大跨度拱桥地震反应特性及减震控制研究

论文摘要

近年来,国内大跨度拱桥的已建和在建项目日益增多。大跨度拱桥作为生命线工程,它们在地震作用下的安全性格外重要,一旦地震使交通线遭到破坏,可能导致的生命财产以及间接经济损失将会非常巨大。然而拱桥被认为是抗震性能相对较差的桥型,拱桥的轴压比较高,延性较低,难于设计成延性抗震结构。因此,对于重要的大跨度拱桥有必要在弄清其地震反应特性的基础上,采取适当的减震措施,以提高和改善其抗震能力。目前对这种桥型结构的减震控制尚缺乏系统地综合性研究,故探索合理可行、有效经济的拱桥耐震、减震新途径,为我国拱桥抗震、减震设计提供理论依据和参考成为主要的研究目标。本文围绕大跨度拱桥地震反应特性及减震控制技术,主要开展了以下几个方面的研究工作。①基于空间非平稳地震动功率谱模型,考虑地震动的部分相关效应以及时滞效应等因素,应用谐波合成法模拟了空间变化的地震动加速度时程,作为大跨度拱桥多点激励地震反应分析的空间地震动输入。②构建大跨度拱桥结构的理论分析模型,确定拱桥结构多点激励下的动力学方程以及相应的求解方法,编制三维动力有限元分析程序,实现了大跨度拱桥多点激励地震反应时程分析。③对大跨度拱桥结构进行模型降阶,提出按最大模态位移方法确定控制模态。采用基于模态分析和平衡降阶的方法来对拱桥模型降阶,解决了大跨度拱桥减震控制中由于模型离散自由度较多,难以进行仿真控制分析的困难。对按振型贡献率选择控制模态的方法进行了改进,按最大模态位移方法确定控制模态,分析表明,该方法考虑了外部激励的影响,克服了振型贡献率只考虑结构动力特性选取控制模态的缺点,这对于必须考虑多点地震激励影响的大跨度拱桥更为合理。④探索合理可行的拱桥减震措施。考虑拱桥的结构特点,给出了在拱桥上设置阻尼器的减震方案。对于上承式拱桥,由于拱脚为嵌固,可考虑采用阻尼器斜撑的减震方案。对中承式拱桥除了在桥墩与桥面主梁间设置阻尼器外,还可在拱桥吊杆端部布置阻尼器。实例分析表明,上述减震措施对于减小拱桥地震反应是有效的。⑤将粘滞阻尼器用于拱桥的被动减震控制。对阻尼器表现非线性阻尼性能的拱桥被动减震系统非线性时程分析,将非线性阻尼力等效为外部控制作用,对处于弹性状态的主体结构进行模型降阶,采用基于现代控制理论的状态空间分析方法或状态方程精细时程积分法进行求解,可提高计算效率,而且实现了拱桥被动减震分析与半主动减震控制仿真分析程序的统一。并对粘滞阻尼器阻尼力计算模型中的阻尼系数、速度指数等参数的取值进行了模拟计算与分析。⑥综合研究了磁流变阻尼器用于大跨度拱桥的半主动减震控制。结合磁流变阻尼器半主动控制特性,选定磁流变阻尼器的力学模型,基于H∞控制器-Sign函数的半主动控制策略建立了半主动减震控制系统。对控制系统中的半主动控制算法、阻尼器的布置和参数等进行了优化分析。为解决大跨度拱桥模型降阶控制中由于含有未建模频域不确定性所导致的溢出问题,提出采用基于混合灵敏度的鲁棒控制策略来消除溢出不稳定。分析表明,该方法能有效地抑制溢出,保证系统具有更好的鲁棒性能。⑦选取大跨度拱桥中具有代表意义的桥型,一座上承式拱桥-西藏尼木大桥和一座中承式系杆拱桥-重庆菜园坝长江大桥为例,分别进行了一致激励、行波输入及多点激励输入下的地震反应分析和粘滞阻尼器被动减震以及磁流变阻尼器半主动减震控制分析。深入探讨了行波效应对大跨度拱桥被动、半主动减震效果的影响,得出了有益的结论,为提高大跨度拱桥的抗震安全性以及将阻尼器用于大跨度拱桥减震控制的工程应用提供了理论参考。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 研究意义及背景
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 大跨度拱桥抗震分析
• 1.2.2 桥梁结构减震控制研究
• 1.2.3 磁流变阻尼器振动控制
• 1.2.4 大跨度拱桥减震控制研究
• 1.3 研究目的及主要研究内容
• 1.3.1 研究目的
• 1.3.2 主要研究内容
• 2 大跨度拱桥地震反应分析理论
