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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。