大跨刚构—连续梁桥振动控制研究

论文摘要

桥梁作为交通枢纽及生命线工程,是交通干线的重要组成部分,是国家和社会发展的重要基础设施。由于刚构—连续组合梁桥放松了多跨连续刚构桥对边主墩高度的要求,因此这种桥型适用于不同的地形、地质条件、通航要求,刚构—连续组合梁是连续梁和连续刚构的组合,它兼顾了两者的优点而扬弃各自的缺点,集连续刚构、连续梁优点于一身,具有整体性好,抗震能力强,结构受力合理,线形优美等特点,在结构受力、使用功能和适应环境等方面均具有一定的优越性,近十几年中在国内也得到了快速发展,并有加快发展的趋势。地震是一种破坏力巨大而又难以预测的自然灾害,由于其随机性和突发性,地震难以准确预测,往往导致灾难性后果,带来巨大的生命及财产损失,而我国是世界上的多地震国家之一,如何确保结构物在地震中的安全,始终是桥梁发展中的重要问题。传统的抗震方法通过加强结构自身抗力来抵抗地震作用,往往由于地震发生的不确定性,使得结构既不经济也不安全,近年来,基于结构振动控制理论的桥梁抗震技术已经受到各国学者的广泛重视,由于刚构—连续梁桥结构的复杂性,其振动控制方法的研究还处于起步阶段。因此,本文尝试利用主动变阻尼装置对一刚构—连续梁桥的地震震动进行控制,研究其控制效果及工程可行性,为工程应用提供参考。本文基于结构振动控制的理论,以一实际刚构—连续梁桥为背景,将主动变阻尼装置应用到桥梁的减震控制中,采用限界Hrovat最优半主动控制算法,利用Matlab软件仿真分析了三种地震波（EL-Centro波、Taft波、天津波）无控和半主动控制下的地震反应规律,分别讨论分析了相应的计算结果,对桥梁纵向施加一致地震激励下刚构—连续梁桥地震响应的减震效果进行研究,得出了主动变阻尼装置对刚构—连续梁桥的控制规律。（1）简介空间梁系有限元分析方法,阐述了利用空间梁单元建立结构有限元模型基本理论,然后利用空间梁单元建立了刚构—连续组合梁桥的空间动力分析模型,为抗震计算和减震研究提供分析对象,说明了结构动力分析地震波的选取和调幅规则和动力微分方程的求解方法;总结了结构振动控制的基本理论和方法。（2）主动变阻尼装置控制策略分析。基于LQR经典线性二次型最优控制算法,利用主动变阻尼装置对一实例进行振动控制,仿真分析了三种半主动控制策略和被动控制策略的减震效果。研究结果表明:在桥梁结构中附设主动变阻尼装置可有效控制结构在地震作用下的纵向振动;合理的半主动控制算法（限界Hrovat最优控制算法）可以起到较好的控制效果。（4）刚构—连续组合梁桥纵向无控、主动变阻尼装置半主动控制研究。通过在刚构—连续组合梁桥上安装主动变阻尼装置,采用限界Hrovat最优控制算法,利用Matlab软件研究其沿桥梁纵向输入三种地震波作用下桥梁无控和主动变阻尼装置的半主动控制效果,最后比较分析了控制前后的地震反应,研究结果表明:采用主动变阻尼装置对刚构—连续梁桥进行控制是可行的,有很好的控制效果。（5）研究了主动变阻尼装置在控制过程中控制算法的实现情况,并比较了半主动控制输出控制力与主动控制力的关系。研究结果表明:主动变阻尼装置很好的实现了本文采用的限界Hrovat最优算法;主动变阻尼装置的半主动控制力与主动控制力有很大差别,采用主动变阻尼装置对桥梁进行控制时只能尽可能接近主动控制力,而不能完全实现主动控制力。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 引言
• 第一章 绪论
• 1.1 问题的提出
• 1.2 刚构—连续梁桥的特点和发展
• 1.2.1 结构特征和受力特点
• 1.2.2 国内外刚构—连续梁桥的发展应用
• 1.3 桥梁地震响应分析研究现状
• 1.3.1 桥梁结构地震破坏的主要形式
• 1.3.2 国内外桥梁抗震研究现状
• 1.3.3 刚构—连续组合梁桥地震反应研究现状
• 1.4 结构振动控制研究现状及其应用
• 1.4.1 结构振动控制的基本概念和分类
• 1.4.2 桥梁结构地震响应的控制
• 1.5 本文主要研究工作
• 第二章 桥梁动力分析理论和结构振动控制方法
• 2.1 桥梁动力学有限元分析方法
• 2.2 桥梁结构动力分析基本理论
• 2.2.1 结构运动方程
• 2.2.2 空间梁单元的刚度矩阵、质量矩阵、阻尼矩阵
• 2.2.3 坐标转换
• 2.2.4 地震波的选取与调幅
• 2.2.5 桥梁结构动力微分方程的求解
• 2.3 结构振动控制方法
• 2.3.1 被动控制
• 2.3.2 主动控制
• 2.3.3 半主动控制
• 2.3.4 混合控制
• 第三章 主动变阻尼控制的基本原理及控制策略分析
• 3.1 主动变阻尼控制装置的特点和计算模型
• 3.1.1 控制装置的原理和基本构造
• 3.1.2 控制装置的计算模型
• 3.2 最优控制力的确定
• 3.2.1 LQR经典最优控制
• 3.3 半主动控制策略
• 3.3.1 简单Bang-Bang控制算法——Semi1
• 3.3.2 最优Bang-Bang控制算法——Semi2
• 3.3.3 限界Hrovat最优控制算法——Semi3
• 3.4 控制策略分析
• 3.4.1 桥墩—梁—变阻尼控制系统计算模型的建立和动力反应方程的推导
• 3.4.2 数值算例与仿真分析
• 第四章 大跨刚构—连续梁桥主动变阻尼控制研究
• 4.1 MATLAB简介
• 4.2 工程背景
• 4.3 桥梁计算模型的建立
• 4.4 阻尼器设置
• 4.5 半主动控制方法
• 4.6 地震动输入
• 4.7 主动变阻尼装置参数设计
• 4.8 纵桥向无控地震反应
• 4.9 纵向主动变阻尼半主动控制反应比较与分析
• 4.10 半主动控制力与相对速度和主动控制力的关系
• 4.11 程序流程
• 第五章 结论和展望
• 5.1 主要研究和结论
• 5.2 需要进一步研究的工作
• 参考文献
• 致谢