（工程力学专业论文）拉索—磁流变阻尼系统数值分析.pdf

摘要 摘要 自1 9 世纪年代发现斜拉桥拉索的风雨振现象以来，斜拉索的大幅振动及振动 控制己引起人们的普遍关注。斜拉索振动控制可采用被动、半主动和主动控制等多种 控制方法。通常，半主动控制的控制效果优于被动控制，而其经济性和实用性又优于 主动控制。因此，半主动控制成为斜拉索振动控制研究的热点问题。 采用磁流变阻尼器进行拉索半主动控制是近l o 年来斜拉索振动控制技术发展的 新趋势到目前为止，国内外还没有支持拉索半主动控制计算分析的专用软件因此， 研究斜拉索半主动控制计算方法，开发相应的分析程序和软件，对拉索半主动控制技 术的发展和推广应用均具有重要意义。 为此本论文开展了以下研究工作； l 、介绍拉索振动控制的主要措施，比较了各种措施的减振效果、耐久性、经济性 等技术经济指标，分析了智能磁流变阻尼器在斜拉索振动控制方面的发展趋势和应用 前景； 2 、分别采用m a t l a b 语言和a n s y 8 有限元程序建立了磁流变阻尼器的力学模型， 对磁流变阻尼器的力速度曲线进行数值模拟，取得了良好的效果； 3 、对大型通用有限元程序a n s y s 进行二次开发，用a 阳l 语言编写了磁流变阻 尼器一拉索系统有限元模型的参数化建模程序和振动控制算法； 4 、对磁流变阻尼器拉索系统的阻尼特性进行了参数分析，讨论了磁流变阻尼器 屈服力和激励大小及位置对拉索模态阻尼比的影响，取得了一批既具有理论参考意义， 又具有实际应用价值豹结果。 关键词：斜拉桥；数值仿真；拉索减振；磁流变阻尼器；半主动控制 a b s t r a c t 皿el a 学v i b 枷0 n 掣蝴l b c 呐l d - 1 a 小训“嘲0 n c a b l e so f c a b i e - s 恤y e db 蕾i 码g 翻h 柏b 嘲p a i dm o 把种晒妇咖b a n yi n 地md a d e s 1 1 瞰既i c a l s t i l d yh 勰i n d i c a t 。d 也缸m i - 刊v cc m b d d l s i 甥加砸田e t o - l h b g i c a l 似r ) n u i d 出嘎 e 岛棚【dp v i d eh i g h 日咖i n gm a np 翘s i v ec ( 删乜j d l 置i s 埘船嗨翰巧t o 嘲i d y 血e n u 腻a lm e t h o 【kf b f 血es i f m i l a 吐o no f t h e 剐蛐d i 1 戚v ec 舡o ln i e t h o d s u pt od a l e ，t h 雠i | p a r t i c u l a r 舳缸删嗽砌曲u h 妇o f 血e 洲r d i m p 凹暑y s 岫吐g 既嘲mf i l i 伦d 咖蛆t 幻f t w a 嘲，s u c h 懿a n s y 8 。s a “b 脚，c 幻，a m 皿吐 c w 黜劬i nd ：a l i n gw i m 血ec a b i c ：m r 出l m p 盯8 y s 蛔nr 船e a 尬h 鹩d l 墨砸b e d 血t h i st h 筋i 8 a i m 毫t dd e v d o p c dap r o g 眦f b r 姐扣i n gt h e 翻m e ，m rd l i m p 盯s y s 锄哦锄df o n o w i n g 帕f l 【暑a c a l r i e do i l l ( i ) t h eo 咖叩a l i s 咖o fl h c 础i i n 珊绷蜘埘恤o fv i 螂咖n o lo fc a b l e 8 锄d v i b m i r e d u c t i o n 硪鳅眦劬姗a n dn l e p a p e f 唧麟s 也a t t h e v i b f a 妇鲫i 砌b y i n l e m g e n tm a 印c t o _ i h e o l o g i c a l 似r ) d 叠暇i p 哪i s 血ed t 婶e 1 0 p 缅g 删o fm e 、，i b i a 虹d n c 伽仃i d lc 曲l e - s t a y e db i i d g e si n 触e l ( i i ) mi i n i 把d 锄t 皿0 d c lo f 咖g l ed a 嘴i n 蛐o f 血e 咖a lp 删吼缸 e s t 捌i s h e d ，w h 妯i ib a s e d m e 眦o fm ee x i s 石n g 