负刚度非线性黏滞阻尼器对斜拉索振动控制研究

为提升传统被动线性黏滞阻尼器（LVD）对斜拉索的减振效果,本文融合被动负刚度控制技术和非线性黏滞阻尼特征,开展了负刚度非线性黏滞阻尼器（NSNVD）对斜拉索减振增效的研究。基于能量等效线性化方法获得了 NSNVD 的线性等效力学模型;采用复模态分析获得了斜拉索张紧弦模型的附加模态阻尼比的近似解和迭代解,并分别与考虑或忽略斜拉索垂度和抗弯刚度的数值仿真解进行对比,验证了能量等效线性化方法对 NSNVD 斜拉索减振系统的适用性;基于考虑斜拉索垂度和抗弯刚度的仿真解分别开展了 NSNVD 对斜拉索单模态减振效果参数分析和多模态减振效果优化研究,获得了 NSNVD 负刚度系数和黏滞阻尼指数对斜拉索单模态和多模态减振效果的影响规律。研究结果表明：NSNVD 的被动负刚度效应显著提升了斜拉索单模态减振效果,负刚度效应和非线性黏滞阻尼特征均有助于提升斜拉索多模态减振效果;与非线性黏滞阻尼器（NVD）和负刚度线性黏滞阻尼器（NSLVD）相比,NSNVD 对斜拉索具有更好的减振效果。     

超长拉索多模态控制的黏滞阻尼器参数优化研究

苏通大桥500m级斜拉索的振动响应实测表明：超长拉索可能存在剧烈的高阶涡振,且发生风雨振的模态阶数也远高于传统中、短索。传统的控制斜拉索前若干阶模态的黏滞阻尼器参数优化方案无法满足超长索的高阶模态振动控制要求。为此,对拉索-黏滞阻尼器系统高阶模态的附加模态阻尼比及最优阻尼系数进行了推导;再以模态阻尼比为控制指标,研究了适用于控制超长拉索多模态振动的阻尼器参数方案,并与传统前若干阶模态控制方案进行了分析对比。研究表明：相邻的较低阶模态对应的最优阻尼系数之间差别巨大,导致阻尼器按照控制前几阶模态进行参数设计时,控制效果随着模态阶数的提高而急剧下降;而随着模态阶数的提高,相邻模态对应的最优阻尼系数之间差别将减小。若不考虑对第1,2阶模态的控制,从第3 阶模态开始考虑（即ζ3≥ζmin）设计阻尼器参数,阻尼器对超长拉索控制的模态范围能够被大幅扩大。     

惯性质量对斜拉索阻尼器减振增效作用试验研究

为提升斜拉索被动黏滞阻尼器的减振效果,开展了阻尼器并联的惯性质量单元对斜拉索减振的增效作用试验研究。首先基于滚珠丝杠位移增效机制、两节点惯质单元"inerter"与电磁阻尼技术集成了惯性质量和阻尼系数均具有可调性的惯性质量电磁阻尼器(EIMD)样机,综合理论分析与力学性能测试建立了EIMD的力学模型;然后建立模型斜拉索-EIMD减振试验平台,通过改变EIMD的惯性飞轮转动惯量和负载电阻阻值,分别测试分析了惯性质量和阻尼参数对斜拉索面内振动前2阶模态附加阻尼比的影响规律;最后对比研究了惯性质量频率相关型负刚度与恒定型负刚度对斜拉索阻尼器的减振增效作用与机理。结果表明:随着阻尼器惯性质量的增加,斜拉索前2阶附加模态阻尼比均先增加后下降,且第2阶模态最优惯性质量小于第1阶模态;斜拉索第1,2阶模态附加阻尼比最大试验值分别达到了线性黏滞阻尼器理论最优值的2.02,4.46倍;当惯性质量无量纲负刚度系数逼近"-1"时,斜拉索减振效果提升效应最为显著;惯性质量频率相关型负刚度与恒定型负刚度均通过负刚度特性放大阻尼器的位移实现耗能增效,但惯性质量负刚度不会诱发斜拉索减振系统稳定性问题。     

