大跨度悬索桥长吊索宽频调谐阻尼减振技术研究

为实现大跨度悬索桥长吊索宽频(0～30 Hz)阻尼减振,以广西龙门大桥为背景,对该桥50 m以上长吊索宽频减振技术进行研究。考虑该桥长吊索原刚性减振架方案无法有效控制多根吊索同相位振动,且不能为吊索提供结构阻尼,根据理论分析和参数优化,提出采用3个小阻尼比(阻尼比为2%)、小质量比(质量比为0.10%)调谐质量阻尼器(TMD)和6个大阻尼比(阻尼比为10%)、大质量比(质量比为0.50%)TMD协同作用实现吊索0～30 Hz全模态阻尼减振目标,选用质量和刚度分布具有各向同性、控制频率和自身阻尼比便于调节的摆锤式调谐质量阻尼器(PTMD)进行减振设计,并进行有限元模拟和模型试验以验证可行性。结果表明：多个PTMD协同控制可实现吊索的宽频阻尼减振,其各向同性特征可实现吊索多向振动控制;建议龙门大桥采用在加强原有刚性减振架的基础上,将多个PTMD按振型参与最大原则离散布置在刚性减振架上,集成刚性减振架刚性连接和PTMD调谐减振功能,实现该桥长吊索宽频阻尼减振。     

虎门二桥主桥吊索阻尼减振技术研究及应用

虎门二桥的主航道桥由坭洲水道桥和大沙水道桥两座大跨度悬索桥组成,其吊索在施工期发生了复杂的风致振动问题。为了抑制吊索的振动,通过分析吊索的振动特性,研究基于不同作用机理的减振措施并进行方案比选,优选出适合本桥吊索减振的措施。通过实桥试验验证了外置式阻尼器(PLD)、多重调谐式阻尼器(MTMD)和冲击质量阻尼器(IMD)的减振效果。最终采用了PLD、MTMD和IMD这3种阻尼器的组合阻尼减振方案,有效抑制了吊索的振动。     

超大跨度悬索桥长吊索涡振特性及其控制研究

针对超大跨度悬索桥长吊索风振突出的问题，以张靖皋长江大桥为背景，开展了超大跨度悬索桥长吊索涡振特性及其控制研究。基于嵌套网格技术，开展了2种直径长吊索涡振的数值模拟，并分析了吊索低阶与高阶涡振响应的特性。采用减振锤作为控制措施，开展了阻尼器参数设计，并通过节段模型风洞试验验证了减振装置对吊索涡振的控制效果。研究结果表明：不同直径的吊索在单索股和双索股情况下均可能发生涡振；不同阶次模态发生涡振的位移振幅接近，但高阶涡振的加速度幅值显著增加；考虑涡振对吊索疲劳性能的影响，采用减振锤能够有效抑制涡振响应。     

结构—尾流振子耦合模型参数识别及桥梁涡激振动预测

为准确预测桥梁涡激振动特征,基于结构-尾流振子耦合模型涡激振动预测方法,分析其动力方程及近似解,针对目前结构-尾流振子耦合模型中较难确定的模型参数(质量参数M、流场“stall”效应参数γ、结构对尾流作用的耦合项参数A和范德珀尔参数ε),提出了基于涡激振动风速~振幅曲线的模型参数识别方法。开展某主梁节段模型风洞试验,依据其实测涡振曲线,采用该方法识别模型参数,并预测不同阻尼比的桥梁涡激振动特征。结果表明:近似解精度与ε相关,ε越小,精度越高;ε越小,提出的模型参数识别方法越能准确识别模型参数;基于风洞试验实测涡激振动风速~振幅曲线识别的结构-尾流振子耦合模型可有效地预测桥梁涡激振动特征。     

韩家沱长江大桥高低雷诺数涡激振动试验研究

针对桥梁断面对雷诺数敏感性存在较大差异的情况,以渝利铁路韩家沱长江大桥(主跨432m的钢桁梁斜拉桥)为背景进行节段模型风洞试验。在XNJD-1和XNJD-3边界层风洞中分别进行高、低雷诺数涡激振动试验,比较2种不同尺度(1∶45.77和1∶19.74)的模型中断面涡激振动性能的差别,并通过不同质量和阻尼比试验获得涡激振动振幅与Scruton数的关系式,从而推算得到高、低雷诺数节段模型试验下的实桥振幅。结果表明:高、低雷诺数试验中,风攻角为-5°时,钢桁梁节段模型均出现了大幅的涡激振动,涡激振动的起振风速随着模型频率的增加而降低;按照低雷诺数试验结果换算得到的实桥涡激振动振幅高于按照高雷诺数试验换算的结果;增加二期恒载可以减少涡激振动振幅。     

