斜拉索-辅助索-索端阻尼器系统的减振机理与参数优化设计研究

It is widely recognized that damper and cross-ties could not well mitigate super-long stay cable vibration separately. This project will study the mechanism and parameter optimization of hybrid application of damper and cross-ties for cable vibration mitigation. Complex modal analysis, cable model experiment and numerical simulation are combined used in this study. Firstly, the complex cable nets system with cross-ties fixed on bridge girder was studied by semi-analytical and semi-numerical modal analysis method to get the recurrence relation of characteristic equation and modal evolution principle. Then the complex characteristic equation and modal evolution principle was further developed for the high-damping cable nets system with near-support dampers, and the closed form solution of lower order modal damping was also derived. Secondly, the model experiment was carried out to verify the analytical results. Thirdly, Finite Element Method together with Galerkin method to simulate the vibration response for the cable nets with and without near-support dampers, the mitigation mechanism of the hybrid application of damper and cross-ties was revealed by comparison with the difference between the responses. Based on the above studies, parameter optimization for hybrid scheme design of stay cable vibration mitigation of a super long cable stayed bridge was given lastly. This work will be the foundation work of hybrid application of dampers and cross-ties for cable vibration mitigation of cable-supported bridges, and it has wide application perspective in the future.

单一的索端阻尼器和辅助索减振措施难以很好的解决超长斜拉索的振动问题。本项目将结合复模态分析方法、模型实验和数值模拟方法，研究混合辅助索和索端阻尼器装置的减振机理和参数优化设计。首先通过半解析半数值的模态分析方法，研究辅助索支撑于桥面时复杂索网系统特征值方程的递推方法及模态演变规律；进一步考虑附加索端阻尼器的高阻尼索网系统复特征值方程的递推关系及模态演变规律，并得到其低阶模态阻尼比的近似计算公式。其次进行高阻尼索网模型的减振实验以验证上述理论分析方法的正确性及有效性。再次分别基于有限元方法和伽辽金方法模拟分析高阻尼索网系统在正弦激励和非线性气动力激励下的振动响应，揭示混合减振措施的工作机理。最终以一座大跨斜拉桥的拉索减振为工程背景，进行混合减振措施的方案优化设计。本项目研究成果可望为大跨缆索承重桥梁拉索构件混合辅助索和索端阻尼器减振措施的优化设计提供理论依据和方法，具有广阔的应用前景。

仅采用索端阻尼器或辅助索减振措施难以很好地解决超长拉索的振动问题，本项目采用复模态分析方法、模型试验和数值方法，研究了辅助索和索端阻尼器混合减振措施的减振机理及参数优化设计方法。附加辅助索后，索网系统会出现某（几）个索段振动为主的局部振动模态，根据被辅助索隔开的各索段无量纲化的振动能量，提出了索网振动能量在各索段分布的离散性指标以区分索网的振动模态，该指标在0和1之间，趋近于0表明系统振动模态趋近于整体振动模态，该指标越趋近于1则表明系统振动模态趋近于局部振动模态，以单根辅助索连接的双索系统为例，该指标大于0.5时系统振动模态趋近于局部模态。其次，提出了阻尼参数的多模态优化设计方法，该方法将各阶模态阻尼比的均值与方差的差值最大化，最大限度地使得各阶的模态阻尼比接近，离散化程度最低，各阶能同时取得最佳的减振效果。同时，研究发现在索端阻尼器附近位置的集中质量可通过放大阻尼器安装位置处拉索的振幅以显著增加拉索的模态阻尼比，集中质量对阻尼器最优阻尼系数具有调节作用。采用形状记忆合金(SMA)绞线作为阻尼型辅助索，进行了SMA绞线超弹性功能疲劳和结构疲劳试验研究。进行了附加阻尼型辅助索及附加阻尼器和辅助索混合减振措施的模型索网减振试验，实验结果表明附加阻尼型辅助索或同时附加阻尼器和辅助索可明显提高系统的振动频率和模态阻尼比。最后，对苏通大桥超长斜拉索仅采用阻尼器、同时采用辅助索和索端阻尼器混合减振措施前后各2个月的实测加速度进行了分析，表明同时采用阻尼器和辅助索混合减振措施相较于仅采用阻尼器拉索的振动加速度极值显著减小，模态阻尼比也有一定的提升。本项目的研究成果为辅助索和索端阻尼器混合减振措施应用于超长拉索减振提供了理论依据和优化设计方法，后续将针对苏通大桥实桥试验应用案例进一步进行深入的研究分析。