索梁动力耦合对非线性拉索阻尼器减振效果的影响分析

索梁耦合振动会影响斜拉桥动力性能,特别是对模态阻尼比会产生不利影响.为了解索梁耦合振动对附加非线性阻尼器后拉索模态阻尼比的影响,根据吸收能量等效的原则得到了工程常用非线性阻尼器的等效线性阻尼系数.建立了由索、梁和等效粘滞阻尼器组成的理论模型,采用复模态分析方法详细研究了主梁振动频率与拉索振动频率比对拉索附加非线性阻尼器减振效果的影响.结果表明:当主梁与拉索的频率比相近时,拉索阻尼器的减振效果会大幅降低.     

斜拉索—摩擦型阻尼器系统的阻尼特性分析

研究了采用非线性摩擦型阻尼器的斜拉索振动控制的阻尼特性。通过数值模拟斜拉索-摩擦型阻尼器系统的自由振动,分析了斜拉索位移时程曲线的衰减特征,系统模态阻尼比的变化规律以及拉索振动形状的变化。通过对拉索模态阻尼比的参数分析,得到了摩擦型阻尼器参数和拉索附加阻尼关系的通用设计曲线。研究了拉索-摩擦型阻尼器系统最大附加阻尼的取值,结果表明斜拉索的最大模态阻尼比依振动初始条件等参数影响分布在一个范围而非定值,其下限值仍高于采用线性黏滞阻尼器时所获得的最大模态阻尼比。最后将数值模拟结果与已有实索试验数据进行了对比,二者吻合良好。     

垂度拉索-惯质阻尼器体系的减振分析

提出一种利用齿轮齿条、惯质元件和黏滞阻尼元件组合的拉索用新型惯质阻尼器,给出了阻尼器各元件参数的理论设计方法,并指出了其耗能原理。利用理论推导结合数值计算的方法给出其单体耗能性能,建立了拉索-惯质阻尼器体系的平面内运动方程,使用复模态分析法,给出了考虑垂度拉索-惯质阻尼器体系的模态阻尼比计算公式。针对某实际拉索,使用无量纲化分析方法,给出了实索惯质阻尼器的设计参数及相应的拉索模态阻尼比。研究了同一惯质阻尼器参数对不同拉索振动模态的减振效果。结果表明,当有垂度拉索在惯质或阻尼增大时会趋近于本阶次的嵌固频率。针对某实际超长拉索,当目标减振模态阶数不太多时,经过惯质、黏滞阻尼及安装位置等多参数调谐之后,可获得优于现有黏滞阻尼器的广谱减振效果。     

基于可变摩擦阻尼力的斜拉索半主动控制算法

通过比较线性粘滞阻尼器和摩擦型阻尼器的耗能,发现斜拉索采用摩擦型阻尼器获得的最大附加阻尼高于相应的线性粘滞阻尼器,进而提出了基于可变摩擦阻尼力的斜拉索半主动控制算法。该算法通过控制阻尼器位置处的拉索位移振幅来实时调节阻尼力,使其始终满足拉索-阻尼器系统的最优阻尼力幅值与最优阻尼器位移幅值的对应关系。按摩擦型阻尼器的方式耗能,系统获得的最大附加阻尼总是高于线性粘滞阻尼器的被动最优控制,且与振动频率无关,可以实现斜拉索的变频率多模态振动控制。最后,分别针对斜拉索的自由振动和简谐强迫振动进行了半主动控制算法的数值模拟,验证了其减振效果。     

索-梁耦合振动下的拉索复合减振方法研究

既有研究结果和工程实践表明:当发生索桥耦合振动时,黏滞阻尼器提供给拉索的实际阻尼值远小于理论计算值。为保证耦合振动下的减振效果,提出利用常规黏滞阻尼器附加TMD的复合减振方法。为此,建立了拉索、黏滞阻尼器与TMD组成的理论分析模型,并开展了相应的室内试验。理论分析与试验结果的对比分析表明:根据最主要贡献模态设计的附加MTMD,能最大程度地协助黏滞阻尼器抑制该模态脉动;该复合减振方法可有效弥补索端黏滞阻尼器由于索-桥耦合振动等原因造成的减振效果损失问题。     