基于稳态简谐激励的人行桥模态参数识别

为了探究稳态激振现场试验方法在人行桥模态参数识别中的可行性,通过数值仿真分析和现场试验,研究了基于稳态激振的人行桥模态参数识别。该方法首先通过单点简谐激励获得结构稳态响应的频响函数(FRF),然后对实测频响函数按单模态或多模态叠加形式进行最小二乘曲线拟合得到结构的固有频率、阻尼比、模态振型和模态质量。以一频率密集分布的多点弹性支撑梁为数值算例,分析了激振器激振质量、频率间隔、激振次数、多模态参与和噪声对识别结果的影响。采用该方法识别了一座双层分离桥面曲线人行桥第1阶侧弯模态的频率、模态质量及阻尼比,为该桥的人致振动分析及减振设计提供了有效手段。结果表明:激振质量会改变结构固有模态参数,因此在满足激振条件下激振质量应尽可能小;选择合适的激振带宽和较小的激振频率间隔能获得更可靠的结果;人行桥现场稳态激振试验识别的频率和阻尼比与自由振动识别结果基本相符,识别的模态质量与有限元计算结果相符,说明该方法可行。     

大跨度悬索桥吊索阻尼减振设计

为了解决虎门二桥大跨度悬索桥长吊索的振动问题,采用阻尼减振的方式对其进行振动控制。本文首先通过分析吊索的振动特性,包括振动方向、可能发生振动的振型阶次,确定阻尼减振的目标;在此基础上,对大沙水道桥和坭洲水道桥超过80m长的吊索进行阻尼减振设计:利用防撞栏杆为阻尼器的支撑,80~130m的吊索采用油气耦合阻尼器、130m以上的吊索采用摆式阻尼器进行控制。当吊索发生面内或者面外振动时,阻尼器内部发生相对运动,通过阻尼耗能作用控制吊索的振动;最后通过数值计算分析安装阻尼器后的减振效果。结果表明:各受控振型的阻尼对数衰减率δ均大于3%,满足减振的要求。     

基于风洞试验的变截面圆灯柱涡激振动与影响因素研究

为了研究某实桥变截面圆灯柱发生的风致二阶振动现象，采用多段薄壁空心铝管焊接并覆盖泡沫管和柔性PVC薄膜的方法，设计制作了满足相似比要求的变截面灯柱气弹模型，解决了低质量比、低阻尼比变截面细长结构风洞试验不便模拟的问题。通过风洞试验，采用非接触式视频测量位移系统和眼镜蛇探针测试了不同风速下灯柱位移响应和尾流风速，重现了灯柱的二阶振动现象，通过分析确定其为涡激振动；采用傅里叶变换和小波分析研究了变截面灯柱的涡脱频率和涡激振动时频特性；开展了不同焊缝位置对灯柱涡激振动影响研究，分析了3种不同螺旋线布置方式对灯柱涡激振动的抑制效果。研究结果表明：灯柱在涡激振动锁定区内发生单一模态的涡激振动，运动轨迹为清晰的椭圆形，而在锁定区外发生多模态振动；变截面灯柱中部存在一定长度的控制区域，当中部控制区域涡脱频率接近结构固有频率时即发生涡激振动锁定现象，当中部控制区域脱离锁定频率，此时圆柱的涡激振动响应迅速降低；灯柱涡激振动响应受焊缝的位置影响显著，不同的焊缝位置可能抑制或者增强涡激振动；8 cm螺距双螺旋线能够有效控制灯柱模型涡激振动响应。     

