弹簧摆碰撞减震系统计算模型研究

目的为了减小高柔结构在地震作用下的动力响应,提出了弹簧摆碰撞减震系统,以降低高柔结构在地震作用的动力响应.方法基于拉格朗日方程及HertzDamp碰撞模型推导了弹簧摆碰撞减震系统的运动方程;选取El Centro地震波验证了弹簧摆碰撞减震系统的减震效果;分析了地震强度对减震效果的影响.结果弹簧摆碰撞减震系统减震效果受地震强度影响,地震动烈度越大减震效果越好.在弹簧摆未与限位器发生碰撞时,阻尼器依靠弹簧振动与整体摆动的内共振现象增强吸震效果;在弹簧摆与限位器发生碰撞时,依靠撞击耗能来降低结构动力响应.在中震作用下,弹簧摆碰撞减震系统减震率为13%~19%.结论弹簧摆碰撞减震系统充分利用了弹簧摆的内共振现象及碰撞冲力做功耗能两种减震机理,减震效果良好,适用于超高层结构及高耸结构的振动控制.     

考虑SSI效应的输电塔-线耦合系统抗震可靠度分析

为研究输电塔在土结相互作用（Soil Structure Interactions， SSI）和塔-线耦合作用影响下的抗震可靠度，提出了考虑SSI效应的输电塔-线耦合系统抗震可靠度分析方法. 建立考虑SSI效应的输电塔-线耦合系统简化力学模型，推导其在随机地震作用下的运动方程. 基于随机函数-谱表示方法模拟随机地震动加速度时程，对耦合系统进行随机地震动力响应分析. 以基于GF-偏差点集的样本分数矩最大熵法估计随机地震响应极值分布，并求解耦合系统抗震可靠度. 选取工程中某特高压输电塔-线体系作为研究对象，对本文方法的有效性进行验证. 结果表明，当塔底地基土为软弱土时，考虑SSI效应后，塔顶位移响应极值增大约46.59%，加速度响应极值增大约17.43%，结构失效概率增加约70.32%. 考虑塔-线耦合作用后，塔顶位移响应极值减小约0.51%，加速度响应极值增大约1.74%，结构失效概率减小约15.71%. 对于考虑SSI效应的输电塔-线耦合系统，塔底地基土越软，塔顶位移与加速度响应极值越大. 与蒙特卡洛法相比，本文方法求解的结构失效概率最大误差仅为9.97%，具有较高的精度和计算效率.     

输电塔-线体系振动控制研究进展

目的综述振动控制技术在输电塔-线体系减振方面的研究进展,并对未来研究方向提供建议.方法搜集整理了近来输电塔-线体系振动控制方面的研究成果,按照被动控制、主动控制和半主动控制3个方面,详细介绍了各类阻尼器的研究方法及减振效果,并针对现有研究的难点及不足提出了建议.结果被动、主动及半主动控制技术均可有效降低输电塔-线体系的动力响应,目前研究主要采用数值分析的方法验证各类阻尼器的减振效果,参数优化研究较少,试验验证及工程应用较少.结论被动控制技术中的吸振和消能减振技术无需能量输入、安装维护方便,更适用于输电塔-线体系.     

大跨越输电塔线体系风振控制新策略

为了抑制输电塔线体系的风振并考虑体系动力特性存在的不确定性,基于多目标优化理论设计了鲁棒H2/H∞控制器.运用达朗贝尔原理建立了输电塔线耦合体系平面内外振动的受控运动方程,在状态方程的摄动矩阵中引入塔线体系模型的不确定性,运用MATLAB的线性矩阵不等式(LMI)工具箱设计了鲁棒H2/H∞的输出反馈控制策略,并结合改进的限幅最优(MCO)控制算法设计了H2/H∞_MCO半主动控制器.以汶河-青云大跨越输电塔线体系为工程背景,分别对其进行在无控制、调谐质量阻尼器+黏弹性阻尼器(TMD+VED)控制、铅芯橡胶阻尼器(LRD)控制、固定增量(FI)控制和H2/H∞_MCO控制下的风振响应数值计算.结果表明:H2/H∞_MCO控制策略对输电塔的位移、加速度和塔底内力的峰值和均方差的减振效果比TMD+VED、LRD及FI控制策略的都要显著.     

