拉索-弹簧系统的振动特性研究

将拉索简化为一根张紧弦,并将辅助索对拉索的刚度贡献简化为一根弹簧所提供的刚度,基于拉索-弹簧系统的动力学方程,采用分离变量法得到了拉索-弹簧系统的特征方程.研究了当弹簧刚度取极限值时特征值(振动频率)的极限解,由此确定了特征值的存在范围.当弹簧靠近锚固端时,由一阶泰勒展开得到了特征值的迭代解和近似解.分析了弹簧刚度和安装位置对拉索振动频率的影响,研究了针对提高低阶模态振动频率时弹簧的优化设置位置.研究结果为进一步研究辅助索减振设计问题提供基础理论依据,对辅助索减振设计也有一定的参考价值.     

拉索-阻尼器-弹簧系统的阻尼特性分析

该文研究得到了拉索-阻尼器-弹簧系统的复特征频率方程。在阻尼器和弹簧安装点距拉索锚固点长度与拉索长度之比远远小于1的假设条件下,得到了拉索-阻尼器-弹簧系统模态阻尼比的近似解析解,该近似解析解与数值计算得到的精确解对比吻合良好。当弹簧和阻尼器处于同一侧时将会减小拉索所能获得的最大模态阻尼值,而当阻尼器与弹簧在拉索两端时弹簧对阻尼的影响几乎可以忽略。当阻尼器仍处于拉索锚固点附近而弹簧位置向中间移动时由阻尼器引起的频率变化量仍是小量的条件下,得到了结合数值频率解的拉索-阻尼器-弹簧系统模态阻尼比近似解析式。此时拉索所能获得最大模态阻尼比、对应的最优阻尼系数、无量纲频率与弹簧位置、刚度之间存在明确的变化关系。该文研究成果对于拉索端部同时附加橡胶减振器和阻尼器、附加阻尼器的索网结构减振设计具有重要的参考价值。     

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。     

大跨度钢拱桥H型吊杆-水平抗风索耦合系统扭转自振特性分析

将水平抗风索对钢拱桥H型刚性吊杆的约束作用简化为水平弹簧的弹性支承作用,推导了一对水平抗风索的等效扭转弹簧弹性支承刚度计算公式,基于建立的H型吊杆-水平抗风索耦合系统扭转振动理论模型,相应提出了耦合系统扭转自振特性求解理论方法,并通过有限元法验证了该方法的准确性;分析了抗风索位置、刚度参数对H型吊杆扭转自振特性的影响规律,据此提出了水平抗风索对H型吊杆第1阶扭转模态振动控制的参数设计方法。研究表明:抗风索安装位置不同,其等效扭转刚度对耦合系统扭转自振特性的影响程度也不同,且抗风索位置决定了耦合系统扭转自振频率增长极限值;抗风索等效扭转刚度决定了吊杆扭转振型结点个数;当仅考虑H型吊杆第1阶扭转振动模态控制时,宜将抗风索设置在吊杆中心位置处,此时随着抗风索等效扭转刚度的逐渐增大,吊杆第1阶扭转自振频率将超越第2阶,相应扭转振型在抗风索位置处的振型节点坐标逐渐趋于0,即吊杆变为几乎完全独立的两段。该文研究成果可为H型吊杆的水平抗风索减振优化设计提供重要依据。     

利用阻尼型辅助索的斜拉索减振试验研究

辅助索是控制超长斜拉索振动的有效措施,该文通过试验验证阻尼型辅助索对索网结构的减振效果。对具有不同数量、位置、阻尼系数阻尼器的辅助索工况进行了研究,试验模型由三根斜拉索和一根辅助索组成,通过人工激励使拉索产生一定幅值的振动,采集索网自由振动时程,进行频谱分析、滤波及线性拟合分析处理得到索网的模态阻尼。试验结果表明:索网结构低阶振动呈整体振型;采用阻尼型辅助索能有效提高索网的对数衰减     

超长斜拉索张力振动法测量研究

研究超长斜拉索张力的振动测试方法.索力振动测试过程中用人工激励也很难获得超长斜拉索的低阶振型,此时采用高阶频率多阶差平均的办法求取基频往往误差较大;从考虑了抗弯刚度和垂度影响的斜拉索横向自由振动方程出发,通过对拉索进行单模态振动分析得到其自由振动频率变化规律,将计算结果与实测数据比较,进而确定频谱分析得到的拉索高阶振动频率对应的模态阶数,由此对索力计算公式进行了修正,从而拓展了振动法测量斜拉索张力的适用范围;最后结合具体工程实例进行了讨论分析.     

