基于SMA阻尼器的长拉索系统振动控制研究

 基于形状记忆合金（SMA）的超弹性性能开展了以下研究：①设计研制了一种拉压型SMA 阻尼器,并通过试验得到了SMA 阻尼器的特征参数,进一步研究了SMA 阻尼器初应变、加载位移行程与阻尼器等效刚度、等效阻尼比以及耗能能力间的关系;②根据Hamilton原理,推导了SMA阻尼器 长拉索系统的非线性振动微分方程,并通过试验验证了理论推导的正确性;③研究了自由振动下SMA阻尼器对长拉索位移以及加速度响应的影响。研究结果表明,SMA 阻尼器对长拉索具有明显的减振效果,可以有效减少拉索的振动位移以及加速度幅值,大幅度提高了长拉索振动衰减速度。     

风雨激振时拉索响应、升力及水膜形态研究

风雨激振涉及到气、液、固3种相态的相互耦合作用,在数值模拟方面存在困难.在水膜形态与拉索振动双向耦合方程的基础上,应用有限差分法求解;在保证精度的前提下,提高增量步长,大幅减少计算时间;应用有限元软件COMSOL求解随时间变化的风压力系数和风摩擦力系数;分别研究了特定风速下的拉索振动响应、拉索升力以及水膜形态变化,并分析了三者之间的关系,以揭示风雨激振的产生机理.获得了基于双向耦合方程的拉索振动持续140s的数值模拟结果.结果表明:拉索表面水膜形态的周期性变化导致拉索升力的周期性变化,从而引起拉索的大幅度振动;水线与拉索间的共振是产生风雨激振现象的主要原因.     

考虑参激振动的折线型立体桁架拱动力响应分析

研究了拉索预应力折线型立体桁架拱中的拉索参激振动问题,使用ANSYS软件建立预应力拱有限元模型,分析了结构中拉索发生参激振动的可能性,采用非线性时程分析方法研究了结构在简谐加速度激励和地震作用下的动力响应,以及桁架拱拉索发生参激振动的诱发机制,考察了预拉力、激励幅值对拉索振动的影响.研究结果表明:激励幅值一定,简谐激励频率与拱内侧拉索自振频率成2.05:1关系时,将激发拉索的参激振动,拉索振幅较未发生参激振动时增加了约63倍,拱节点位移及杆件内力均有部分增加;地震波频率集中于拉索发生参激振动的频率范围时拉索有较大响应.为保证预应力巨型网格结构在地震作用下的安全使用,需考虑拉索参激振动对结构的影响.     

重型车荷载作用的公路斜拉桥振动响应分析

为了分析重型车荷载对高速公路大跨度斜拉桥振动响应的影响,以一辆六轴重型车和鄱阳湖二桥为研究对象,考虑车重和车速的随机性,基于车桥耦合振动理论,按照最不利荷载作用位置,采用Newmark-β数值方法求解重型车在行车道偏载行驶时的斜拉桥振动响应。研究结果表明：全桥结构的横向刚度大于竖向刚度。斜拉桥振动响应最大值与车重的随机性有很大关系,两者的概率分布特征相同,而车速的随机性对斜拉桥振动响应最大值的影响并不明显。纵梁的竖向振动响应最大,纵向振动响应次之,而横向振动响应最小,竖向振动响应最大值超过90 mm的概率为1.7%。桥塔的纵向振动响应大于横向和竖向振动响应,纵向振动响应最大值超过30 mm的概率为1.2%。斜拉索面内振动响应大于轴向振动响应,而面外振动响应最小;各拉索轴向振动响应随着拉索长度的增加而增大,面外振动响应因拉索长度不同而各异,主跨较长拉索的面内振动响应幅值相差较大,其他拉索的面内振动响应幅值相差较小;最长拉索的轴向、面外、面内振动响应最大值分别分别超过32 mm、2 mm、40 mm的概率为1.7%、2.4%、0.4%。     

