大跨度桥梁多模态耦合颤抖振及其控制研究

论文摘要

目前，国内大跨度桥梁的建设飞速发展，桥梁的抗风问题面临严峻的考验，传统的抗风措施和方法已经不能完全满足设计的要求，对特大跨度桥梁风致振动进行控制(如采用气动措施或被动控制措施)已经到了必不可少的地步，而桥梁多模态耦合颤抖振理论和控制工程中的被动控制理论的结合是其中最为重要的理论性和技术性的问题。传统桥梁抖振被动控制理论是基于单模态叠加SRSS法，无法考虑多模态参与作用和模态间气动耦合效应。颤振被动控制理论是基于古典耦合颤振理论，无法考虑多模态参与作用，这导致了传统桥梁颤抖振被动控制理论具有很大的局限性。目前，桥梁抖振分析方法已经从原来的基于单模态叠加的SRSS法过渡到多模态耦合抖振分析方法或时域分析方法，桥梁颤振分析方法也已经从原来的古典耦合颤振理论或分离流扭转颤振理论过渡到多模态耦合颤振理论甚至是全模态颤振理论。故无论是从学科发展需要还是从实际应用的角度来讲，发展可以考虑多模态参与作用和模态间气动耦合效应的多模态耦合颤抖振被动控制理论具有重要的理论意义和实际意义。 本文在目前多模态耦合颤抖振理论和被动控制理论的基础上，基于结构的固有模态坐标，建立一套全新的多模态耦合颤抖振被动控制理论，该理论可以考虑多模态参与作用和模态间气动耦合效应，且列式中对各种被动控制装置在主梁上的安装位置没有任何要求，可以包含任意数量的被动控制装置，并进一步采用有效数值方法使理论程序化。最后以广东省西部沿海高速公路崖门斜拉桥和香港汀九大桥等工程为研究背景，采用自行开发的大跨度桥梁多模态耦合颤抖振被动控制和参数分析程序分别研究了调谐质量阻尼器(TMD)、多重调谐质量阻尼器(MTMD)、双频率调谐质量阻尼器(DTMD)和多重双频率调谐质量阻尼器(多重DTMD)等被动控制装置对提高桥梁颤振稳定性和减少抖振响应的有效性和可靠性。由于所建立的被动控制理论是基于多模态耦合颤抖振理论，因此，更真实地反映桥梁风振的实际情况，相应地，基于多模态耦合颤抖振被动控制理论所得到的最优参数与采用传统被动控制理论所得到的最优参数相比，具有较高的精度，所设计的被动控制装置也就具有较高可靠性，这对于保证大跨度桥梁安全性至关重要。 本文最后采用时域法对本文建立的多模态耦合颤抖振被动控制理论进行验证，通过模拟作用在桥梁上的气动力，包括静风力、抖振力和自激力，再现了桥梁结构从稳定的随机振动(抖振)过渡到发散振动(颤振)这一过程，获取了桥梁在风荷载作用下结构的抖振位移均方根响应和桥梁颤振临界风速和颤振频率等

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• CONTENTS
• 第一章 绪论
• 1.1.大跨度桥梁风致振动研究的发展现状
• 1.1.1.频域颤振
• 1.1.2.频域抖振
• 1.1.3.时域颤抖振
• 1.2.土木工程振动控制概况
• 1.2.1.结构振动控制的概念
• 1.2.2.结构振动控制的分类
• 1.2.3.桥梁风致振动控制的研究现状
• 1.3.研究的目的和意义
• 1.4.主要工作
• 参考文献
• 第二章 大跨度桥梁风场模拟
• 2.1.概述
• 2.2.谐波合成法
• 2.2.1.单频率索引法
• 2.2.2.双频率索引法
• 2.3.线性滤波器AR法
• 2.3.1.Solari理论
• 2.3.2.Iwatani理论
• 2.4.改进的ARMA法
• 2.5.脉动风谱的选取
• 2.5.1.纵向脉动风谱
• 2.5.2.竖向脉动风谱
• 2.5.3.脉动风空间相关函数
• 2.6.算例分析
• 2.7.本章小结
• 参考文献
• 第三章 多模态耦合颤振频域分析
• 3.1.概述
• 3.2.多模态耦合颤振基本理论
• 3.3.准定常气动导数推导
• 3.4.二分法全自动搜索步骤
• 3.5.算例分析
• 3.5.1.具有理想平板截面悬臂梁颤振分析
• 3.5.2.香港汀九大桥颤振分析
• 3.6.本章小结
• 参考文献
• 第四章 多模态耦合颤振被动控制理论研究
• 4.1.概述
• 4.2.MTMD多模态耦合颤振控制基本理论
• 4.3.多重DTMD多模态耦合颤振控制基本理论
• 4.4.颤振控制系统运动微分方程求解方法简介
• 4.4.1.状态空间法
• 4.4.2.PK-F法
• 4.5.颤振被动控制装置基本参数定义
• 4.5.1.TMD基本参数定义
• 4.5.2.MTMD基本参数定义
• 4.5.3.DTMD基本参数定义
• 4.6.崖门桥计算数据简要说明
• 4.7.多模态耦合颤振TMD控制参数分析
• 4.8.多模态耦合颤振MTMD控制鲁棒性分析
• 4.9.DTMD与TMD颤振控制效率比较
• 4.10.本章小结
• 参考文献
• 第五章 多模态耦合抖振中的模态耦合效应研究
• 5.1.概述
• 5.2.多模态耦合抖振基本理论
• 5.3.抖振响应系统传递函数的定义
• 5.4.算例分析
• 5.4.1.具有理想平板截面的简支梁
• 5.4.2.香港汀九大桥
• 5.5.本章小结
• 参考文献
• 第六章 多模态耦合抖振被动控制理论研究
• 6.1.概述
• 6.2.多模态耦合抖振被动控制理论
• 6.2.1.系统运动微分方程
• 6.2.2.系统抖振响应求解
• 6.2.3.被动装置参数定义
• 6.3.多模态耦合抖振控制的特点
• 6.3.1.TMD对系统传递函数的影响
• 6.3.2.基于CQC法和SRSS法TMD最优参数比较
• 6.4.双频率调谐质量阻尼器（DTMD）在桥梁抖振控制的应用
• 6.4.1.频率比的影响
• 6.4.2.阻尼比的影响
• 6.4.3.广义质量比的影响
• 6.4.4.DTMD制振性能的评价
• 6.5.多重DTMD制振性能研究
• 6.5.1.频率带宽的影响
• 6.5.2.DTMD个数的影响
• 6.5.3.阻尼比的影响
• 6.6.本章小结
• 参考文献
• 第七章 多模态耦合颤抖振被动控制理论时域分析验证
• 7.1.概述
• 7.2.气动力模型
• 7.2.1.静风力
• 7.2.2.抖振力
• 7.2.3.自激力
• 7.3.Y.K.Lin自激力模型中参数的识别
• 7.4.频域与时域结果对比验证
• 7.4.1.颤振及其被动控制理论和程序时域验证
• 7.4.2.抖振及其被动控制理论和程序时域验证
• 7.5.本章小结
• 参考文献
• 结论
• 攻读学位期间发表的与学位论文内容相关的学术论文
• 致谢