• 2.1 引言
• 2.2 多点激励下的运动方程
• 2.3 空间地震动输入
• 2.3.1 行波输入
• 2.3.2 随机地震动空间模型
• 2.3.3 随机过程模拟
• 2.3.4 空间相关的多点地震动时程模拟实例
• 2.4 拱桥动力响应求解方法
• 2.4.1 时程积分法
• 2.4.2 状态空间分析方法
• 2.5 拱桥结构有限元理论
• 2.5.1 结构几何非线性有限元
• 2.5.2 质量矩阵和阻尼矩阵
• 2.5.3 非线性动力有限元方程的求解
• 2.6 大跨度拱桥空间地震反应分析程序
• 2.6.1 拱桥模型
• 2.6.2 程序编制
• 2.6.3 程序验证
• 2.7 小结
• 3 大跨度拱桥减震控制中的模型降阶
• 3.1 引言
• 3.2 模型降阶方法
• 3.2.1 基于模态分析的模型降阶
• 3.2.2 平衡降阶方法
• 3.3 模态降阶方法中控制模态的选取
• 3.3.1 振型贡献率确定控制模态
• 3.3.2 最大模态位移确定控制模态
• 3.4 降阶方法有效性的验证
• 3.5 数值算例
• 3.5.1 算例1
• 3.5.2 算例2
• 3.6 小结
• 4 拱桥被动减震系统非线性分析
• 4.1 引言
• 4.2 被动减震阻尼器
• 4.2.1 粘滞阻尼器类型
• 4.2.2 粘滞阻尼器分析模型
• 4.3 结构－阻尼器运动方程
• 4.4 结构被动减震系统非线性时程分析
• 4.4.1 基于现代控制理论的状态空间分析方法
• 4.4.2 状态方程精细时程积分法
• 4.4.3 程序编制及验证
• 4.5 拱桥阻尼器减震方案
• 4.6 减震效果评价标准
• 4.7 粘滞阻尼器减震参数设计
• 4.7.1 阻尼支撑布置及地震动输入
• 4.7.2 粘滞阻尼器参数分析
• 4.8 小结
• 5 大跨度拱桥磁流变阻尼器半主动减震控制
• 5.1 引言
• 5.2 拱桥结构－磁流变阻尼器控制系统
• 5.2.1 磁流变（MR）阻尼器阻尼力计算
• 5.2.2 模型降阶控制系统方程
• 5.2.3 结构－MR 阻尼器半主动控制系统
• 5.3 系统控制器设计
• ∞问题'>5.3.1 标准H_∞问题
• ∞设计'>5.3.2 基于Riccati 方程的H_∞设计
• ∞设计'>5.3.3 降阶控制系统H_∞设计
• 5.3.4 降阶控制中的溢出问题
• 5.3.5 消除溢出不稳定的鲁棒控制
• 5.4 阻尼器半主动控制策略
• 5.5 半主动控制仿真分析程序设计
• 5.6 MR 阻尼器在拱桥结构中的优化分析
• 5.6.1 不同半主动控制算法比较
• 5.6.2 阻尼器位置优化
• 5.6.3 测量输出值的影响
• 5.7 控制系统稳定性分析
• 5.7.1 溢出失稳现象
• 5.7.2 混合灵敏度问题中权函数选择
• 5.7.3 仿真分析比较
• 5.8 小结
• 6 大跨度拱桥地震反应与减震控制分析实例
• 6.1 引言
• 6.2 西藏尼木大桥地震反应及减震分析
• 6.2.1 西藏尼木大桥概况
• 6.2.2 模态分析
• 6.2.3 地震反应分析
• 6.2.4 粘滞阻尼器被动减震分析
• 6.2.5 行波效应对拱桥被动减震的影响
• 6.2.6 MR 阻尼器半主动减震控制
• 6.2.7 行波输入下半主动减震分析
• 6.2.8 西藏尼木大桥分析结论
• 6.3 菜园坝大桥地震反应及减震分析
• 6.3.1 菜园坝大桥概况
• 6.3.2 模态分析
• 6.3.3 地震响应分析
• 6.3.4 被动减震分析
• 6.3.5 菜园坝大桥分析结论
• 6.4 小结
• 7 结论
• 7.1 研究结论
• 7.2 主要创新点
• 7.3 有待于进一步研究的问题
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• A 作者在攻读博士学位期间发表的论文
• B 作者在攻读博士学位期间参加的科研项目
• C 作者在攻读博士学位期间获奖成果
• D 矩阵奇异值分解