考虑桩-土-结构相互作用的输电塔-线体系风振响应及减振控制

为研究风荷载作用下考虑土与结构相互作用(soil-structure interaction, SSI)对输电塔-线体系的动力响应与减振控制的影响。根据实际工程,建立输电塔-线体系模型和桩-土-输电塔-线体系模型,然后分别对软土条件下考虑SSI效应的输电塔-线体系和刚性地基的输电塔-线体系进行风振响应分析。将多个粘滞阻尼器安装在考虑SSI效应的输电塔上,对输电塔风致振动进行控制。研究结果表明：考虑SSI效应后,输电塔的位移响应明显增大,其中塔身代表节点的位移最大值、均方根值分别增大64.73%、79.09%,塔身和塔腿的轴力响应减小。阻尼系数相同时,速度指数为0.3的阻尼器对输电塔风振控制效果最好。速度指数相同时,阻尼系数越大塔顶位移响应和塔身单元的轴力响应越小。速度指数为0.3,阻尼系数低于30 000 kN·(s/m)^0.3时,不同阻尼系数的阻尼器对塔顶节点的位移控制效果差距明显,阻尼系数小于15 000 kN·(s/m)^0.3时,不同阻尼系数的阻尼器对塔身单元的轴力控制效果差距明显。     

输电塔线体系动力特性及风振响应分析

基于110 kV高压输电塔项目,建立了输电塔线体系有限元模型,并验证了输电线有限元模型的准确性.对单塔及塔线体系的动力特性进行分析,分析表明,塔线体系平面外振动耦合效应大于平面内.以谐波叠加法对输电塔线体系风载荷时程进行了数值模拟,对单塔和塔线体系的风振响应进行了时域分析.结果表明,输电塔和输电线风振响应均以一阶振型为主.塔线体系塔顶位移响应均方根值在0°风向角下是单塔的1. 73倍,而90°风向角情况下是单塔的4. 95倍.90°风向角情况下塔线体系塔顶位移背景响应分量增加较大,塔线耦合效应大于0°风向角情况.输电塔和输电线的平面内耦合效应通过输电线端部动张力差实现.输电塔塔身第2层主材所受应力大于其他各层,是倒塌破坏的危险位置.     

大跨越高压输电塔线体系风致振动的研究与进展

通过对大跨越高压输电塔线体系风致振动近20年来国内外研究成果的总结,阐述了高压输电塔线体系在风荷载下结构振动特性研究的发展历程.首先简要介绍了高压输电塔线体系风致振动的研究内容和现状,然后从风致振动的研究对象、风致振动的机理和风致振动的分析方法3个方面,分别探讨了高压输电塔线体系风致振动研究发展的现状和所面临的问题,最后对塔线体系风致振动研究的未来趋势进行了展望.     

输电塔线耦合体系的风振疲劳时域分析

风荷载作用下的输电塔线结构属于非线性耦合振动体系,自然风的脉动分量使体系中的构件处于交替受力状态,从而可能导致构件的疲劳破坏.文中以某直流线路的一段塔线体系为例,提出了输电塔线体系的风振疲劳时域分析方法;采用AR模型产生了随机风场,对输电塔线耦合体系进行了非线性风振时程分析;建立了考虑风向和风速分布等因素影响的疲劳累积损伤计算公式;确定了输电塔结构中疲劳损伤的关键部位,针对关键部位进行了应力分析,并采用线性累积损伤理论对构件的风振疲劳寿命进行了评估.结果表明,文中提出的时域分析方法可有效估算输电塔结构在风振作用下的剩余寿命.     

风浪流耦合作用下跨海斜拉桥减振措施

为减小施工期间风浪流耦合作用下跨海大跨度桥梁的不利振动，提出了多种结构性减振措施，针对主跨720m三塔斜拉桥最不利施工状态，开展了波浪作用和风浪流耦合作用下桥梁动力响应分析，对比了不同减振措施的减振效果，分析了减振措施相关参数对其减振性能的影响规律。结果表明：针对可引发共振的规则波浪作用，采用“合龙前梁端连接临时钢索”的减振措施可以有效减小主梁端部竖向位移和塔梁交接处的塔柱横向弯矩，减振率分别为61.1%和30.2%；针对风浪流耦合作用，采用“钢箱梁横桥向倾斜设置临时钢索”的减振措施可以有效抑制主梁端部的竖向位移、横向位移和塔梁交接处箱梁横向弯矩，减振率分别为38.9%、15.1%和49.4%，且钢索设置较小的倾斜角度，减振效果更好。研究成果为风浪流耦合作用下跨海大跨度斜拉桥的减振措施设计提供了有益参考。     