蛳c h a n i c a lm 批0 fm c m a 扣d 沪f h l o 毋c a l r ) d a 血p e 描越柑i n gt os i m p l c 蛐de 鄹| c tp 证c j _ p l 铭t h e nm c 伽m 鲥c a l 出咖撕0 ft h ec a b l e d a m p 凹叼，g t e mi ss e l e 嘶，d 懿m em h a 】血a l 栅e lo f d a l n p t 强岬m e 缅沁c a l c i l 蜥阻a n d s h n u 蜥0 n ( i i i ) b a s e d a p d l l a n 脚，a p 加m 细瑚d e l i n g t h e c 曲l 岬e t 0 删o g i c m 似r ) 如唧盱s y s 把mi sd e y e l 印e d 1 kc 鲰扭o fs y s t e mp a 删n 觏s ，舳c h 锄t h ey i e l d i n g 胁o f 血e m r d a 唧m e l o ca t ：i o n a n d a m p l i m d e o f 也e e 黜i 协d 咖，o n i h e 呐a l e n t m o 咖 d m l p i n gn t i oo f t h es 粥把ma 始d i 3 c 酆蒯 k e y _ 0 r d s ：c a b l e _ 。t a y e db d g e s ； m 矩丑i 姐r l h 帖g i c a l 似r ) 出i m p 盯； 瑚l m 既i c a ls i 加l i l a t i 锄；、，i b i 刎i o nm i 6 9 蜘； 默姐i a c 吐v ec o n t m l 重庆交通大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作 所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己 经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 刁易 日期：撕刁年f 月卫日 重庆交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授 权重庆交通大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 躲习步臌：荔广 嗍。中日 嗍2 习“邸日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究拉索振动控制的必要性 斜拉桥是一种由塔，粱、索三种基本构件组成的，塔，粱作为桥面体系受压，索 作为支承体系受拉的组合桥梁结构体系。作为一种拉索构造体系，斜拉桥比梁式桥具 有更大的跨越能力，同时比悬索桥具有更好的经济性，而且斜拉桥线条纤秀，构造简 洁，造型优美，所以尽管它的建造历史远比悬索桥晚，但发展极为迅速。 斜拉桥拉索作为支承斜拉桥的重要组成部分之一，具有质量小、阻尼低、柔性大 的特点，在各种激励下，极易发生大幅振动，尤其在风雨共同作用下，拉索容易发生 所谓的风雨振现象，它是拉索振动中振幅最大、危害最严重的振动。斜拉索的振动是 桥梁振动的一种主要形式。一方面随着斜拉桥跨度的不断增加，桥梁结构频率越来越 低，易受环境激励发生各种振动，从而诱发拉索的振动；另方面斜拉桥的质量和阻 尼也越来越小，极易发生由于外部激励引起的强烈振动。 拉索的振动特别是风雨振引起的大幅振动容易引起索的疲劳，在锚索结合处产生 疲劳裂纹，破坏索的防腐蚀系统，诱发拉索锈蚀乃至失效，危及桥梁结构的安全，影 响桥梁正常性能的发挥。据报道【i l ，德国有多座斜拉桥主要由于拉索振动引起拉索部 分钢丝疲劳破坏。虽然国内建设斜拉桥的时间不长，但也已经出现斜拉索断裂事故， 如济南黄河大桥和广州海印大桥已更换了全部拉索，重庆嘉陵江石门大桥也更换了部 分拉索。斜拉桥的换索工程施工非常困难，不易控制，且耗资巨大，有些还要中断交 通，对大桥的运营产生不良的影响。为确保斜拉桥的安全性和持久性，因此，斜拉桥 拉索的振动控制成为该类桥梁必须解决的关键闯题。 对于拉索的振动控制，国内外的学者和专家们进行了大量的研究，由于弓l 起斜拉 桥拉索振动的机制不同，拉索振动控制的方法也就各异。现根据不同的振动机制，说 明目前国内外常用的振动控制措施。 1 2 斜拉桥拉索的振动分类 斜拉桥的拉索在自然因素和人为因素下会发生各种不同机制的振动，自2 0 世纪 年代初，各国的学者对斜拉索的振动进行了研究。