基于惯性力的大跨度斜拉桥拉索高阶多模态振动控制研究

As the bridge span increases, vibration of stay cables presents the high order multi-modal characteristics. Dynamic characteristics of control force then become a vital impact on the vibration mitigation of stay cables in cable-stayed bridge with long span. Due to its low working frequency and dependence on displacement and velocity, traditional dampers cannot control high order multi-modal vibration of stay cables effectively. Focusing on this problem, this project will study the control device which is relative to acceleration to produce high frequency control force and its control mechanism and law for mitigating high order multi-modal vibration of stay cables. Firstly, semi-active smart inerter with amplifying inertial force mechanism based on magnetorheological fluid will be proposed and its mechanical model will be established. The frequency characteristics of the control force will be analyzed. Then, the theory of the inertial force for controlling stay cables will be investigated. Motion equation of the system will be established. Dynamic characteristics of the system will be analyzed to reveal the control mechanism of inertial force with high frequency for high order multi-modal vibration of stay cables. The optimal semi-active algorithm based on the inertial force will be established. Lastly, numerical simulation and model experiment will be carried out to verify the effectiveness of the proposed inerter and its control algorithm. Design method for high order multi-modal vibration of stay cables based on inertial force will be proposed. The research will systematically reveal the mechanism of inertial force for controlling the high order multi-modal vibration of stay cables, and develop a smart inerter and its control theory and method. Therefore, the investigation of this project has both the vital scientific significance and application values.

随着桥梁跨度的增加，拉索振动呈现出高阶多模态特征。控制力动力特性成为影响大跨度斜拉桥拉索振动控制效果的关键因素。针对传统阻尼器工作频率低且依赖位移速度而无法有效控制拉索高阶多模态振动的问题，本项目研究与加速度相关而能实现高频控制力的惯性力装置及其控制拉索高阶多模态振动的机理与规律。首先基于磁流变液流变机理，研究放大惯性力的智能惯容器，建立力学模型，分析半主动控制力频率特性；其次，研究基于惯性力的拉索高阶多模态振动控制理论，建立系统动力学模型，分析系统动力特性，揭示高频惯性力对拉索高阶多模态振动的控制机理，研究基于惯性力的半主动最优控制算法；最后，通过数值模拟和模型试验，验证智能惯容器及算法的有效性，提出基于高频惯性力的振动控制设计方法。本研究将系统揭示基于惯性力的拉索高阶多模态振动控制机理，发展智能惯容器及其拉索控制理论与方法，对保障大跨度桥梁拉索安全具有重要的科学意义和实用价值。

大跨度斜拉桥和悬索桥是交通网络的关键节点。随着桥梁跨度的增加，拉/吊索等承重索缆结构愈加轻柔，在风等外部荷载作用下，极易发生不同机理振动，特别是高阶多模态振动，严重影响桥梁的正常运营，甚至威胁桥梁的结构安全。而传统阻尼器工作频率低，依赖位移速度产生控制力，无法有效针对拉索的高阶多模态振动。而惯性力与加速度直接相关能够实现高频控制力，为控制拉索高阶多模态振动提供了可能。本项目从惯性力的角度出发，首先研究了现场实测下大跨度桥梁拉索的振动特性，考虑长期服役下液体泄露造成的阻尼力损失，分析在役阻尼系统对拉索高阶振动的控制效果；其次，针对传统阻尼器无法产生高频控制力的局限，提出了基于滚珠丝杠力学放大机制和磁流变液的半主动惯性装置，发展了二者的结合与调控方法，分析了惯性装置的出力性能，从时域和频域验证惯性力对结构的作用特性与机理；再次，建立惯性装置-拉索高阶振动的系统动力学模型，探究了惯性力对拉索动力特性的影响机理，考虑到惯性力随着频率变化而呈现不同负刚度的特性，系统分析了负刚度耦联临近拉索后系统的振型、频率和阻尼比的变化规律；然后，针对传统阻尼装置无法给拉索高阶模态附加足够阻尼的缺陷，并考虑到半主动惯性装置呈现负刚度的力学特性，提出了柔性支撑-被动负刚度阻尼器的优化控制方法，发现了与振动模态无关的最优支撑刚度，并发展了拉索多模态振动下阻尼参数的优化设计方法；最后，进一步提出了拉索高阶多模态振动的局域共振波动控制方法，引入负刚度元件耦联内外质点拓展了系统的频率带隙，为发展宽频谱高性能的减振方法提供基础，考虑到吊索的构造特点，提出了适用于吊索的内部附加惯性力装置调谐质量阻尼器的减振架。本项目系统研究了基于惯性力的拉索高阶多模态振动的减振装置、理论和方法，对保障大跨度桥梁索缆结构安全具有重要的科学意义和工程价值。