为了更全面、精确地进行包括斜拉索参数振动在内的索梁结构非线性振动分析,该文采用索单元和去除自重的非线性动力计算方法,实现了能考虑参数振动的拉索非线性振动有限元方法;采用扩大Rayleigh阻尼矩阵,可以同时考虑主梁的阻尼和相对较小的拉索阻尼;将这些计算方法植入自编程序NL_Beam3D中以考虑斜拉索与主梁之间的相互作用。以1993年Fujino进行的索梁结构试验为算例,分析表明该方法能较正确地模拟索梁结构中副不稳定区域和主不稳定区域的拉索参数振动。     

超高结构黏滞阻尼系统风振减振优化设计方法

随着超高结构高度的不断增加,结构的自振频率与强风的卓越频率越来越接近,结构的风振舒适度问题变得愈发显著。黏滞阻尼器是一种无刚度的速度相关型阻尼器,可以有效减小结构在地震作用和风荷载下的振动响应。以反向肘节式黏滞阻尼系统为研究对象,建立了反向肘节式黏滞阻尼系统几何参数优化的数学模型,并提出了反向肘节式黏滞阻尼系统几何参数优化的方法。此外,还提出了一种超高结构黏滞阻尼系统风振减振优化设计方法,该方法可以求得在满足舒适度、阻尼器在50年一遇风下最大功率、中震最大出力约束条件下,黏滞阻尼系统的最优布置位置、数量和阻尼系数。最后以某250m超高层住宅为工程案例,验证提出的超高结构黏滞阻尼系统风振减振优化设计方法的有效性和适用性。