目前已知的拉索振动形态主要有 受自然因素引起的风致振动、风雨激振和参数共振；受人为因素( 如人群、车辆的运动 等) 引起的抖振。在本节中分别进行阐述。 第一章绪论 2 1 2 1 风致振动 在索支撑桥梁中，风致振动的产生一般有两种类型尾流驰振和涡激共振，前 者主要考虑强风作用下大振幅问题，且通常频率较低。 尾流驰振：斜拉桥中常常为了方便施工减小每根拉索的张拉力，采用相互平行且 距离很近的两根或多根拉索组成的索组。两索沿风向斜列时，处于下风向的拉索受到 上风向索尾流的影响产生剧烈的振动，即尾流驰振。上游拉索的尾流中存在一个不稳 定的驰振区，如果下游拉索正好位于这一不稳定区中，其振动就会不断加大，直至达 到一个稳态大幅度的极限环。当两拉索相距较远，超出尾流驰振不稳定区时，就不会 发生尾流驰振。 涡激共振：拉索横断面一般为圆形。当风流经过索时，在一定条件下，在其横断 面尾流中将出现交替脱落的漩涡，此即所谓的勋衄啪涡漩。当漩涡脱落频率接近于 拉索的某阶固有频率时，便发生涡流激振。一般拉索的低阶涡激振动的发振风速非常 低，涡激力很小，因而通常拉索均出现比较高阶的涡激振动，通常观察到的涡激振动 都是4 阶或5 阶。风的涡激力并不大，产生较大涡激振动的原因主要是斜拉索自身的 阻尼极低。 1 2 2 参数共振 参数共振是一种自激振动，是由影响振动系统动力特征的某些参数周期性变化引 起的。斜拉桥拉索的上、下端分别与桥塔、桥面相连接。桥梁在风作用下以频率正发 生抖振，主塔和塔柱的振动通过斜拉索支座引发索力的周期性变化，当正好等于拉 索某阶模态频率的2 倍时，拉索叩发生参数共振。拉索的参数共振往往表现为拍振， 振动能量在拉索和桥梁之间转换。 1 2 3 抖振 拉索在随机脉动分量作用下会产生限幅的随机振动，称为抖振。因为斜拉桥拉 索抖振振幅一般远小于前述风振振幅，因而一般不作为控制对象，但增加斜拉索结构 阻尼可大大减小抖振振幅。 1 2 4 风雨激振 1 9 8 4 年日本学者碰l 【a m i 第一次观察和提出了风雨激振概念圆唧所谓风雨激振， 是指风，雨共同作用引起的拉索大幅振动现象，简称为雨振或风雨振，它是目前所有 拉索风致振动中最强烈的一种，在世界许多斜拉桥上观察到了这种现象。大量观测证 实，斜拉桥拉索因风致引起的大幅振动在很大程度上属于风雨激振。荷兰的勘a 蛐哪 第一章绪论 3 桥发生风雨振时单边振幅达到0 m m ；国内杨浦大桥和武汉三桥都观察到了风雨作用 下的强烈振动，其最大振幅超过1 m ；岳阳洞庭湖大桥也观测到了强烈的风雨振，振 幅超过8 0 0 n 皿。鉴于风雨激振的巨大危害性，1 9 9 8 年丹麦召开的第十届国际风工程 学术会议将风雨激振作为桥梁抗风重点研究课题之一 关于风雨振的发生机理，研究者们开展了一系列现场观测和风洞试验研究。 美国在e a 砒m 妇g o 哑和f r e di i a 衄蛆两座桥上安装t 加速度计、雨量计、风速 仪等传感装置，利用现代传感技术、计算机技术和信号处理技术，在实桥上建立了风 雨振长期观测系统，通过长期观测，得到各种气候条件下拉索的振动情况嗍； v t 种矗如嘲嗍利用风洞试验研究了风雨振激振机理及风速、攻角、水线等因素的影 响； l 丑m m 等则利用风洞试验研究了前后排列拉索的风雨激振，并利用风洞试验评估 了多种减振方法的性能； i i i k a m i 嘲( 1 9 8 6 ) 、b os d l o g i 蛐n i 棚( 1 明6 ) 、m a t s u 啪t 0 【1 田( 1 9 9 8 ) 提出了单自由度驰振模 型，认为在一定的风速和来流攻角条件下，雨水在拉索表面形成的水线是引起拉索风 雨激振的关键因素。依据d 瞰h a r t o g 驰振不稳定判据，水线的出现使拉索截面的气动 升力系数斜率为负值，稳定的气动外形变为不稳定的气动外形； i 王i k a m i 叫( 1 9 8 7 ) 、y a 加a g l l c h j 【1 习( 1 9 9 0 ) 、v v i c l 地【1 3 1 ( 1 9 9 8 ) 用弯扭两自由度耦合模 型来解释风雨激振的基本成长机制，认为风雨激振是由拉索振动和水线环绕拉索轴线 做周向振荡这两种运动相互耦合而引发的，由此建立了两自由度系统运动的线性化方 程。通过复特征值分析，得到随风速而变化的索平动模态气动阻尼系数。在风速1 0 n 以 左右时，水线旋转固有频率与索平动固有频率重合，阻尼系数表现为一负的较大值， 于是便发生风雨激振； 中南大学与香港理工大学合作于2 1 年3 月在湖南岳阳洞庭湖大桥建立了风雨振 观测系统，在国内率先开展风雨振现场观测研究通过在拉索上安装传感器，记录了 风雨振发生的全过程【1 4 】； ；一 彭天波、刘慈军、吕强、顾明1 斗【1 村等进行了粘贴人工水线的斜拉桥拉索模型的风 洞试验，得到在偏航角等于o 时，上水线引起拉索振动的起振角度在3 2 。