基于新型压电摩擦阻尼器的高压输电塔半主动抗震控制

基于笔者开发的以压电陶瓷管状驱动器为核心元件的新型压电摩擦阻尼器,利用ANSYS软件对高压输电塔进行有限元建模,并通过超单元法与MATLAB编程相结合的方法提取输电塔结构的整体刚度矩阵、质量矩阵、阻尼矩阵。利用MATLAB编制了LQR最优控制策略、最优Bang-Bang半主动控制策略的相关程序,并利用SIMULINK仿真工具箱将二者结合构成适于高压输电塔结构的半主动控制系统。利用所提出的压电摩擦阻尼器及所编制的半主动控制系统,对输电塔进行了EL-Centro地震作用下的振动控制。结果表明,该阻尼器及半主动控制系统能够有效地控制输电塔的地震响应且平均控制效果系数达25%。     

悬臂梁质量摆杆结构一阶模态减振控制分析

为了分析悬挂小球和摆杆对悬臂梁一阶模态振动的减振效果,采用Hamilton原理建立了悬臂梁质量摆杆减振结构的动力学模型.小球通过摆杆与支架连接,支架放置在悬臂梁顶端,以小球和摆杆的质量为分析参数,进行了一阶模态的减振控制分析.理论分析表明,当悬臂梁作一阶模态振动时,质量摆杆结构起到了很好的减振效果,并且小球起主要的减振作用.     

变高差特高压直流输电塔线体系的地震响应分析

为探究高差对特高压直流输电线路的地震响应影响,分别建立了高差为40、-40 m和无高差的三种塔线体系模型,采用有限元软件进行地震动模拟,对比分析了不同塔线体系模型的响应特征。研究结果表明,地震动多维激励或考虑行波效应作用时,有高差变化的输电塔较无高差变化的输电塔地震响应,其主材单元的轴力最值分别平均增加7.62%和6.79%,其节点顺线路方向位移随时间的变化规律有所改变。因此对于途径山地丘陵的特高压直流输电线路,考虑高差的影响有助于获得更贴近实际的地震响应结果。     

滑坡区输电塔线体系抗变形能力及动力响应分析

滑坡区输电线路由于风荷载作用产生的附加内力,承受地表变形能力大幅降低,极易发生断线、倒塔等事故,因此对输电塔线体系在风荷载和地表变形作用下进行安全性研究具有重要意义。以滑坡区某220 kV输电线路为研究对象,建立两塔三线体系有限元模型,并通过Kaimal谱和线性滤波法建立风荷载模型,对输电塔线体系在无风工况下的抗变形能力和设计风速工况下的动力响应进行分析。结果表明,在无风工况下,塔腿的沉降变形对输电塔线体系的影响最严重,铁塔发生屈服的杆件主要位于塔脚点、第一横隔材与斜材连接点以及第一横隔材与主材连接点;在设计风速条件下,塔线体系大部分工况仅能承受正常无风工况下的塔腿变形的60%～80%,垂直于线路方向的双腿沉降工况抗变形能力下降得最严重,仅能承受正常工况的30%,同时,塔线体系导、地线的应力以及塔头的位移均会在动力响应达到峰值时超限,从而导致塔线结构失效。     

结构顶部TMD系统采用隔震部件的减震研究

根据工程结构风振控制中应用较多的调谐阻尼减振机理，以地震作用下的减震控制为目的，提出在顸部TMD系统中采用隔震部件的方法，利用橡胶支座提供恢复力、利用滑动摩擦支座提供阻尼消能，以适应局部大变形要求。进一步对该体系在地震反应控制中的吸震效果进行了理论研究和编程计算分析，其中调谐减振子结构采用小比例附加质量。结果表明，该体系对地面地震动反应具有一定的减震效果，当TMD系统的基本周期接近某个模态周期时，调谐部分吸收地震能量较大，对主体结构具有较好的减震效果。特别当主体结构较规则、其地震反应是以基本振型反应为主的窄频反应时，减震效果更好。这些结果对结构调谐减震研究和应用具有一定意义。     

不同加载方式对输电铁塔风致响应的影响

为了评估高压输电塔线体系在强风作用下的安全性能，采用数值模拟方法研究不同建模思路对杆塔力学性能的影响。首先，采用ABAQUS软件建立了500 kV输电线路“一塔两档线”的有限元模型，并利用Kaimal谱模拟随机风速。然后分别建立塔线分离、塔线耦合动力加载方式和等效静力加载方式三种风致响应模型，研究典型工况下不同加载方式对杆塔力学性能的影响。结果显示，三种模型得到的危险区域均一致，只是最大数值稍有差异。塔线耦合效应会使杆塔的应力、位移响应波动频繁，采用动力学加载的结果数值均大于等效静力加载，但等效静载模型计算效率最高，可作为后续杆塔轴力计算和螺栓松动研究的优先选择。     