SMA阻尼器-斜拉索系统减振控制试验

为了抑制斜拉桥拉索在风、雨等外界环境激励下的振动反应,设计了一种形状记忆合金（SMA）阻尼器并安装在斜拉索上。给出了该阻尼器的结构和分析模型,以及SMA阻尼器-斜拉索系统的振动方程。以润扬大桥斜拉桥的1：60缩尺模型为试验平台．进行了SMA阻尼器-斜拉索-桥面系统的减振试验,研究了SMA阻尼器对模型索在自由振动和桥面振动激励下减振效果的影响。试验结果表明：在斜拉索的面内安装SMA阻尼器,使斜拉索面内自由振动的衰减时间减少了50％,降低桥面振动所诱发的斜拉索面内耦合振动的峰值达39％以上,具有明显抑制斜拉索振动反应的作用。     

索杆肋梁组合楼盖人致振动有限元研究

索杆肋梁组合楼盖是一种采用拉索通过撑杆支承混凝土肋梁的新型预应力组合楼盖结构,此种结构具有较好的力学性能,可以采用较少材料实现较大跨度.同时,这也使得结构的整体刚度相对较小,在人行荷载激励下,楼盖可能会产生较大的振动.本文采用有限元分析工具MIDAS/GEN,建立了一榀索杆肋梁组合楼盖结构计算模型,研究了结构的自振特性;随后,研究了踏步荷载下结构的加速度响应;最后,对垂度、拉索直径、撑杆直径以及混凝土肋梁梁高这4个参数对人致振动响应的影响规律进行了研究.结果表明,混凝土肋梁梁高和拉索直径对结构加速度的影响最大,其次是撑杆直径,垂度影响最小.     

SMA智能复合材料结构的力学分析与建模

介绍了SMA智能复合材料结构力学建模在弯曲变形及振动控制方面的研究现状,论述了连续型和有限元建模方法,分析了SMA智能复合材料结构大变形问题及温度影响问题,并就SMA智能复合材料结构的力学建模提出几点建议。     

带垂度水平索-桥耦合面内参数振动

考虑拉索垂度,建立了水平索-桥系统的面内参数振动运动方程.采用分离变量法描述拉索的横向位移,并取拉索的前两阶模态,用Galerkin方法得到拉索二阶广义坐标运动方程;同时,建立桥面等效质量块的运动微分方程.在此基础上,采用多尺度方法,导出了运动方程的理论解.以南京长江二桥A20拉索为研究对象对拉索响应进行了数值求解,分析了主要参数对拉索响应的影响,并对理论解进行了验证.     

斜拉桥塔-索-桥面连续耦合振动模型及其影响因素分析

针对端部激励下大跨度斜拉桥主塔、拉索与桥面梁协同振动问题,考虑拉索的初始垂度、倾角、阻尼及拉索重力弦向分力影响,引入拉索的高精度抛物线形,建立桥塔-拉索-桥面连续耦合非线性振动精细化模型,推导结构系统在桥面和索塔激励作用下的非线性振动方程,研究塔-索-桥面梁结构系统面内振动特性,并编制程序分析桥面与拉索频率比、桥面激励幅值、索力、拉索阻尼及拉索倾角对拉索振动特性的影响规律。结果表明:桥面梁与拉索频率比是系统发生大幅振动的直接诱因,其频率比为有理数时,系统将发生大幅振动,频率比接近2时将激发大幅主参数共振;桥面激励幅值和索力对拉索振动特性影响较大,拉索振幅随桥面激励幅值的增加呈非线性增加,随索力的增加呈先急剧减小,后趋于稳定;索的振幅随拉索阻尼增加而减小,但是减小幅度有限;实际工程中,拉索倾角对斜拉索振动影响较小。     

随机荷载下索梁结构拉索参数振动分析

采用拉索参数振动和索-梁-塔相互振动的有限元方法,以1993年Fujino进行的索梁结构试验模型为对象,进行随机荷载下拉索参数振动计算和分析.结果表明,当随机荷载强度达到一定水平时拉索发生参数振动,横向振动位移远高于主梁位移;三自由度的理论解析法只适用于主梁竖向一阶频率与拉索横向一阶频率之比为2∶1的索梁结构,对于主梁竖向二阶频率与拉索横向一阶频率之比为2∶1的索梁结构,该方法求得的主梁竖向位移偏小.     