4 2 。范围 内，并建立了拉索风雨振的力学分析模型，分析了拉索风雨振的动力特性和各参数的 影响i 胡圣祖、周述华、何向东等【i 卿对斜拉桥拉索雨振气动制振措施进行了风洞试验研 究，对在斜拉索表面设置纵向肋条。 由于风雨振涉及结构一凤一雨三者之间的耦合，问题非常复杂，迄今为止，对拉 索风雨振的机理尚未有非常明确的结论，但在大体上已形成了共识。风雨振发生的必 要条件为： 第一章绪论 4 具有光滑的拉索表面； 风雨共同作用。 1 3 斜拉桥拉索的振动控制 j 虽然目前一些振动的机理尚未取得突破性进展，但在实际工程应用中各种减振方 法纷纷出现，并且取得了良好的效果。 结构控制是研究在动力荷载作用下控制结构状态响应的理论、方法和措施。结构 振动控制的概念一般即指改变结构体系的刚度、质量或外表形状，或提供被动、主动 的制动力来减小结构的振动。 就目前而言，实桥上拉索采用的防止或抑制拉索风振的方法有以下三种： 改变拉索的光滑表面形状：具体措施是在拉索表面开设凹槽或打凹坑等，防止 雨线的形成，同时改善拉索表面的气动力特性。 增加拉索的刚度从而提高拉索的振动频率，避免低频率的风致振动；具体措施 是将拉索之间用辅助索相互连接，形成一个索网体系。 增加拉索结构低阶振动模态的阻尼，从而有效地抑制拉索的振动；具体措旌是 在拉索上附加阻尼减振器。 以上三种方法中，第一种方法属于空气动力学措施，第二种和第三种方法属于机 械减振措施。下面内容将对上述三种拉索减振方法做详细介绍。 1 3 1 空气动力学措施 所谓空气动力学方法是基于流体与拉索相互作用原理，主要从斜拉索由于风雨振 产生大幅振动的机理出发，通过在拉索p e 包裹段增加突起、沿轴向开设凹槽、沿轴 向螺旋缠绕钢丝或间隔缠绕带状物等措施改变接触状态，影响流场，起到干扰水流， 阻止水线形成的目的，从而保证斜拉索的气动稳定性，抑制风雨振。 日本东神户大桥但i g a s h i k o b eb r i d g e ) 拉索采用齿轮状表面，多多罗大桥口砒a m b r i d g e ) 采用带凹坑和凸起的表面，法国诺曼底大桥心彻咖n m eb i i d g e ) 在拉索表面包裹 带状外罩及缠绕双螺旋钢丝，南京长江二桥n g 钯e 砸v 嚣s 踟db l i d g e ) 在拉索上缠 绕螺旋线，都取得了一定的减振效果 但由于目前对其减振措施的作用机理还无法进行理论分析，各种减振方案的提出 和细节设计都需要试验验证，以避免产生其它不稳定振动，这种方法应用较少 第一章绪论 5 1 3 2 构造措施 拉索互连方式是早期抑制由卡门涡激振动的一种方法。不少结构工程师提倡用辅 助索方法来对于长索的振动进行控制。利用辅助索将拉索连接起来，或者采用连接器 将相互并列的两根索连接起来，从而可增加拉索体系整体的刚度，提高索的振动频率， 提高了拉索各阶振型的广义质量，增加了拉索的机械阻尼和气动阻尼，同时由于每根 索的振动频率、相位和幅值不同，因此可使索之间的运动受到制约而达到一定的减振 效果。日本的名港西大桥、法国的诺曼底大桥和昂船洲大桥都有采用。 虽然经验表明辅助索能有效减小拉索风雨激励的振幅，但它在实际工程中的应用 并不是很普遍，其主要原因是：首先，辅助索结构较复杂，其作用和机理仍没有确切 的定论，因而没有比较完善的设计理论，在设计、施工中只能依照经验，由此发生了 不少断索事故；其次，辅助索破坏了原有拉索系统独有的美观效果。 1 3 3 阻尼器措施 实践证明，采用辅助索方法由于无法有效地确定辅助索中的实际张拉力而易导致 辅助索的破坏，且这一方法有碍于美观；采用空气动力学措施则难以有效地确定其功 效；而采用附加拉索减振阻尼器的方法相对目前的技术理论条件而言较经济，简单且 有效，从而附加拉索减振阻尼器的方法得到了广泛的应用。通过在靠近斜拉索锚固端 的位置安装阻尼器，使拉索系统的等效阻尼比得到提高，从而减少了索的振动能量。 阻尼器的减振效果可以通过系统的模态阻尼比的大小进行评价，具有鲁棒性好的特点。 常用的阻尼器橡胶阻尼器、油阻尼器，粘滞剪切型阻尼器。 高阻尼橡胶阻尼器 橡胶阻尼器主要设置在拉索根部，通过橡胶和拉索间的摩擦及橡胶自身的变形提 供粘弹阻尼耗能，不影响桥梁的外观，成本较低，易于安装和更换，同时橡胶阻尼器 可缓解拉索在锚固端得弯曲应力并起到止水的作用，目前较长的拉索都在锚固处设置 了橡胶阻尼器，如上海南浦大桥、广东南海九江大桥等。