黏滞阻尼器联合负刚度对斜拉索减振控制的增效研究EI北大核心CSCD

阻尼器的负刚度特性有助于提升其对斜拉索的减振效果,为探究负刚度装置(NS)对黏滞阻尼器(VD)应用于斜拉索减振控制的增效作用,开展了VD联合NS对斜拉索减振控制的增效研究。采用复模态分析方法获得了斜拉索-VD-NS耦合系统的特征方程,并进一步推导了斜拉索附加模态阻尼比的近似解;分析了NS的负刚度系数和安装高度对斜拉索模态阻尼比和振动频率的影响;基于输出反馈的LQR控制,获得了给定负刚度系数时VD对斜拉索多阶模态减振控制的最优参数,进而研究了负刚度系数和NS安装高度对斜拉索多阶模态振动控制的增效作用。研究结果表明:增加NS的负刚度系数或安装高度均有助于提升VD对斜拉索单阶模态和多阶模态减振效果,同时减小了VD的最优阻尼系数;NS对VD减振性能的提升归功于负刚度系数或NS安装高度的增大对VD位移幅值的放大效应,提升了VD的耗能能力。     

基于深度强化学习的拉索智能减振算法EI北大核心CSCD

为了降低振动控制算法对拉索-MR阻尼器系统动力学模型精度的依赖性,提出一种基于深度强化学习理论的无模型减振算法。该方法利用控制模块与环境之间的交互实现对拉索振动的自适应半主动控制,依据拉索特定点响应状态在线调节阻尼器施加电压,降低反馈控制要求。为验证智能控制算法的有效性,采用Galerkin法建立拉索-MR阻尼器环境模型,并以实桥拉索减振设计为例对比分析了黏滞阻尼器多模态控制、Bang-Bang控制、深度强化学习控制对拉索的风振控制效果。结果表明:在随机风荷载作用下,深度强化学习控制算法不仅能够实现对拉索的无模型振动控制,且控制效果优于黏滞阻尼器多模态控制和MR阻尼器的Bang-Bang控制。     

MR阻尼器在风雨激振的斜拉索中的减振应用

在考虑拉索垂度等条件下建立了拉索的风雨激振空间力学模型。在假设水线简谐运动,其频率和拉索一阶频率相等的条件下,得到了拉索在不加阻尼器的情况下距顶端1/2处和3/4处的面内、面外位移响应以及它们的幅频曲线,从而得出拉索主要是以单模态振动,且面内振动是安全的主要威胁。选用一对MR阻尼器对斜拉索进行减振,研究了模态阻尼比和阻尼器安装位置以及电压的关系,得到了拉索振动平稳后的位移响应。结果表明模态阻尼比存在最优电压值,而当阻尼器安装位置较高时,具有较好的减振效果。     

采用向量式有限元的斜拉索振动控制仿真

采用向量式有限元(Vector Form Intrinsic Finite Element(VFIFE)),建立斜拉索模型,通过给空间点增加附加作用力来模拟阻尼器对斜拉索的作用。模拟了拉索激振和振动衰减的过程,利用Hilbert变换处理拉索的衰减时程,得到拉索的附加阻尼比,分析了阻尼器的线性粘滞阻尼系数、阻尼器内刚度、阻尼器运动部分质量、阻尼器支撑刚度,及斜拉索垂度对附加阻尼比的影响;并将结果与附加阻尼比通用计算公式计算结果进行对比。结果表明,采用VFIFE建立斜拉索-阻尼器系统能准确地模拟阻尼器对斜拉索的振动控制作用;模拟得到的结果与通用计算公式给出的结论相符;系统存在最优阻尼系数和最优阻尼比;阻尼器内刚度的增大和支撑刚度的减小将降低系统阻尼比;阻尼器运动部分质量的增大将增大系统阻尼比;拉索垂度对第1阶模态阻尼比的降低影响较大,对于高阶模态的影响很小。     