半主动控制下超长斜拉索的面外风振响应

为了研究磁流变阻尼器在拉索面外风振下的减振效果,针对苏通大桥长达577 m的斜拉索进行了分析.基于线性自回归模型法,编制了风速和风荷载的模拟程序,并建立了拉索-磁流变阻尼器系统的有限元模型.利用ABAQUS软件,将得到的风荷载时程施加到斜拉索上,对不同电流、阻尼值的拉索-磁流变阻尼器系统进行仿真分析.在MATLAB中基于简单Bang-Bang算法编制了半主动控制算法,并计算了系统在振动控制下的面外风振响应.结果表明,在不出现磁饱和的情况下,随着电流增大以及磁流变阻尼器阻尼值的增加,拉索的面外风振响应不断减小,半主动控制下的拉索面外响应可减小20%以上.通过合理控制电流,可以使得磁流变阻尼器达到良好的减振效果.     

重型车荷载对公路斜拉桥振动响应的影响

为分析重型车荷载对高速公路大跨度斜拉桥振动响应的影响,以一辆六轴重型车和鄱阳湖二桥为研究对象,考虑车身质量和车速的随机性,求解重型车偏载行驶的斜拉桥振动响应.研究结果表明:斜拉桥振动响应最大值与车身质量的随机性有很大关系,两者的概率分布特征相同,而车速的随机性对斜拉桥振动响应最大值的影响并不明显;在重型车荷载作用下,纵梁的竖向振动响应、桥塔的纵向振动响应和斜拉索的面内振动响应明显大于其他方向的振动响应;各拉索轴向振动响应随着拉索长度的增加而增大,面外振动响应因拉索长度不同而各异,主跨较长拉索的面内振动响应幅值相差较大,其他拉索的面内振动响应幅值相差较小.     

悬索结构平衡及振动非线性有限元分析

采用五节点索单元,提出了悬索结构平衡及自由振动非线性分析的一种新的有限元方法,将索元变形后的位置用修正的ａｇｒａｎｇｉａｎ坐标的四次多项式来表示,并在索元变形后的位置上由虚功原理建立了非线性有际元基本方程,所的非线性有限元分析方法可充分考虑拉索的几何非线性特性的影响,并给悬索结构的线形结构的找形及振动分析带来方便,此外,对单索结构的平衡及自振特性进行了计算分析。     

温度和桥面激励联合作用下斜拉索非线性振动特性分析

研究热状态下受桥面激励作用的超长斜拉索主参数共振问题。计入斜拉索初始垂度和几何非线性的影响,建立温度场中斜拉索的非线性振动力学模型,推导出热状态下受桥面激励作用的斜拉索面内参数振动控制方程,利用多尺度法求解系统主参数共振的近似理论解,并编制程序进行数值计算,分析温度变化、激励幅值、调谐值、索力、阻尼比对系统振动的影响。结果表明:随着温度升高,斜拉索主参数共振区增大,但其振幅有减小趋势;增大桥面激励幅值,会使得拉索参数共振区显著增大,而增大索力和阻尼,拉索共振区将减小;拉索发生参数振动时具有硬弹簧特性,幅频曲线随调谐值的增大存在多值响应,会出现"跳跃现象"。     