但橡胶阻尼器所能提供的阻 尼有限，尤其对于长索来讲，随着索长的增加，减振效果降低，在使用过程中需要和 其他阻尼器共同使用。 油阻尼器 油阻尼器是由汽车用的油阻尼器演变而来。油阻尼器根据活塞出油量的大小来确 定阻尼器的阻尼系数。法国的布鲁东纳桥m t o n b r i d 萨) 、西德科尔布兰德大桥、 美国弗罗里达的s 岫矗h 弧嗒k y w a y 桥、日本荒津大桥、南京长江二桥等在索锚固处与桥 面安装了油阻尼器，并取得了较好的减振效果。油阻尼器的优点是其阻尼系数几乎不 与温度有关；并且几乎没有刚性的影响；除在微小振幅区，一般和速度成比例的阻尼 第一章绪论 6 力易于解析。但是油阻尼器的主要问题是其对微小振动不敏感，而长拉索由于存在“模 态跃迁”现象，其平面内一阶正对称振动在靠近拉索锚固端处振动幅度将变小，从而 油阻尼器对平面内一阶正对称振动设计阻尼值和实际获得的阻尼值不符，使其安装调 节比较麻烦；由于工程条件的限制和美观的要求，阻尼器安装位置不能离桥面太高， 能有效控制的索长一般小于1 5 0 m ，很难对超长索提供足够的系统模态阻尼比；且阻 尼器结构参数不可变，制约了对各种工况的适应能力；油阻尼器结构构造复杂，易发 生漏油和渗油现象，维修费用较高；另外，由于油阻尼器只能提供轴向力，为避免拉 索产生剧烈的椭圆形振动，每根拉索一般要装两个减震器，增加了安装成本。因此油 阻尼器的推广应用存在一定困难。 粘滞剪切型阻尼器 粘滞剪切型阻尼器粘性剪切型阻尼器是利用粘性材料的剪切变形抵抗力来抑制拉 索振动，提高了对小幅振动的抑制效果，利用一个减震器就可以处理斜拉索平面外两 个方向的振动，比较经济；减振器的作用方向可以随斜拉索拉力的变化作相应的移动； 通过调节粘性材料的注入量很容易地得到所需要的粘性阻尼系数，构造简单、无机械 加工误差，对微小振动也有抑制作用；不需要像油压阻尼器所用的密封垫圈，不会出 现因垫圈破损而影响减振效果的问题，易于维修，因此在国内外粘性剪切型阻尼器应 用较为广泛，日本幸魂桥和东京足柄桥，国内武汉长江二桥、荆州长江大桥都得到了 成功应用。但粘性剪切型阻尼器的阻力会随粘性物体温度的变化而发生改变，因此， 该阻尼器的减振效果受温度影响比较大。 1 4 斜拉索磁流变阻尼器系统的研究现状 由于磁流变液的剪切屈服应力很大，工作温度范围很宽，不受外界环境和杂质的 影响等，具有比电流变阻尼器更好的性能和稳定性【刎，自上世纪九十年代后期开始广 受人们关注。 磁流变阻尼器o 山驴e t 广r h l o g i c a l 似r ) d a m p 砷作为一种新型智能可变阻尼 器，利用了磁流变体在外加磁场作用下流变特性发生急剧变化的特殊力学性能，通过 调节输入阻尼器的电压，可以改变施加给磁流变液的磁场强度和阻尼器的阻尼特性， 从而获得振动控制需要的可变阻尼，达到分级控制的目的。它还具有体积小、反应灵 敏、阻尼力大、受外界环境影响小的优点，使得磁流变阻尼器能够成为理想的振动控 制手段，被认为是最有前途的新型阻尼器。因为磁流变阻尼器的阻尼特性具有可调节 和控制的特点，所以应用该阻尼器进行减振又称为智能阻尼减振技术。 自sp e | n o 一2 1 】在1 9 9 9 年首次提出了采用e 剐m r 阻尼器进行斜拉索振动控制研究 的设想以来，国内外很多学者对拉索一磁流变阻尼器系统减振性能进行了大量细致、 第一章绪论 7 深入的研究。采用m r 阻尼器对斜拉索的振动进行控制成为了一个新兴的研究方向。 目前开展这方面研究工作的有香港理工大学的j m k o 研究小组、美国n o 纰d 啪 大学的b f s p c 盯研究小组、日本脚大学的f u j i 研究小组、哈尔滨建筑大学 的欧进萍研究小组、同济大学的项海帆研究小组、浙江大学的孙柄楠研究小组等 在应用磁流交阻尼器进行结构振动控制研究方面，d 啦，s p e n c j o 虹s o n ，鼬i d c y 等嘞鲫在应用磁流变阻尼器进行工程抗震研究领域，开展了许多具有开创性的前期研 究工作；并应用加速度反馈控制方法，进行了仿真模拟与实验室试验，结果显示磁流 变阻尼器的减振性能远胜于被动阻尼器，能够大大降低地震响应。 s p e 铲”( 1 9 9 9 ) 提出了斜拉索m r 阻尼器振动控制系统基于面向速度剪切的半 主动【q r 算法，通过数值计算，证明在靠近斜拉索锚固端处安装阻尼器，并采用半主 动控制算法能获得远高于被动粘性阻尼器的模态阻尼比。 l o u 嘲乜1 ) 给出了采用m r 阻尼器做半主动控制的方法。