斜拉桥车桥耦合振动及其MTMD振动控制

论文摘要

随着交通事业和现代物流业的发展,桥梁结构处于繁忙的运输状态。交通密度的日益增加、荷载的逐渐加重以及车速的不断提高,使得车辆与结构的动力相互作用问题越来越受到人们的重视。一方面,移动车辆的动力作用对桥梁结构物的工作状态和使用寿命产生直接影响;另一方面,桥梁结构上运行车辆的平稳性和安全性又是评价结构动力设计参数合理与否的重要考虑因素。因此,对车桥动力耦合系统进行综合研究,以便对桥梁结构的动力性能和结构上车辆的走行性作出动力分析和评估,进而采取对策减小结构的动力响应,是合理进行桥梁结构物设计的工程实际需要,对结构工程学科的发展具有十分重要的理论和实际意义。在教育部新世纪优秀人才计划(2004年)科研项目资助下,本文以一座实际斜拉桥—沪蓉西国道铁罗坪大桥为研究对象,研究车桥系统动力相互作用及MTMD控制下桥梁结构的动力响应,为铁罗坪大桥合理设计提供力学理论参考。铁罗坪大桥主桥为一高墩大跨双塔双索面混凝土斜拉结构,论文采用有限元非线性分析理论和方法对该结构进行静力分析,通过调整斜拉索张拉力建立结构合理的初始成桥状态,在此基础上,研究结构动力特性;同时将桥梁上运行车辆模拟成2轴6自由度且具有3个质量的振动系统并分析其动力特性。通过基于桥面随机不平顺的车桥耦合单元建立包含车辆振动和结构振动的耦合系统,用数值积分法求解动力学方程。分别从汽车通过桥梁时的速度、车辆的个数、车辆的偏载等几个方面研究了斜拉桥结构的动力响应以及乘客的舒适度与车速的关系。在分析铁罗坪大桥固有振动的基础上,确定结构跨中动挠度的控制振型,将汽车荷载作为对主桥结构的随机激励,建立结构振动控制振型坐标和MTMD构成的新系统动力平衡方程,由此推导了结构控制振型坐标的幅频响应表达式。分析了MTMD的平均阻尼比、频率间距、广义质量比、数量、布置间距与控制振型坐标幅值的关系,给出了确定MTMD各参数的具体步骤,由主桥跨中动挠度为控制目标设计了MTMD,进而研究了MTMD控制下车桥系统的动力响应。计算结果表明,在随机不平顺桥面条件下,MTMD能够有效减小结构对汽车荷载激励的动力响应。车桥耦合动力相互作用及其控制研究领域虽然还有许多问题需要探讨,但它的研究和应用有着光明的未来,其巨大的经济效益和社会效益已初见成效。可以预见,经过广大科研工作者的不懈努力,车桥动力相互作用的研究成果更好地应用于工程设计,而结构控制技术会以它独有的魅力在结构的防振减灾中发挥日益重要的作用。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 车桥系统动力相互作用的研究现状及其分析
• 1.3 车桥耦合振动TMD 控制技术的研究现状及其分析
• 1.4 本文工作的主要内容
• 2 大跨度斜拉桥有限元分析的基本理论
• 2.1 引言
• 2.2 大跨度斜拉桥非线性静力分析的有限元法
• 2.3 大跨度斜拉桥动力分析的有限元法
• 2.4 本章小结
• 3 车桥耦合系统动力相互作用分析
• 3.1 引言
• 3.2 某大跨斜拉桥有限元模型及其力学特性
• 3.3 汽车车辆模型及其动力特性
• 3.4 基于桥面不平顺的车桥耦合模型
• 3.5 斜拉桥车桥耦合系统动力响应
• 3.6 本章小结
• 4 大跨度斜拉桥在汽车荷载作用下的MTMD 控制
• 4.1 引言
• 4.2 结构振动TMD 控制的基本原理
• 4.3 斜拉桥结构振动的MTMD 控制
• 4.4 MTMD 控制下某大跨度斜拉桥汽车荷载作用的动力响应
• 4.5 本章小结
• 5 结论及展望
• 5.1 本文研究主要结论
• 5.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 攻读学位期间发表论文目录
• 附录2 攻读学位期间参与研究项目目录