设置黏滞阻尼器的斜拉索参数振动模型及控制分析

为了掌握黏滞阻尼器对斜拉索参数振动的抑振效果,考虑拉索几何非线性、倾角以及桥塔和加劲梁的协同振动影响,建立了黏滞阻尼器-拉索-塔梁耦合体系的参数振动模型,推导了黏滞阻尼器作用下斜拉索的运动方程组,提出了控制拉索参数振动的阻尼器阻尼系数计算公式,并与传统单索模型对比,分析了塔梁协同作用对拉索固有频率的影响水平;编制计算程序比较了斜拉索安装阻尼器前后的振动位移时程特征,研究了三种典型索梁频率比下阻尼器的阻尼系数、安装位置对拉索参数振动的影响。结果表明:塔梁协同作用对拉索固有频率的影响水平与索力、索长密切相关,索力越小,索长越长,塔梁协同作用的影响率也越大。安装了黏滞阻尼器后,斜拉索的振动位移呈非线性衰减趋势;随着阻尼系数的增大,拉索的最大振幅逐渐减小,但其振幅衰减率呈现先增加后降低的趋势,系统存在一个最优阻尼系数;阻尼器安装位置距离索梁锚固端越远,拉索振幅越小,存在一个衰减率为零的临界安装位置,当阻尼器安装位置超过临界位置时,振幅不能持续衰减,阻尼器的抑振效率降低。     

自供电MR阻尼器对斜拉索减振的试验研究

为简化磁流变(MR)阻尼器斜拉索减振系统,同时提高可靠性,基于电磁式振动能量回收技术构建了具有自供电特性的MR阻尼器斜拉索减振系统。其主要由分别安装在拉索较低、较高位置的电流调节式MR阻尼器、旋转式永磁发电机构成,采用链条-链轮机构进行斜拉索面内往复直线运动与电机转子旋转运动的转化,将电机回收的振动能量直接作为MR阻尼器的电源。模型斜拉索减振试验结果表明:相对外供电MR阻尼器最优被动控制,自供电MR阻尼器除斜拉索第1阶模态减振效果基本相当外,自供电MR阻尼器对斜拉索第2~4阶模态减振效果突出,相应的模态阻尼比分别提高了31.8%、37.4%与43.0%;随着斜拉索模态阶次的逐渐增大,自供电MR阻尼器的负刚度控制特性越加凸显,从而显著提高了自供电MR阻尼器对斜拉索高阶模态的减振效果。     

基于多尺度方法的带颗粒阻尼悬臂梁自由振动半解析分析

被动式颗粒阻尼器原理简单、性能优越,广泛应用于结构减震领域。极端环境容易激起结构的高频振动,颗粒阻尼的非线性特性使得多模态振动的减振特性相互耦合。采用模态综合法分析自由端带集中质量块的悬臂梁、离散单元法模拟颗粒阻尼器中颗粒集的运动,基于多尺度分析的球-墙耦合模型建立了揭示结构多模态振动条件下颗粒阻尼减振机理的半解析分析模型。分析表明,颗粒阻尼器具有良好的减震效果,减振性能受结构振动模态影响很大。与单一模态振动减振性能相比,多阶模态振动同时存在时,低阶模态幅值的衰减出现了滞后,而高阶模态幅值的衰减则明显加快。因此,采用单一模态获得的等效阻尼比不足以表征复杂振动条件下颗粒阻尼器的减振性能。     

被动电磁阻尼器对斜拉索振动控制研究

斜拉索的有效减振技术,对斜拉桥的安全运营至关重要,开展了基于电磁阻尼器的拉索减振新技术研究。首先测试一种旋转式电磁阻尼器的电、力学性能,然后建立了电磁阻尼器-模型斜拉索减振试验平台,研究了阻尼器的安装高度及直线-旋转运动传动比对拉索减振效果的影响。试验结果表明,电磁阻尼器对试验拉索的前五阶面内振动模态均可以取得较好的控制效果,而且安装位置越高、传动比越大,控制效果越好。分析表明,优越的减振效果主要归功于电磁阻尼器减振系统兼具的黏滞阻尼与负刚度现象。     