利用差分法对拉索 m r 阻尼器系统进行了研究，用c h e b y s h 吖正交多项式拟合得出了系统的等效阻尼 比，并依据等效阻尼比提出了步进( s t c p 叫n g _ - s 讯蛐半主动控制算法，研究结果表明， m r 半主动控制效果较好。 n iy q 瞄1 等研究了拉索磁流变阻尼器系统的半主动控制问题，并采用c l q g ( c u p p e d 【血e 缸q i i a d 瞰i cg 肌s s i a n ) 方法和神经网络技术，设计了神经控制器用于状态 评估和反馈控制，并进行了仿真研究。 浙江大学楼文娟、孙柄楠【期等研究了磁流变阻尼器在开环状态下对斜拉索风振的 振动控制效果以及拉索一阻尼器系统的非线性特性。建立了拉索一阻尼器系统较为严 密的非线性数学模型，联合采用差分法和龙格库塔法求解系统的响应，研究了系统在 不周荷载幅值、不同磁场强度下的频响特性曲线特征，探讨了系统等效阻尼与磁场强 度及拉索振幅的关系。 h l 护”等依据能量耗散准则对半主动流体阻尼器提出了一种控制算法，研究结果 表明，阻尼器的电压需要固定在最大或最小值。 j o h n s 咂等h 对斜拉索的半主动控制迸行了系列研究，采用包括一个静挠度模 态在内的标准弦振动模态，用g d e r 】k m 方法将偏微分方程转化为常微分方程，用“2 r 最优控制算法对斜拉索进行了被动、主动、半主动控制研究，结果表明半主动控制与 最优的被动控制相比，可以使振动响应减小5 0 加。 中南大学和香港理工大学于2 0 年1 1 月合作开展磁流变智能阻尼拉索减振技术 研究，并将l d i d 公司与香港理工大共同研制磁流变阻尼器在湖南岳阳洞庭湖大桥上 进行了实桥试验研究，该阻尼器被调谐到定置状态，这是世界上首次应用磁流变阻尼 器进行实桥拉索振动控制研究。经过试验证明嘲，该桥的阻尼器可有效地将风雨引起 的斜拉索的振动抑制到8 5 9 4 。 第一章绪论8 z qc h 吼嗍等对长沙洪山大桥永磁调节装配式磁流变阻尼器拉索减振系统进行 了试验研究，得到了安装阻尼器前后拉索的动力特性，结果表明这种新型磁流变阻尼 器能有效地提高拉索的模态阻尼比，抑制拉索的大幅振动。 综合目前斜拉索振动控制研究的现状，拉索智能振动控制系统，尤其是磁流变阻 尼器振动控制系统的成为了新的研究热点。 1 5 数值分析目的及意义 大跨度斜拉桥由于其优越的跨越能力、低的架设成本已经在世界范围内获得了广 泛的应用。在世界己建大跨斜拉索排名前l o 位中，中国就占据了6 席，而且正在兴建 的苏通大桥( 2 0 0 8 ) 和香港昂船洲大桥( 2 0 0 8 ) 主跨均逾千米，大跨度斜拉桥的振动控制尤 其是斜拉索的振动控制成为了我国桥梁工程界需要解决的关键性问题之一 现有的研究成果也表明采用安装m r 阻尼器能大大提高拉索系统模态阻尼，随着 磁流变阻尼器在实桥上的应用，磁流变阻尼器拉索振动控制系统也必将在斜拉索振动 控制方面，尤其是对于大跨度斜拉桥拉索振动控制方面大放异彩。 虽然对于拉索一磁流变阻尼器减振系统数值计算已经取得了一定的成就，但目前 的研究多针对于理论分析，对模型及参数的要求很高，计算较复杂，不利于实桥工程 应用的推广；而且到目前为止，市面上还没有一套专门用于分析拉索一阻尼器振动控 制的软件。因此开展磁流变智能阻尼技术的研究，开发出拉索一磁流变阻尼器系统振 动控制专业分析软件，对于确定拉索振动控制用磁流变阻尼器参数，优化磁流变阻尼 器设计，实现拉索智能阻尼减振系统控制国产化等方面具有重要的工程实际价值 1 6 本文研究的主要内容及创新点 为了能对拉索磁流变阻尼器减振系统有更深入的了解，并将该减振技术实用化， 重庆交通科研设计院结构动力试验室与重庆万桥公司合作，开发用于斜拉索阻尼器振 动控制为涪陵三桥斜拉索定制磁流变阻尼减振系统，实现对该桥斜拉索振动的分级控 制。作者有幸参与了对拉索系统的数值模拟分析部分，这就需要利用已有的研究成果， 建立一个拉索阻尼器系统的动力学模型，使之与后续试验室模拟和实桥控制检测相结 合，研究分析模型与实际拉索系统各参数的关系，确定拉索系统的最大模态阻尼比与 阻尼力的关系，为阻尼器参数的优化及拉索系统的振动控制程序化打基础。 本文主要研究的内容如下： 第一章对研究斜拉索振动控制的必要性做了说明，以及斜拉索大幅振动来来的 第一章绪论 ， 危害。概述了斜拉索振动机理( 自然因素和人为因素造成) 和对斜拉索振动的研究成果 ( 尤其是风雨振) 。介绍了拉索减振措施( 空气动力学措施和机械措施) ，叙述了磁流变阻 尼器最新的研究进展，确立了本文的研究目标。 第二章对斜拉索振动控制研究进展做了详细介绍，介绍了拉索振动控制的主要 措施，并对拉索附加阻尼器进行了比较，明确了智能磁流变阻尼器的拉索振动控制是 今后斜拉桥振动控制方向的发展趋势。 