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.     

自供电MR阻尼器对斜拉索减振的试验研究

为简化磁流变(MR)阻尼器斜拉索减振系统,同时提高可靠性,基于电磁式振动能量回收技术构建了具有自供电特性的MR阻尼器斜拉索减振系统。其主要由分别安装在拉索较低、较高位置的电流调节式MR阻尼器、旋转式永磁发电机构成,采用链条-链轮机构进行斜拉索面内往复直线运动与电机转子旋转运动的转化,将电机回收的振动能量直接作为MR阻尼器的电源。模型斜拉索减振试验结果表明:相对外供电MR阻尼器最优被动控制,自供电MR阻尼器除斜拉索第1阶模态减振效果基本相当外,自供电MR阻尼器对斜拉索第2~4阶模态减振效果突出,相应的模态阻尼比分别提高了31.8%、37.4%与43.0%;随着斜拉索模态阶次的逐渐增大,自供电MR阻尼器的负刚度控制特性越加凸显,从而显著提高了自供电MR阻尼器对斜拉索高阶模态的减振效果。     

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。     

MR阻尼器在风雨激振的斜拉索中的减振应用

在考虑拉索垂度等条件下建立了拉索的风雨激振空间力学模型。在假设水线简谐运动,其频率和拉索一阶频率相等的条件下,得到了拉索在不加阻尼器的情况下距顶端1/2处和3/4处的面内、面外位移响应以及它们的幅频曲线,从而得出拉索主要是以单模态振动,且面内振动是安全的主要威胁。选用一对MR阻尼器对斜拉索进行减振,研究了模态阻尼比和阻尼器安装位置以及电压的关系,得到了拉索振动平稳后的位移响应。结果表明模态阻尼比存在最优电压值,而当阻尼器安装位置较高时,具有较好的减振效果。     

斜拉桥主梁振动对拉索阻尼器减振效果的影响分析

采用拉索索端阻尼器是大跨度斜拉桥拉索减振的主要措施之一。现有拉索阻尼器设计理论均假定索的两端为固结;然而,随着斜拉桥跨度的增大,桥梁结构整体刚度下降,主梁振动对拉索附加阻尼器减振效果的影响成为大跨度斜拉桥拉索减振设计需要考虑的问题。该文建立了索、梁和阻尼器组合系统的简化理论模型,并对其进行了复模态分析。以跨径分别为400m、650m和1km的3座斜拉桥主跨最长索为算例,分析了主梁振动对拉索附加阻尼器减振效果的影响,指出了现有阻尼器设计理论的不足。分析结果表明:主梁振动降低了拉索附加阻尼器的减振效果;在大跨度斜拉桥拉索的减振设计中,必须考虑主梁参与振动的影响。     

斜拉索杠杆质量减振器的减振分析

提出一种新型的斜拉索减振器——杠杆质量减振器,对其构造、减振原理等进行了分析。采用非线性有限元法,通过计算LMD-斜拉索系统的复特征值来求解系统的阻尼特性。与油阻尼器相比,除首阶模态,系统的各阶模态阻尼比都有提高,表明其具有更好的减振效果。     

轴向激励下斜拉索大幅振动分析

针对大跨度斜拉空间结构的斜拉索大幅振动问题,考虑塔柱-拉索-空间结构协同作用,导出了拉索在轴向激励作用下的非线性振动方程。采用多尺度法研究拉索大幅振动的各种可能性,运用精细时程积分法数值求解振动方程。研究表明斜拉索自由振动时的振动特性与塔柱、拉索、空间结构三者之间的频率比,以及塔柱、空间结构对拉索所提供的初始扰动特性密切相关;塔柱振动对拉索的参数振动影响明显。若塔柱与空间结构的固有频率相近且远离拉索固有频率,拉索振动发散。若塔柱和空间结构的固有频率相近、且与拉索固有频率存在一定差别,拉索振动呈现“拍”的特点。若塔柱、空间结构与拉索三者的固有频率相互紧密靠近,拉索振动的位移幅值接近拉索的初始扰动值。     

