超大跨悬索桥地震响应的综合最优控制研究

超大跨缆索支承桥梁通常选择隔震体系以减小桥塔的地震内力,但隔震体系会使得结构在强震下的梁端位移很大,必须采取控制措施以保证整体结构的抗震安全性。本文以主跨1 490 m的润扬悬索桥为研究对象,在对其地震响应特性进行分析的基础上,从振动控制的原理出发,探讨了控制超大跨悬索桥地震响应的具体的措施及参数选择,结合改进的层次分析法提出了地震响应综合最优控制的概念,构造了综合最优控制效果评估模型,并给出了该桥在给定地震输入下的综合最优控制措施。结果表明,对于超大跨悬索桥,在塔、梁间设置弹性连接装置或阻尼器都能减小梁端位移响应,但综合考虑其它部位的响应,阻尼器的减震效果更为全面。     

大跨悬索桥地震响应控制的阻尼器最优布置方法

从地震位移控制的原理出发,根据大跨悬索桥结构地震响应的特点,建立了其地震位移控制效果的3种评估函数,提出了一种基于罚函数和一阶优化原理的阻尼器最优布置方法.以主跨1 490 m的润扬悬索桥为研究对象,基于ANSYS建立了该桥的空间有限元计算模型,采用Combin14单元对阻尼器进行模拟,用以研究大跨悬索桥地震位移控制的阻尼器空间最优布置,并给出了该桥在给定地震输入下阻尼器的最优布置.研究结果表明,对于大跨悬索桥而言,只要阻尼器数目及参数选取合理,按合理方式设置均能有效地控制结构的地震位移响应及减小大多数关键截面的地震力,但采用不同控制效果评估函数得到的阻尼器最优布置方案略有差别.     

大跨桥梁结构地震反应分析及优化阻尼控制

对大跨桥梁结构进行地震反应分析及优化阻尼控制。考虑中间支承的弹性对桥梁结构地震反应的影响,提出在桥墩处设置集中旋转阻尼器,对阻尼参数优化,并给出一种新的旋转摩擦阻尼器的基本构造。采用离散元法将桥梁结构离散为具有n个刚杆且由(n+1)个弹性点元相连接的离散系统,并由Lagrange方程推导离散结构的运动方程。实例分析了一三跨等跨的连续桥梁结构,结果表明中间支承的弹性对地震反应有显著影响,施加优化阻尼控制后,其地震反应显著降低。     

大跨双层斜拉桥地震响应控制

以目前跨度最大的双层公路斜拉桥——闵浦大桥为例,基于Abaqus平台建立非线性动力分析模型,研究了非线性粘滞阻尼器、弹性/非弹性连接对该桥地震响应的减震控制效果.多组非线性时程分析研究表明:塔梁间的非线性粘滞阻尼器增大了下塔柱纵桥向弯矩和剪力,对上塔柱影响较小;阻尼指数一定的情况下,塔底纵桥向剪力和弯矩随阻尼系数的增加而增大.由于大跨斜拉桥的振动模态具有密集、低周期的特点,因而其地震响应受地震输入的影响较大;塔梁间增加弹性/非弹性连接会影响桥梁的纵漂振型,进而影响结构的地震响应,因此塔梁间增加弹性/非弹性连接的减震效果取决于输入地震特性以及塔梁间增加弹性/非弹性连接后的动力特性.文中提出采用非弹性连接参数的联合分布以分析其对地震响应的影响,非弹性的初始刚度和屈服位移联合作用对主梁地震响应的影响较为复杂,文中研究表明,其屈服位移对桥梁地震响应的影响较为明显.     

非规则梁桥横向X形弹塑性阻尼器合理参数分析

提出采用X形弹塑性阻尼器(XSEPD)代替梁桥混凝土挡块,以控制梁体位移,减小下部结构地震反应.对板式橡胶支座(LRB)与X形弹塑性阻尼器的力与位移关系进行分析,并以一座典型非规则梁桥为例,通过参数分析探讨X形弹塑性阻尼器的不同布置方式对桥梁横向地震反应的影响规律.结果表明,通过适当选取X形弹塑性阻尼器的设计参数,可以有效控制墩梁相对位移,并能合理分配高低墩间所承受的地震力.     

自锚式悬索桥粘滞阻尼器减震控制分析

文章以长沙三汊矶湘江大桥为工程背景,基于桥梁地震动方程,建立空间非线性有限元模型,研究粘滞阻尼器参数变化、安装位置对自锚式悬索桥减震效果的影响。计算结果表明：地震作用下主梁和塔顶纵向位移值以及塔底顺桥向弯矩量值均较大,对自锚式悬索桥的设计起控制作用,选择合理的阻尼器参数能够对结构的位移及内力进行有效控制。阻尼器的安装位置对减震效果影响很大,设计过程中应充分考虑不同控制截面内力及位移的变化情况,对阻尼器进行合理设置。     

减隔震装置在飘浮体系斜拉桥纵桥向的应用

以某双塔飘浮体系斜拉桥为工程背景,对比分析了拉索限位器和黏滞阻尼器两种减隔震装置在飘浮体系斜拉桥纵桥向的减震特点,并进一步探讨了拉索限位器和黏滞阻尼器联合使用方式对飘浮体系斜拉桥纵桥向地震响应的影响.结果表明:拉索限位器同黏滞阻尼器相比,可以更有效地控制结构位移,而黏滞阻尼器在内力控制上具有一定的优越性;联合使用方式有助于发挥各自的优势,达到拉索限位器控制梁端位移、黏滞阻尼器改善塔底受力的理想状况,是一种更为经济有效的减震措施,且在脉冲型地震动作用下同样具有良好的减震效果.     