第三章和第四章针对此次的工程应用背景，以简单、准确的原则对已有的磁流 变阻尼器力学模型进行有筛选，建立单阻尼器的有限元模型，通过有限元计算和模拟， 选定此次拉索一阻尼器系统数值模拟采用的阻尼器力学模型。 第五章通过对大型通用有限元程序a 卜晦y s 进行二次开发，就试验用水平拉索 一阻尼器系统为原型，建立水平拉索磁流变阻尼器系统动力学分析有限元模型，其 中对边界条件进行了简化，不考虑边界条件的影响。并通过对建立的分析模型进行验 算，确定第六章数值模拟的分析模型。 第六章运用a n s y r s 提供的瞬态分析法对拉索振动过程进行模拟，用第五章编 写的拉索一阻尼器振动控制程序来分析激励大小、激励位置及阻尼屈服力大小对拉索 一阶振动的模态阻尼比影响。 第七章系统总结了本文的研究内容和研究成果，并且指出了本文研究工作中尚 未能很好解决的几个闯题。 本文创新点： 利用有限元分析软件a n s y s 参数化设计语言a p d l 开发专用有限元程序， 实现拉索阻尼器模型的参数化建模； 简化了拉索一磁流变阻尼器模型减振系统的数值模拟模型，并通过修改拉索参 数和阻尼器参数就能求得拉索磁流变阻尼器振动控制的在某阶振动模态下的最优模 态阻尼比，为阻尼器的设计和制造提供主要的性能指标； 模型中阻尼器采用随拉索振动响应而改变的力进行模拟，使得本文建立的拉索 磁流变阻尼器振动控制模型也适用于其它具有相似力学特性的阻尼减振系统的数值 分析。 第二章斜拉索振动控制技术研究现状综述 1 0 2 1 引言 第二章斜拉索振动控制技术研究现状综述 1 7 8 4 年德国人勒舍尔建造了一座跨径为3 2 米的木桥，这是世界上第一座斜拉桥。 1 8 2 1 年法国建筑师叶帕特在世界上第一次系统地提出了斜拉桥的结构体系。在这个体 系中他构想用锻铁拉杆将梁吊到相当高的桥塔上，拉杆( 索) 扇形布置，所有拉杆( 索) 都锚周于桥塔顶部。1 8 5 5 年美国工程师罗柏林在尼亚加拉河上建成了跨径达2 5 0 米的 公铁两用桥。这是世界上首次将悬索体系河拉索体系的成功组合。1 9 4 9 年，德国著名 的桥梁工程师迪辛格尔发表了他对斜拉桥的结构体系的研究成果，为现代斜拉桥的诞 生和发展奠定的理论基础。 1 9 5 3 年德国工程师迪辛格尔 d i s c l l 酬与德国承包商德玛格公司合作，在瑞典 建造了第一座现代斜拉桥斯特罗姆松德桥( s 们吼s 岫db r i d g e ) ，从此斜拉桥得到了广泛 的应用。斜拉桥经历了三个发展阶段：自2 0 世纪年代中至年代中，其特征是拉 索为稀索体系，钢或混凝土梁体，以受弯为主；第二阶段，自2 0 世纪年代后期开 始，其特征是拉索逐步采用密索体系，并可以换索，钢和混凝土梁以受压为主，截面 减小；第三阶段，从2 0 世纪年代中期至今，拉索普遍采用密索体系，可以换索， 梁体结构出现组合式、混合式、钢管混凝土等新的形式。相应的梁向轻型化发展，梁 高减小，梁面出现了肋板式、板式等形式。随着新材料、新工艺的采用和结构计算理 论的发展和应用，现代斜拉桥的跨径越来越大，特别是在上世纪九十年代后，斜拉桥 迅猛发展，跨度正不断地逼近或超越l 0 0 0 m 。如法国的n 咖1 姐m e 桥( 1 9 9 4 ) 主跨8 5 6 m 日本j i i 磁瞄桥( 1 9 9 9 注跨8 9 0 m ，正在兴建的苏通大桥( 2 8 ) 和香港昂船夸i l l 大桥( 2 0 ) 主跨均逾千米。m e s s i 吐s 劬i g l l t s 桥、s 衄曲a e i t 的e 咖桥主跨近1 2 恤已在设计中 随着近年来交通工程的迅猛发展，斜拉桥己成为2 恤至8 0 0 m 跨度范围内极具竞争 力的桥梁类型。 斜拉桥拉索作为支承斜拉桥的重要组成部分之一，具有质量小、阻尼低、柔性大 的特点，在各种激励下，极易发生大幅振动，尤其在风雨共同作用下，拉索容易发生 所谓的风雨振现象，它是拉索振动中振幅最大、危害最严重的振动。国内外都观察到 斜拉索的剧烈振动：国外如日本结构工程学会g a p 雏m s 甑他o f c 咂s t f u 以 e n g 岫g ) 对日本多座斜拉桥的拉索振动幅值进行了实地观测，发现拉索振幅可达到 索径的5 l o 倍。法国的b i o 咖e 桥、泰国的p a m 大桥、英国的s e c 鹏e v 咖桥、 丹麦的f 舯桥拉索的振幅达到相邻拉索碰撞的程度啪1 ；国内如济南黄河大桥，广州 海印大桥，天津永和桥，蚌埠、凤台淮河大桥，上海南浦桥、杨浦桥，湖南洞庭湖大 桥均出现强烈的索振现象。 