基于改进尾流振子模型的超长拉索涡激振动特性数值研究

为了研究大跨度斜拉桥超长拉索在不同流场特性下的高阶多模态涡激振动问题，以牛顿定律为基础，建立了考虑张力变化以及垂度效应的拉索结构振子方程，引入改进的Van Der Pol式尾流振子模型，以加速度耦合两非线性振子，提出了一种简便的拉索涡激振动流固耦合预报模型；采用二阶中心差分法，对两振子方程在空间域和时间域进行离散迭代求解，编制了拉索涡激振动的MATLAB计算程序，并验证了其可靠性。该方法为研究拉索涡激振动提供了一种新思路，可解决风洞试验和数值软件（CFD）不便模拟大长细比拉索结构的问题。基于提出的预报模型，以1根330 m超长拉索为研究对象，分析了拉索多模态涡激振动特性，探讨了不同流场特性对拉索涡激振动的影响。研究结果表明：均匀流作用下，拉索发生涡激锁定现象，以单一模态发生振动，随着风速的增加，拉索涡激锁定区间增大而最大振幅不发生改变；剪切流作用下，拉索发生多模态涡激振动，位移响应呈现"拍"的特点，振动频率分布在Strouhal涡脱频率范围内，存在2个或3个主导频率，主导频率全程参与振动，非主导频率间歇参与振动；拉索多模态涡激振动位移响应表现为行波-驻波并存的状态，随着风剖面指数的增加，涡激振动行波效应显著。     

黏滞惯性质量阻尼器对斜拉索减振效果的数值分析

随着斜拉桥跨度的增大，斜拉索长度也越长，会同时存在发生风雨激振和涡激共振的可能性。风雨激振参与模态主要为低阶，涡激共振参与模态为高阶，这给斜拉索减振阻尼器的设计带来了新的挑战。采用数值方法，研究了黏滞惯性质量阻尼器（Viscous Inertial Mass Damper，VIMD）的斜拉索减振效果。首先，将斜拉索简化为张紧弦，建立了斜拉索-VIMD系统的运动微分方程，采用有限差分方法对方程进行数值求解。然后，以苏通大桥A30号斜拉索为工程背景，研究了各参数对该系统模态阻尼比的影响。最后，研究了阻尼器支架刚度对斜拉索-VIMD系统减振效果的影响，并将数值解与近似解析解进行对比。研究结果表明：在传统的黏滞阻尼器中并联惯性质量单元，可显著提高斜拉索的模态阻尼比，非常有利于减振；斜拉索-VIMD系统各阶模态的量纲为1的阻尼比曲线不重合，这与传统的斜拉索-VD（Viscous Damper）系统不同；斜拉索-VIMD系统的模态阻尼比随支架刚度的减小而急剧减小。     

摆式碰撞双重调谐质量阻尼器减振性能研究

柔性高耸桥塔具有刚度低、阻尼小等特点，极易在强风以及地震等动力荷载下产生大幅振动。摆式调谐质量阻尼器(Pendulum Tuned Mass Damper，简称摆式TMD)是目前常用的高耸结构被动控制方法，但其具有参数敏感、控制频域窄、阻尼实现手段复杂等突出缺点。为此，提出了一种摆式碰撞双重调谐质量阻尼器(Pendulum Pounding Double Tuned Mass Damper，简称PPDTMD)，该阻尼器具有双重调频能力，既提高了其减振性能，也解决了传统摆式TMD需要外接阻尼元件和碰撞式TMD噪声问题。建立了多自由度结构与摆式碰撞双重调谐质量阻尼器耦合系统的运动方程，通过参数搜索方法确定了其最优设计参数，拟合得到简化设计公式，对比了PPDTMD与传统摆式TMD的减振效果。以某自立桥塔为研究对象，分别研究了在涡振、地震、强风荷载作用下PPDTMD的抑振性能。研究结果表明:PPDTMD具有双重调谐特性，减振性能显著提升，当质量比为4%时，PPDTMD相对于理想摆式TMD、实际摆式TMD的动力放大系数峰值分别下降了11%和46%;在PPDTMD控制下，自立桥塔涡激共振(简谐激励)作用下的塔顶位移响应幅值减振率为71.9%；Kobe波作用下的塔顶位移峰值及均方值减振率分别为34.7%和60.2%；抖振力作用下的塔顶位移峰值及均方值减振率分别为26.9%和43.5%;不同动力荷载下PPDTMD的减振性能均优于传统摆式TMD。     

桥塔尾流风作用下吊索尾流致振动模型与参数分析

现场实测表明,大跨度悬索桥塔后吊索受桥塔尾流影响常发生大幅尾流致振.为研究该振动机理,同时为工程设计和应用实践提供理论指导,以某大跨悬索桥桥塔单根塔柱和塔后吊索为研究对象,首先进行了大比例尺节段模型的风洞试验.通过试验,再现吊索在桥塔尾流区内的尾流致振现象,研究吊索的振动特征与桥塔尾流风速特征.在此基础上,考虑尾流刚度...     