高压输电塔线体系风致非线性振动气弹模型风洞试验

基于边界层风洞气弹模型试验的方法,对高压输电塔线耦联体系的风振响应进行了试验研究,首次在风洞中重现了输电塔线体系倒塔破坏现象.研究表明:在紊流风场中,高压输电塔线体系的风致振动呈现较强的非线性振动特征,随风速增加,非线性振动程度加剧,且输电塔结构振动呈现出混沌振动特征;由于输电线与绝缘子振动的影响,塔线体系中输电塔高阶模态的振动非常显著,且随风速增加,高阶模态的能量甚至强于低阶模态的能量;导地线与绝缘子对输电塔结构的影响随风速增加而增强.塔线体系的风振响应计算需考虑高阶模态的影响.结构设计时,需合理考虑大风时导地线与绝缘子的非线性振动对输电塔的影响.     

大跨越输电塔线体系风振控制风洞试验

以建设中的500 kV江阴大跨越输电塔为工程背景,通过气弹模型风洞试验,对大跨越输电塔线体系风振控制进行了研究。设计了悬挂水箱质量摆、阻尼棒质量摆及二者组合控制等3种控制方案,进行了塔线体系有无控制装置的动力特性测试和紊流场多种风速下风振响应试验。通过模型的阻尼比和风振响应方差分析,验证了振动控制的有效性,为实际工程风振控制设计提供了依据。     

自锚式悬索桥地震响应及减震控制分析

以长沙三汊矶湘江大桥为研究对象,对自锚式悬索桥的动力特性、地震响应及粘滞阻尼器的减震效果进行分析.基于结构非一致激励地震动方程,建立空间非线性有限元模型,探讨一致输入、行波输入下结构的地震响应.分别以主梁纵向位移、塔底内力为控制目标,研究粘滞阻尼器参数变化对结构减震效果的影响.计算结果表明:地震作用下塔底顺桥向弯矩达117.492 MN·m,对自锚式悬索桥的设计起控制作用;行波效应使得主梁跨中横向位移增大90%,横向弯矩减小60%;结构纵向位移及塔底内力在考虑行波效应后减小10%左右,安装参数合理的阻尼器使主梁纵向位移减小83%,塔底纵向弯矩减小62%,达到良好的减震效果.     

摩擦摆支座对高速列车-简支梁桥耦合系统的减隔震分析

为研究摩擦摆支座(FPB)对地震下高速列车-简支梁桥耦合系统的减隔震作用,基于ANSYS和SIMPACK平台,建立了高速列车-多跨简支梁桥耦合系统的三维有限元模型.模型中采用104~#力元模拟FPB,将轨道不平顺和地震力作为耦合系统的激励,开展了FPB对地震荷载下车-简支梁桥耦合系统的减隔震研究.结果表明,在El Centro地震波作用下,车-桥系统的动力响应随着车速、地震强度、墩高度的增大而增大.地震强度小于0.12g时,FPB能减小车-桥系统除墩顶横向加速度以外的其他动力响应,车速越大、墩身越高, FPB的减振效果越显著;地震强度大于0.12g时,FPB会增大车桥系统的动力响应.建议在高速铁路简支梁桥减隔震设计中,墩高不宜超过16 m,摩擦摆支座的参数应根据具体桥梁进行选择.     

集成型碰撞调谐质量阻尼器(P-TMD)振动台试验研究

针对传统调谐质量阻尼器(TMD)质量过大难以安装,对频率较为敏感的固有缺陷,碰撞调谐质量阻尼器(P-TMD)将碰撞耗能与传统的TMD相结合以增大装置耗能。在前期的数值模拟研究中,P-TMD在地震激励下展现了比TMD更好的控制效果及控制稳定性。根据P-TMD的数值模型设计制作了一个用于水平向减振的集成P-TMD装置原型,并将装置安装于一柔性框架结构进行了地震激励下的减振试验。试验结果验证了P-TMD在不同地震激励下都可以对结构响应进行有效控制,控制效果相对稳定;特别对加速度峰值和均方根值的控制效果可达40%以上,相比TMD控制的效果提升明显。本文结果可以为今后P-TMD的进一步研究和应用提供必要的试验支持。