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。     

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.     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

惯性质量对斜拉索阻尼器减振增效作用试验研究

为提升斜拉索被动黏滞阻尼器的减振效果,开展了阻尼器并联的惯性质量单元对斜拉索减振的增效作用试验研究。首先基于滚珠丝杠位移增效机制、两节点惯质单元"inerter"与电磁阻尼技术集成了惯性质量和阻尼系数均具有可调性的惯性质量电磁阻尼器(EIMD)样机,综合理论分析与力学性能测试建立了EIMD的力学模型;然后建立模型斜拉索-EIMD减振试验平台,通过改变EIMD的惯性飞轮转动惯量和负载电阻阻值,分别测试分析了惯性质量和阻尼参数对斜拉索面内振动前2阶模态附加阻尼比的影响规律;最后对比研究了惯性质量频率相关型负刚度与恒定型负刚度对斜拉索阻尼器的减振增效作用与机理。结果表明:随着阻尼器惯性质量的增加,斜拉索前2阶附加模态阻尼比均先增加后下降,且第2阶模态最优惯性质量小于第1阶模态;斜拉索第1,2阶模态附加阻尼比最大试验值分别达到了线性黏滞阻尼器理论最优值的2.02,4.46倍;当惯性质量无量纲负刚度系数逼近"-1"时,斜拉索减振效果提升效应最为显著;惯性质量频率相关型负刚度与恒定型负刚度均通过负刚度特性放大阻尼器的位移实现耗能增效,但惯性质量负刚度不会诱发斜拉索减振系统稳定性问题。     

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。     

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。     

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。     

用于阻尼器试验的斜拉索等效模型建模

该文提出一种便于试验室内布置的短梁模型等效斜拉索,利用该模型可进行足尺拉索阻尼器试验研究。等效原则为,附加阻尼器后等效模型一阶振动频率及模态阻尼与其原型按张紧弦理论计算得到的相应值相等。该文首先提出了等效模型的概念及参数;然后,对比水平张紧弦-线性粘滞阻尼器系统的振动分析理论,对等效模型进行了自由振动和有阻尼振动的参数分析,采用数值方法分析了模型的振动特性;最后比较模型与原型的振动特性,提出确定模型参数的方法。数值模拟结果表明:按上述方法得到的等效模型与原型一阶振动频率及附加相同阻尼器后模态阻尼比的差值均小于5%,等效模型具有良好的精度。     

斜拉索杠杆质量减振器理论及模型试验研究

为解决斜拉桥跨度增大带来的拉索振动问题,采用杠杆质量减振器(LMD)对斜拉索进行减振。介绍了LMD的构造特性及作用机理,建立了斜拉索-LMD系统振动方程,推导了LMD等效阻尼力模型及LMD与斜拉索各阶模态质量比,并对斜拉索前15阶模态对数衰减率进行了理论计算及模型试验研究。研究结果表明：LMD由于惯性项、刚度项及阻尼项的三重反馈作用,同时由于杠杆的调节放大作用,其减振效果优于相同安装高度的粘性剪切型阻尼器(VSD)。LMD对桥梁景观影响较小、安装维护方便,可为千米级的斜拉桥拉索减振提供更可靠的解决方案。     

附加双线性油阻尼器斜拉索的阻尼特性研究

利用Galerkin法,得到附加双线性油阻尼器拉索的运动方程。通过Runge-Kutta-Felhberg(RKF)方法得到其自由振动衰减曲线,并基于能量损耗原理的方法计算出拉索的模态阻尼。分析了双线性油阻尼器的一次阻尼系数、二次阻尼系数和变换速度对拉索阻尼的影响。提出了基于一个周期内消耗能量相同的线性化等效设计计算方法,并与数值计算分析结果进行比较分析。研究结果表明双线性油阻尼器较线性阻尼器具有其独特的优点。     

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。     

带耗能减震层框架-核心筒结构的简化模型与减震机理研究

提出带耗能减震层框架-核心筒结构的简化模型,将减震层等效为抗转刚度弹簧和抗转阻尼弹簧,构造减震层上部和下部的振型函数,采用假定振型法和虚功原理,推导带耗能减震层框架-核心筒结构在地震作用下的振动控制方程。以典型带耗能减震层框架-核心筒结构为例,采用MATLAB语言编制该简化模型的振动控制方程程序,并与ETABS软件建立的有限元模型进行相互验证,研究带耗能减震层框架-核心筒结构的地震反应和减震机理。研究结果表明:提出的带耗能减震层框架-核心筒结构简化模型有效、可行;利用振动方程的显示表达式揭示了带耗能减震层框架-核心筒结构的减震机理;由复模态分析方法进一步确定了不同减震层位置时结构阻尼的变化规律,优化设计的复模态阻尼比及阻尼器的优化阻尼系数可用于该类结构的初步设计。     

Modal damping evaluation of hybrid FRP cable with smart dampers for long-span cable-stayed bridges

The paper presents a theoretical evaluation on modal damping of hybrid fiber reinforced polymer (FRP) cable with smart damper design in long-span cable-stayed bridge. The principles and design consideration of smart dampers were first clarified. Based on the energy principle, the theoretical equations of modal damping were derived for in-plane and out-of-plane vibrations, respectively. The parameters that influence the damping effect were further analyzed. Finally, an example of hybrid basalt and carbon FRP cable with smart dampers was selected to evaluate damping ratio in terms of the equations derived in the paper. The results show that (1) the smart dampers with discontinuous distribution benefit not only static and dynamic behavior of a cable but also optimization of damping; (2) the gap width, bonding, length and modulus of each smart damper can be optimized to obtain maximum of potential damping; (3) an example of smart damper designed hybrid FRP cable demonstrates its effectiveness for mitigating large magnitude of in-plane vibration, while more dominant damping effect is observed for suppressing out-of-plane vibration.     

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。