大跨悬索桥MTMD抖振控制的参数优化

针对悬索桥抖振控制问题,建立有限元模型,应用神经网络和遗传算法对多重调频质量阻尼器(MTMD)进行双参数优化。以某大跨悬索桥为例,利用神经网络改进的谐波合成模拟方法(RBF-WAWS法)对脉动风速进行模拟,并换算成抖振力作用主梁上,通过时程分析及后处理获取主跨跨中横桥向响应值。将响应值的均方差作为优化目标函数,以MTMD总质量、个数及阻尼比作为优化变量和约束条件,采用神经网络拟合目标函数并应用改进的自适应遗传算法进行寻优。结果表明,优化后的MTMD能有效控制悬索桥在脉动风作用下的抖振响应,减振率达48%。提出的理论与计算方法对悬索桥中MTMD的设置及参数选取具有实际工程意义。     

大跨度悬索桥的多阶模态竖向涡振与控制

大跨度悬索桥具有多个竖向模态密集分布的特性。在常遇风速范围内，从低到高的各阶竖向模态随风速升高而逐个发生涡振，这就是大跨度悬索桥的多阶模态涡振问题。针对这一问题开展深入研究，讨论中国公路桥梁抗风设计规范中竖向涡振容许振幅的合理性；阐述了利用节段模型风洞试验和理论分析综合预测实桥多阶模态竖向涡振响应的基本方法，得到了各模态阻尼比相等时悬索桥各阶模态竖向涡振振幅基本相等的结论，并通过特殊设计的悬索桥竖向等效气弹模型和塔科马桥涡振实测资料，验证了这一结论；指出在既有桥梁上追加气动措施或安装调谐质量减振器抑制悬索桥多阶模态涡振都有很大的难度，进而提出了在加劲梁与桥塔之间安装直接耗能阻尼器的设想，并进行了气弹模型试验验证；讨论了采用电涡流阻尼器进行半主动涡振控制的可行性。研究结果表明：在相同阻尼比条件下大跨度悬索桥各阶竖弯模态的最大涡振振幅基本相等；依据最大加速度幅值按频率比的平方增加的原理，满足人体振动舒适性的高阶竖弯模态的容许振幅必然小于低阶模态，因此要更加重视起振风速在容许行车风速（25 m·s^-1）以内的高阶竖弯模态涡振；对于漂浮体系悬索桥，在加劲梁与对应桥塔之间设置阻尼器可有效抑制多阶模态涡振。     

自锚式悬索桥锚箱模型试验研究

自锚式悬索桥索梁锚固区域结构复杂,容易产生应力集中,研究锚固区域在索作用下的应力大小、分布十分重要。针对佛山平胜大桥吊杆锚箱进行足尺模型试验,得到索梁锚固区的应力状态、分布和传力途径,对自锚式悬索桥锚箱设计具有一定指导意义。     

单塔空间索面自锚式悬索桥悬吊结构安装与体系转换

天津富民桥主桥为单塔空间索面自锚式悬索桥,该桥体系转换是通过对吊索进行3轮循环张拉与几轮循环索力调整来完成,主要介绍悬吊结构(索夹与吊索)安装及体系转换技术.     

多塔斜拉桥加劲索涡激振动实测与时域解析模态分解

为研究多塔斜拉桥中塔加劲索涡激振动时域和频域特性，对多根加劲索开展了振动加速度测量和风速、风向观测，研究了加劲索振幅与风速和风向的关系，分析了加速度时程的时域和频域特征。采用解析模态分解法对加劲索涡激振动加速度时程进行了分解，分析了所得分量的时域和频谱特征。研究发现，在无雨和较低风速条件下，同侧并列加劲索仅迎风侧发生明显涡激振动，其峰值振动是以频率为6.25 Hz的第28阶模态主要参与为特征，为高阶多模态涡激振动，明显发振风速约为4~5 m·s^-1，风向接近垂直桥轴线，其面内振动明显大于面外。1^#加劲索面内涡激振动时程分解得到的3个相邻高阶频率时程分量显示，第28阶模态振动加速度随时间的变化，主导了加劲索振动加速度幅值的增大和减小。同时认为，解析模态分解法不仅能较好地分离含有多个密集频率分量的时域信号，且分解得到的分量不改变原信号分量的频率特征，分解分量再合成的信号与原信号时频特征完全一致。因而可采用解析模态分解法分解具有多个密集频率分量的柔性结构响应，能有助于工程结构风致响应的模态参数识别。