大跨度斜拉桥纵桥向阻尼器减震措施研究

以某座大跨度斜拉桥为研究背景,采用非线性时程分析方法,对在主塔与主梁之间设置纵向阻尼器的减震措施进行研究,分析不同阻尼器参数对结构地震响应的影响规律,确定了一组较合适的阻尼器参数.研究结果表明:设置纵向阻尼器可有效减小大跨度斜拉桥的地震响应,阻尼器参数的选择需综合考虑结构主要构件的内力与位移地震响应变化规律,根据优化目标,进行参数优化分析,以达到理想的减震效果.     

相邻结构减震优化分析

利用阻尼器连接相邻结构可减小结构地震反应,阻尼器参数的确定是减震设计的关键。根据随机振动理论,在白噪声激励下,以相邻结构的自振频率比、质量比为参数,推导了结构位移反应均方值与连接阻尼参数的关系式,分析了相邻结构的地震反应与频率比、质量比以及连接阻尼比的变化规律,从而得到了连接阻尼器的优化设计参数。最后在El Centro波、Taft波及人工波激励下,对比分析了某相邻10层建筑结构有连接和无连接时的地震反应,结果表明粘滞阻尼器连接相邻结构具有较好的减震效果。本文分析方法可供相邻结构减震设计参考。     

上承式拱桥阻尼支撑加固抗震性能分析

针对上承式拱桥抗震加固的工程需要,提出了加设阻尼支撑的减震控制方案,在结构中增加集中阻尼来减小地震响应．通过尼木大桥加固工程中采用加设粘弹性阻尼支撑方案的有限元地震响应分析,表明粘弹性阻尼支撑能够显著减小拱平面内的位移响应,是一种有效的减震控制方案．     

E型滞后阻尼支撑设计研究

E型滞后阻尼支撑是一种应用于桥梁工程的新型耗能抗震支撑,因含有STU锁口装置,在一般承载状态下可实现移动连接,当地震发生时STU会自动锁紧,形成临时固定连接,减小地震对桥梁破坏。文章在应用STU基础上,采用三维设计方法完成了承载200kN及位移达50mmE型滞后阻尼支撑的设计,并对其关键承载部件E型支架进行了有限元分析。     

强震作用下连续梁桥多墩联合半主动控制

为了平均分配连续梁桥各墩的损伤,提出了一种多墩联合半主动控制算法.该控制算法在主动最优控制力的基础上,综合考虑连续梁桥各墩的损伤状态,通过调整阻尼器的目标出力,在主梁加速度和各桥墩的墩顶与主梁间相对位移得到控制的同时,使各桥墩的损伤指数平均分配.本文以一设置了磁流变(MR)阻尼器的3跨连续梁桥为研究对象,采用MATLAB进行数值模拟分析,对所提出的半主动控制算法进行了多种工况下的验证.计算结果表明,采用多墩联合半主动控制算法能够较好地控制桥梁的地震反应,同时有效降低破坏最严重的桥墩在强震过程中的损伤指数,达到各桥墩损伤平均分配的效果.     

钢筋混凝土框-剪结构采用粘弹性阻尼器的减震设计

介绍了9度区钢筋混凝土框－剪结构采用粘弹性消能支撑的设计方案，阐述了粘弹性阻尼器及消能支撑的减震设计步骤，给出了弹塑性地震反应计算方法和主要计算结果，计算表明，结构设置粘弹性阻尼器后，可控8度抗震设防要求设计，结构阻尼比增加5％左右，层间位移和加速度较原结构减小明显，在多遇，罕遇水平地震作用下，能分别满足承载力和变形的要求。     

速度型减震技术在抗震水准提高的改造工程中的应用

福州琅岐岛某酒店公寓楼改造为中学宿舍,抗震设防类别由标准设防(丙类)提升为重点设防类(乙类),采用黏滞阻尼器对其进行抗震加固.对加设黏滞阻尼器模型和传统加固模型进行了罕遇地震下的抗震验算,对结构层间位移角、楼层位移、楼层剪力、地震输入能量分布和结构构件损伤等进行抗震性能分析,以及经济性对比.采用黏滞阻尼器进行抗震加固能有效将位移控制在2～3倍的弹性层间位移角限值,大幅提高结构抗震超强能力,替代主体结构构件耗散50%～60%地震能量,减轻结构构件的损伤.加设阻尼器加固后的结构抗震性能明显优于传统的抗震加固方式,且大幅降低结构在改造加固中的工程造价(降低约30%),可作为类似工程的参考.     