磁流变阻尼器与拉索振动控制研究

磁流变阻尼器是一种新型智能装置,具有阻尼力连续逆顺可调并且可调范围大、良好的温度稳定性以及很好的耗能减振等特点,因而在拉索振动控制中较其它阻尼器具有显著的优势.本文总结介绍了自2000年以来应用磁流变阻尼器抑制拉索振动方面的主要研究成果.进行了拉索-磁流变阻尼器系统的减振性能仿真研究,得到了拉索模态阻尼比与阻尼器安装高度、输入电压等参数的关系,提出了应用磁流变阻尼器进行拉索振动控制的数学模型和工程实用设计方法.开展多次现场试验研究,全面评估了磁流变阻尼器的实际减振性能.开发了磁流变式拉索减振新技术,并已于2002年在岳阳洞庭湖大桥全桥实施.作者发明了一种永磁调节式磁流变阻尼器,解决了供电无保证时磁流变阻尼器的应用问题;并将其应用于长沙洪山大桥的拉索减振.近4年来显示了磁流变阻尼器对拉索良好的减振效果.     

考虑垂度影响的拉索-双粘滞阻尼器系统振动分析

随着斜拉索长度的不断增加,在索近梁端单点安装阻尼器已经难以满足拉索减振的需要。同时,已有研究表明索垂度会减弱索端阻尼器的减振效果。因此,针对超长斜拉索,考虑垂度的影响,分析了斜拉索上两处安装粘滞阻尼器(拉索-双粘滞阻尼器)系统的复模态特性。考虑实际中阻尼器一般安装于近索锚固端位置,推导出了该情况下系统模态阻尼比的近似解析表达式,进行了阻尼器参数对索阻尼的影响分析和优化。结果表明:对于双阻尼器系统,垂度仍对拉索对称振动模态的阻尼比有减弱效果,对反对称振动模态无影响;阻尼器对称安装于索两端时,即使考虑垂度索所获得的最优阻尼相比于安装单个阻尼器时可以提高至2倍,能有效解决单阻尼器提供阻尼不足的问题。双阻尼器同端布置相比于仅安离索端较远的阻尼器时,索单阶最优模态阻尼无提高,但对于同时抑制拉索高、低阶振动具有优势。     

一种惯质黏滞阻尼器的性能及其对拉索减振效果的试验研究

该研究制作了一台利用齿轮、齿条、惯质元件和黏滞阻尼元件组合的拉索阻尼器样机,并开展了详细的拉索减振试验研究。建立了考虑拉索垂度、内阻尼特性、阻尼器齿轮惯质、转动轴惯质与轴承的阻尼特性等因素影响的拉索-阻尼器振动体系,并利用改进的Galerkin方法进行数值分析。详细讨论了该新型阻尼器的自身性能参数、耗能性能及其针对拉索的减振性能。试验结果与数值计算对比分析表明：惯质黏滞阻尼器具有明显的负刚度,由此产生的位移放大效应对拉索减振效果有显著的正面影响。改进的Galerkin方法能够用于惯质黏滞阻尼器-拉索减振系统的分析中,且该算法不依赖于计算初值的选择;数据计算结果与试验结果吻合较好,验证了该研究计算方法的准确性;该惯质黏滞阻尼器对拉索振动具有良好的减振效果。     

齿轮齿条式惯质粘滞阻尼器的拉索减振机理研究

针对一种新型的齿轮齿条式惯质粘滞阻尼器,利用归一化的复模态方法,讨论了该新型阻尼器的自身性能参数和耗能性能;建立了考虑垂度的拉索-惯质粘滞阻尼器振动体系,用归一化的方法研究了惯质系数和阻尼系数对拉索模态阻尼比的影响。模型试验与数值计算的分析表明：由负刚度产生的位移放大效应使惯质粘滞阻尼器具有良好的拉索减振效果;在考虑单阶振动时,为达到较高的单阶模态阻尼比,不同阶次所需惯质系数与阻尼系数有所不同;在惯质系数为优化值时,惯质粘滞阻尼器能够同时使得相邻的两阶振动的模态阻尼比达到最大。