自供电MR阻尼器复合减振系统对斜拉索振动控制试验研究

为了提升斜拉索的减振效果,提出了一种基于旋转式电磁能量回收技术的自供电MR阻尼器复合减振系统。其主要由电磁调节式MR阻尼器、能量回收电机(永磁旋转式发电机)以及直线-旋转运动转化机构(滚珠丝杠)等组成,滚珠丝杠将拉索的往复直线运动转化为旋转式发电机转子的正反向转动,发电机回收的振动能量可为MR阻尼器的励磁线圈供电。除MR阻尼器直接耗能外,能量回收电机自身作为电磁阻尼器也参与耗能。模型斜拉索减振试验结果表明:当MR阻尼器与能量回收电机安装在斜拉索相同端时,MR阻尼与电磁阻尼产生耦合、干扰效应,斜拉索减振效果恶化;当MR阻尼器与能量回收电机分别安装在斜拉索不同端时,MR阻尼与电磁阻尼则产生耦合、协同增效作用,斜拉索减振效果将得到提升。MR阻尼器与能量回收电机位置与参数匹配合理的自供电MR阻尼器复合减振系统对斜拉索具有较好的减振效果,可为斜拉索减振提供新技术与方法参考。     

基于振动能量回收的自供电MR阻尼器集成与试验研究

为使磁流变(MR)阻尼器摆脱对外部电源的依赖,基于振动能量回收技术构建了由旋转式永磁直流电机与只需较小能量供给的MR阻尼器集成的自供电MR阻尼器减振系统,测试了能量回收电机的电学性能与自供电MR阻尼器的力学性能,并定性分析了自供电MR阻尼器被动控制的减振机理。结果表明：自供电MR阻尼器可行性强,性能优越,且兼具速度反馈与离复位控制特性。     

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。     

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。     

MR阻尼器在斜拉索被动控制中最优型号研究

以全索全时段振动响应的均方根(RMS)评价MR阻尼器对斜拉索的减振效果.计算结果表明MR阻尼器型号是影响斜拉索减振效果的最主要因素.斜拉索的减振效果在选用合适的MR阻尼器时达到最佳.本文进而研究了MR阻尼器的最优型号与阻尼器安装位置、施加的电压、斜拉索基频(张力、索长、质量)、激励荷载(类型、频率、幅值)等各种因素的关系,为MR阻尼器合理选型提供了优化设计的方法.     

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。     

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。     

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。     

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。     

MR阻尼器半主动控制对拉索减振效果的仿真分析

为控制斜拉索的大幅振动,在Hamilton原理基础上应用Galerkin法建立了斜拉索动力计算模型。采用基于位移和速度方向的半主动控制算法,对某大桥330m长斜拉索和MR阻尼器组成的系统进行了动力分析,以全索全时段振动响应的均方根作为振动控制效果的评价指标。磁流变阻尼器力学关系选用Spencer现象模型。比较了MR阻尼器半主动控制与被动控制对斜拉索前三阶的减振效果,对MR阻尼器耗能机理和半主动控制算法的实用性进行了探讨。同时考察了系统的共振峰频率漂移及滞回曲线形状,提出了理想的粘性可变阻尼器模型。分析表明:基于位移和速度方向半主动控制的算法简单、易于操作、安全可靠且对长索多阶振动模态亦能取得较好的减振效果,优于被动控制。MR阻尼器的制振效果主要来自耗能,调频作用较小。     

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。     

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。     

磁流变阻尼器对斜拉索减振效果的试验研究

采用磁流变阻尼器作为被动控制器件，以钱江三桥南岸154m长的斜拉索为试验对象．通过阶跃激励的方法获得斜拉索振动的自由衰减信号。对采集到的信号进行小波分解、希尔伯特变换识别系统的等效阻尼比。据此来判断磁流变阻尼器在施加不同电压情况下对索前三阶模态振动的减振效果，并与油阻尼器的制振效果进行比较。试验结果表明磁流变阻尼器作为被动控制器件时制振效果明显，优于油阻尼器且控制的频域范围要比油阻尼器的广；当供电失效时也可满足索减振的要求。索的各阶共振峰频率在安装MR阻尼器后发生稍许漂移。     

磁流变阻尼器—斜拉索控制系统中的时滞效应

该文应用磁流变(MR)阻尼器对斜拉索振动进行控制,建立了MR阻尼器——斜拉索控制系统的运动方程,利用Galerkin方法得到时滞动力系统,通过模态分析和线性稳定性分析,得到了时滞作用下的控制系统稳定性条件。研究表明,时滞的存在,影响了斜拉索振动控制系统的效果及结构的稳定性;对于某一确定的控制增益,MR阻尼器——斜拉索系统的控制效果随着时滞的增大而变差。     

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。     

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。     

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。     

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.     

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