斜拉索参数共振新型减振措施

针对斜拉桥拉索发生的大幅参数振动,提出了一种的减振措施——限位装置.运用有限元方法,建立了单索的二维模型,模拟了拉索的大幅参数共振现象,所得结果与以往研究者得到的解析结果及试验现象相一致,在数值模型中,模拟了限位装置,研究了其对拉索参数共振的抑制作用.从能量原理和参数共振发生机理两个角度,阐明了限位装置的减振机理.在此基础上,讨论了限位装置参数对减振效果的影响.结果表明:限位装置可以显著减小拉索参数共振的振幅;限位装置减振机理明确,能从根本上抑制大幅参数共振的发生;减小限位高度或将限位位置向拉索中间靠拢,会使减振效果更加明显,此结论对限位装置应用于实际工程中有一定的指导意义.     

基于响应功率谱灵敏度分析的幕墙拉索损伤检测

幕墙拉索是重要的工程构件,为解决幕墙拉索的损伤检测问题,从弦的强迫振动方程出发,建立了其相应的有限元运动方程。将幕墙拉索的局部损伤模拟为弦单元面积的减少,利用随机振动的虚拟激励法,得到平稳随机激励下结构响应的功率谱密度函数对弦单元面积的灵敏度,采用有限元模型修正实现幕墙拉索的损伤识别。数值算例表明,仅利用有限的几个传感器的频域数据,就能够较好地识别幕墙拉索损伤,并且对模拟的人工噪声不敏感,具有一定的工程实用前景。     

高速列车引起偏心结构平扭耦联振动响应分析

运用有限元分析软件ANSYS建立轨道-地基-基础-偏心结构相互作用体系三维数值分析模型,分析在不同结构平扭比和不同列车运行速度情况下单层偏心结构的平扭耦联振动响应特性。分析结果表明:结构的平扭比对结构平扭耦联振动影响显著,随着平扭比的增大,平扭耦联振动响应有逐渐减小的趋势,而平扭比取值在1.0左右时,平扭耦联振动最为明显;车速对结构平扭耦联振动也有一定的影响,同一平扭比不同列车运行速度情况下,车速越大,振动越明显。     

斜拉网格结构的弹塑性动力响应分析

针对斜拉网格结构体系的弹塑性动力响应问题,阐明斜拉索非线性特性,建立索塔塔柱刚度矩阵,研究空间杆单元恢复力模型及其弹塑性状态转换判定方法,给出临界点处的处理方法和结构弹塑性动力响应的计算策略,数值分析该类结构动力特性及线性和弹塑性振动问题,结果显示,斜拉索的存在提高了结构刚度,可显著改变结构振动特性,竖向地震响应明显大于水平向地震响应,弹塑性位移、内力均大于弹性计算结果。     

斜拉桥索塔参数共振的数值研究

建立了斜拉桥索与塔的参数共振的数学模型,推导出索塔参数振动的控制方程,并对其进行了数值积分求解,考虑桥塔为弹性连续体.通过对数值结果的分析得出,在一定条件下,拉索可能由于桥塔振动而引发参数共振现象,并且该振动特性与索的振动频率、倾斜角度、静力垂度、初张力等有关,还和桥塔的一些结构性质有关.最后结合数值算例,讨论了阻尼的影响和减小拉索参数共振的可能性.     

超长斜拉索的参数振动

研究了斜拉桥中拉索的参数振动,利用三维有限元模型计算了苏通大桥的全桥动力特性和单根拉索的动力特性,得出了可能发生参数振动的拉索;分析参数振动时,取单根索模型(索端受随时间变化的位移激励);计算了在同一激励下不同拉索的响应;对与主梁成一定频率匹配关系的斜拉索进行分析;讨论了各种因素(阻尼、激励幅值、激励频率)对参数振动的影响;指出在一定条件下,拉索可能由于桥面振动的激发而发生参数振动,对桥梁的安全性带来不利影响.在大跨桥梁中,由于拉索和主梁的低频特性,非常有可能发生参数振动.这意味着在大跨斜拉桥设计中出现一个新的研究趋势.