桥面激励下斜拉索动态响应特性及其减振研究

斜拉索振动及其控制是近年来科学界和工程界热点的研究领域之一。其核心的难点问题是如何建立准确而实用的斜拉索振动分析模型以及如何应用建立的理论模型进行斜拉索减振的理论分析及工程实践。本项目申请在国内外现有的研究基础上，围绕桥面激励下斜拉索动力学响应和振动控制交叉领域的科学问题，结合现代控制原理及实验技术，研究斜拉索减振的控制策略及其参数优化问题，确定描述动态响应的相关参数与拉索初始条件之间的定量关系，建立基于动态响应的实用斜拉桥拉索设计及参数优化模型；并采用目前广泛应用的MR阻尼器，将现代控制理论和模型实验结合进行桥面激励下斜拉索-阻尼器耦合动力学的研究，开展全面考虑斜拉桥桥面-拉索系统耦合振动的减振研究，建立适于工程应用的桥面激励下斜拉索振动控制理论模型；同时探索桥面激励下TMD-MR系统在斜拉索减振中的应用。本项目的研究成果具有重要的科学意义和工程实用价值。

本项目在国内外现有的研究基础上，围绕桥面-拉索-阻尼器动力特性问题，研究斜拉索减振的控制策略及其参数优化方法，确定描述拉索动力特性的相关参数与初始条件之间的定量关系，为斜拉索减振的具体实施提供了理论依据，主要取得以下成果：.(1) 建立了基于Hamilton原理的拉索动力特性方程，采用三节点二次等参单元来描述拉索运动单元，对拉索动力特性进行了求解和分析，利用推导的拉索有限元模型，分析工程中常见的索缆支撑结构拉索设计参数与固有模态的关系；.(2) 研究直接激励下的斜拉索-阻尼器减振模型。结果表明，外部阻尼器的刚度非理想特性对系统模态阻尼影响显著，阻尼器阻尼系数的优化值随外部阻尼器内刚度值的增加而增大，对应的系统最大模态阻尼比则随着阻尼器内刚度的增加逐渐减小；.(3) 研究了调谐质量阻尼器(TMD)在斜拉桥拉索减振中的应用，采用数值方法求得系统阻尼器最优设计参数和最大模态阻尼比的近似解。结果表明，斜拉索振动的TMD减振策略能有效克服常用的阻尼器安装位置在拉索端部的局限。新的TMD设计参数优化方法同时考虑了系统刚度，质量，阻尼等参数对减振系统模态阻尼比的影响，是适合工程应用的斜拉索减振模型；.(4) 研究了桥面间接激励下的斜拉索响应特性。结果表明，由于通常情况下容易发生大幅振动的拉索倾角较小，拉索受到的强迫激励的幅值比同时受到的参数激励的幅值大，发生桥面间接激励下拉索的强迫共振是不能忽视的斜拉索有害振动；.(5) 在全桥系统中，当单一拉索的自振频率与斜拉桥整体的低阶自振频率的之比落在某些区域时，将发生严重的强迫共振现象，从而导致拉索的大幅共振；.(6) 在地震作用下，斜拉桥桥面的响应时程曲线是以低频率成分为主的，容易引起拉索的大幅强迫振动，影响桥梁的安全，而在借助外部减振设施的情况下，提高系统的模态阻尼比能显著减少振幅放大；.(7) 提出了考虑桥面运动的斜拉索减振设计方法。针对桥面-斜拉索-阻尼器耦合振动的问题，基于几何位移关系修正现有的理论模型，推导更为合理的计及阻尼器耦合振动的桥面激励下斜拉索减振分析方法，并采用复模态分析方法对拉索-阻尼器系统的模态阻尼特性进行了数值分析。