洞庭湖大桥斜拉索减振试验研究

采用磁流变（MR）阻尼器对我国第一座三塔斜拉桥－湖南岳阳洞庭湖大桥斜拉索的减振问题进行了试验研究。内容包括：（1）设计试验装置；（2）不装阻尼器的斜拉自由振动试验；（3）装有MR阻尼器的斜拉自由振动试验。试验结构表明，安装MR阻尼器可显著提高斜拉索的模态阻尼比。通过模态阻尼比随MR阻尼器外加电压变化的关系，可得出拉索等效模态阻尼比的优化值，为实现拉索的有效减振提供了科学依据。     

一种高阶模态涡振试验新气弹模型的模型参数优化设计

多点弹性支撑连续梁气弹模型是一种研究大跨桥梁主梁高阶竖弯模态涡激振动的新型气弹模型。为了使该模型的频率、模态质量和振型与原桥梁缩尺后的动力特征更好地匹配,提出了基于动力系统矩阵方程的模型参数优化方法。以模型的频率、模态质量和振型为优化目标,利用结构的振动方程,建立优化目标函数,采用最小二乘法获得芯梁刚度、弹簧刚度和附加质量的最优设计。通过数值分析对该方法进行了验证分析。以两座不同形式的悬索桥为例进行了该方法的可行性分析。研究结果表明:采用该方法设计的气弹模型能很好地与原结构相匹配。     

应用碳纤维索的斜拉桥地震响应分析

以在建的杭州湾跨海大桥北航道桥为对象,采用强度等效的原则将原桥的钢丝索替换成碳纤维索,利用能考虑拉索局部振动的斜拉桥地震响应分析程序,分析比较了同一地震荷载作用下碳纤维索斜拉桥与钢丝索斜拉桥的振动特性及地震响应差异,并探讨了引起差异的根本原因。结果表明:索桥耦合振动是引起两种拉索斜拉桥的振动特性和地震响应存在差异的根本原因,碳纤维索的自振频率高,发生索桥耦合振动的可能性低于钢索斜拉桥,同一地震荷载作用下碳纤维索斜拉桥的地震响应要较钢丝索斜拉桥有不同程度的降低。     

不确定性拉索非线性随机振动的最优控制

为实施不确定性斜拉索非线性随机振动的最优控制,建立受控拉索的横向非线性运动方程,运用伽辽金法推导多模态耦合的振动方程。同时,考虑系统的不确定参数,建立不确定性系统的随机最优控制问题。随后,应用随机平均法、微分对策理论与动态规划方法确定HJI方程并得到极大极小控制律,最后通过数值结果说明该最优控制对于斜拉索非线性随机振动能够达到较好控制效果。     

An exact dynamic stiffness matrix for axially loaded double-beam systems

An exact dynamic stiffness method is presented in this paper to determine the natural frequencies and mode shapes of the axially loaded double-beam systems, which consist of two homogeneous and prismatic beams with a distributed spring in parallel between them. The effects of the axial force, shear deformation and rotary inertia are considered, as shown in the theoretical formulation. The dynamic stiffness influence coefficients are formulated from the governing differential equations of the axially loaded double-beam system in free vibration by using the Laplace transform method. An example is given to demonstrate the effectiveness of this method, in which ten boundary conditions are investigated and the effect of the axial force on the natural frequencies and mode shapes of the double-beam system are further discussed.     

索的动刚度与模态参数识别

索的动刚度描述动态过程索的荷载与变形的关系,是索本身固有特性的描述。从考虑垂度影响的索的动刚度解析解出发,提出了适用索模态参数是不相应的简化解。试验得到了索的频响函数,采用最小二乘拟合的方法,应用推导的索动刚度简化解,识别出了索的各阶频率和阻尼比。