Semi-active control of a cable-stayed bridge under multiple-support excitations

This paper presents a semi-active strategy for seismic protection of a benchmark cable-stayed bridge with consideration of multiple-support excitations. In this control strategy, Magnetorheological (MR) dampers are proposed as control devices, a LQG-clipped-optimal control algorithm is employed. An active control strategy, shown in previous researches to perform well at controlling the benchmark bridge when uniform earthquake motion was assumed, is also used in this study to control this benchmark bridge with consideration of multiple-support excitations. The performance of active control system is compared to that of the presented semi-active control strategy. Because the MR fluid damper is a controllable energy- dissipation device that cannot add mechanical energy to the structural system, the proposed control strategy is fail-safe in that bounded-input, bounded-output stability of the controlled structure is guaranteed. The numerical results demonstrated that the performance of the presented control design is nearly the same as that of the active control system; and that the MR dampers can effectively be used to control seismically excited cable-stayed bridges with multiple-support excitations.     

基于SMA阻尼器的大跨桥梁地震位移控制分析

通过超弹性形状记忆合金(shape memory alloy,简称SMA)拉伸试验研究,建立了SMA四折线本构模型.利用SMA超弹滞回耗能特性,提出一种拉压型SMA阻尼器,并给出其最大输出控制力的计算公式.针对某七跨连续刚构桥,分析了桥梁伸缩缝在无限位器、安装钢棒限位器和安装超弹性SMA阻尼器3种情况下的地震位移.结果表明:安装SMA阻尼器后,伸缩缝处相对位移降低80.3%,中跨跨中水平位移和竖向位移分别降低78.8%和65.9%.因此,SMA阻尼器可以有效控制桥梁结构地震位移,对桥段相对位移的控制效果优于钢棒限位器.     

连接体设置隔震消能部件的连体框架减振分析

对一单轴对称框架结构,通过刚接、铰接以及连接体位置2种不同的隔震消能部件设置方式共4种连接方案,采用快速非线性分析方法(FNA),沿结构X、Y方向输入EI-Centro波,研究连体框架结构在连接方式变化时,结构抗震性能的变化。计算结果表明:连接体位置引入隔震消能部件能大幅减小结构在地震作用下的地震响应,提高结构的抗震性能。其中在连接体端部设置双向橡胶隔震支座与阻尼器的"柔性"连接,效果尤为显著。     

附加阻尼器对超大跨度斜拉桥的减震效果

基于流体粘滞阻尼器自身的力学特性，分析了附加流体粘滞阻尼器对超大跨度斜拉桥的减震效果，着重分析了阻尼器参数、输入地震动特性（加速度峰值和频谱特性）对减震效果的影响．结果表明，流体粘滞阻尼器能显著地减小梁端纵向位移，减震效果取决于阻尼器参数，并对地震动特性很敏感．     

超大跨度悬索桥涡激振动响应与振动控制

超大跨度钢箱梁悬索桥的结构阻尼和刚度较小,其竖向模态频率低且密集,随风速变化加劲梁可能先后发生多次涡激振动。首先针对某超大跨度悬索桥,进行有限元建模和动力分析。为研究悬索桥多模态涡激振动响应机理和有效抑振措施,^{在忽略气动刚度和气动阻尼影响时,}通过简化Scanlan^{经验非线性涡激力数学模型得到简谐涡激力数学模型。然后以各竖向模态涡振最大位移响应为优化目标,基于液体黏滞阻尼器参数敏感性分析和}TMD参数优化设计方法,分别确定阻尼器参数和TMD参数。最后探讨了黏滞阻尼器耗能系统控制悬索桥多阶竖向模态涡振的可行性,详细分析了TMD系统控制涡激振动的效果。结果表明：在塔梁间设置黏滞阻尼器对各竖向模态主要起振区域的涡振位移控制效果不理想;TMD系统能有效抑制常遇风速范围内加劲梁的多阶竖向模态涡振响应,将最大振幅严格控制在容许值以内,提高了加劲梁抵抗涡振变形的能力。     

大跨连续梁桥纵向减震机理和减震效果分析

基于一座实际大跨度连续梁桥,分析比较了采用动力锁定装置、黏滞阻尼器和双曲面减隔震支座的减震机理和减震效果,讨论了这些减震装置的适用范围.结果表明:动力锁定装置不耗散地震能量,在活动墩处设置该装置,可以合理分配梁体的地震惯性力,但同时结构周期减小,可能增加梁体总的惯性力;黏滞阻尼器不改变结构的周期、振型等动力特性,主要通过阻尼力消耗地震能量,减小结构动力反应;采用双曲面减隔震支座后结构的周期延长,阻尼耗能能力增加,相对于基准模型,显著减小了固定墩的内力,但同时增加了活动墩墩梁相对位移.