自适应主动控制面桥梁风振控制理论与方法

桥梁风工程研究多采用固定构造形态和安装位置的被动气动措施，难于缓解超大桥梁跨径增长面临的服役期内满足综合使用和安全性能要求的发展趋势。本项研究针对典型箱形桥梁主梁断面，研发并应用具有实时反馈机制的自适应主动控制面气动措施，采用同步动态气动力测试和联合时、频分析方法，分析桥梁主梁结构风激振动（颤振和涡振）荷载及其响应的演变规律，探讨主动控制面抑振作用机理。该项研究将为建立基于主动气动措施控制的桥梁抗风设计理论与方法奠定基础。主要内容如下：(1)研发具备自适应反馈机制的主动气动措施试验装置，优化设计控制面的安装位置，并在物理风洞试验中验证其有效性；(2)探讨典型主梁-控制面系统风激气动力及其响应的时、频相关性，再现复杂气动力的时空分布演变规律；(3)建立基于结构主动气动措施控制面理论的荷载干扰数学模型及其实用算法；(4)建立考虑主梁-控制面系统一体化的气动力参数识别和优化算法。

桥梁风工程研究多采用固定构造形态和安装位置的被动气动措施，难于缓解超大桥梁跨径增长面临的服役期内满足综合使用和安全性能要求的发展趋势。本项研究应用具有实时反馈机制的自适应主动控制面气动措施，分析桥梁主梁结构风激振动（颤振和涡振）荷载及其响应的演变规律，探讨主动控制面抑振作用机理。主要研究内容如下：.(1) 自激力和抖振力的状态空间模型及其时频响应特性分析：通过对气动导数和气动导纳的有理函数近似，实现了自激力和抖振力的状态空间表达，在操作层面上对自激力和抖振力状态空间模型的计算精度和计算技巧进行了全面探讨。通过讨论自激力状态空间模型中气动状态的性质，解决了由于气动状态初始条件未知带来的自激力初始模拟失真的现象，以具有理想平板断面的两自由度节段模型为例检验了自激力和抖振力状态空间模型的适用性。.(2) 主动控制面最优主动控制研究：通过风洞试验和理论分析，建立并验证了主动控制面系统的气动力模型及其颤振和涡振控制方程，编制了相应计算程序并进行了程序验证。以一座主跨3000m的悬索桥为工程背景，讨论了主动控制面系统的颤振和涡振控制效果，系统输出状态的个数对主动控制面控制效果的影响，用于颤振主动控制的结构颤振参与模态选择的方法，控制面沿桥跨的布置长度以及作动器个数等三维因素对其颤振和涡振控制效果的影响。.(3) 主动控制面运动参数鲁棒性分析：预先假设主动控制面的运动状态，基于运动合成原理将主动控制面的运动表达为主梁运动的函数，并基于主动控制和主梁运动互不干扰彼此周围流场的假定，控制面-主梁系统的自激力统一可表达为主动控制面运动参数的函数，继而实现对主动控制面最优运动参数鲁棒性的研究。.(4) 主动控制面颤振和涡振开环控制风洞试验研究：使用单片机控制以数字信号为输入的作为作动器的舵机(伺服电机)，并使用自主开发软件实现计算机(上位机)与单片机之间控制指令的交互传输，以完成对控制面振动频率、相位以及振幅的精确控制。通过风洞试验研究了开环控制下主动控制面扭转振动的频率和相位对其颤振和涡振控制效果的影响，检验了本文主动控制面系统气动力模型的正确性。