第二章斜拉索振动控制技术研究现状综述 拉索的振动特别是风雨振引起的大幅振动容易引起索的疲劳，在锚索结合处产生 疲劳裂纹，破坏索的防腐蚀系统，诱发拉索锈蚀乃至失效，危及桥梁结构的安全，影 响桥梁正常性能的发挥。据报道，德国有多座斜拉桥主要由于拉索振动引起拉索部 分钢丝疲劳破坏，如l 【0 瑚n d 桥( 主跨3 2 5 m ，1 9 7 4 ) 在建成后两年后因拉索下部锚 固端严重锈蚀，在1 9 7 9 年不得不将8 8 根拉索全都更换，花费6 万美元；1 9 7 8 年发 现委内瑞拉的m a 姐c a i b o 桥( 主跨2 3 5 m ，1 9 6 2 ) 有超过5 根钢丝损坏，在1 9 7 9 年发 现有3 根拉索完全损坏，1 9 7 9 年至1 9 8 1 年间更换了3 8 4 根拉索，花费约5 0 万美元 虽然国内建设斜拉桥的时间不长，但也已经出现斜拉索断裂事故，如济南黄河大桥和 广州海印大桥已更换了全部拉索，重庆石门大桥也更换了部分拉索。斜拉桥的换索工 程施工非常困难，不易控制，且耗资巨大，并要中断交通，对大桥的运营产生不良的 影响。 如何抑制大跨径斜拉桥拉索的振动问题，特别是由风雨振带来的大幅振动闯题已 经成为世界各国桥梁界研究的热点，控制拉索振动是继拉索防腐与疲劳之后拉索的第 三大难题。 2 2 拉索振动控制 斜拉索的振动都是由于外部激励引起的，振动的剧烈程度则由激励的强弱、拉索 本身的结构特点及力学性能决定。目前各国采用的拉索振动控制措施主要有机械控制、 结构措施和空气动力学控制。机械方法主要是提高整桥拉索的刚度和增加系统本身的 阻尼，提高拉索阻尼或形成相互干扰的索组提高振动频率，从而达到减振的目的。前 者的典型方法是辅助索；后者的典型方法是安装外加拉索阻尼器。空气动力学措施主 要是通过改变拉索的端面形状及进行表面处理来改善拉索在风雨作用下的空气动力学 性能，减轻外部激励减振。从制振效果及工程意义综合考虑，这些振动控制措施各有 其优缺点。 2 2 1 空气动力学措施 风雨振动中，无论是第一章中提到的哪种振动机理，雨的存在有着至关重要的作 用。因此，抑制水流的形成就能有效的抑制拉索由风雨振引起的大幅振动。 空气动力学措施主要通过改变拉索的截面形状及表面粗糙状况来改善拉索在风雨 作用下的空气动力学性能，破坏水线的形成以防止拉索风雨振的发生。气动措施要求 减振效果好而且风阻系数小，并且在采用减振措施后不能引发拉索其他形式的不稳定 振动。空气动力学措施主要有以下几种： 第二章斜拉索振动控制技术研究现状综述 1 2 在拉索表面附近设单向或双向螺旋肋条。 这一措施最早用于减缓圆柱形结构的涡振，它实际上是一种扰流器，其作用是破 坏或减小脱落漩涡的相关性口册。尽管通过在拉索表面设置肋条自皂对拉索的风致振动起 到一定的抑制作用，但是由此也产生了拉索阻力系数增大的弊病。在高风速阶段，其 阻力系数远远大于光滑拉索的阻力系数。 在拉索p e 包裹段沿轴向开凹槽( 或突出) 轴向突出部分可控制雨水沿拉索表面的周向振荡，因而拉索不会在雨的作用下改 变外形，出现不稳定现象哪枷。日本东京神户大桥( 跨度4 8 5 m ) 首先采用了这种抑 振措施，有较好的风雨振抑振效果，但在实际应用中发现在高风速下，拉索振动幅值 仍有增大到2 5 c m 的情况。在拉索表面设置纵向肋条或凹槽，抑振效果好，制作简便， 可以在加工拉索p e 套管时一次成型，因此具有一定的工程实际意义然而，这种拉 索的阻力系数增加较大，通过风洞试验发现，其阻力系数比附设螺旋肋条的拉索更大， 因此在强风地区和大跨度斜拉桥上的应用受到了限制。 表面压制凹坑 在拉索表面打凹孔，使得拉索表面的变化较小，有较好的抑振效果又不至于增大 拉索阻力系数的气动措施，日本的研究人员对表面带有一定粗糙度拉索的抗风( 雨) 振 等性能进行了详细的风洞试验研究。斜拉索表面的粗糙度对结构的气动特性有很大影 响，研究表明，只要粗糙度的形状及分布选择合适，就能改善拉索截面包括抗风阻力 系数在内的综合气动性能。k 0 b a y 勰h i 【4 i l 的试验研究表明，表面有凹坑的圆柱形索体不 仅在各种雷诺数下阻力最小，而且在各种雨量及无雨的情况下都有极好的稳定性，拉 索的气动阻尼随风速的提高显著、稳定地上升，始终保持正值。 日本的多多罗大桥上采用了这种措旌，安装后发现拉索仍然发生低风速下的涡流 振动，后来加装了高阻尼橡胶阻尼器。 在拉索表面沿轴向螺旋缠绕钢丝或间隔缠绕带状物 + 在拉索表面沿轴向螺旋缠绕钢丝或间隔缠绕带状物，二者都能起到干扰或截断水 线的形成，起到减振的作用。b o s d o g i 粕n i 等l 镯通过以油代雨的风洞试验，研究了拉索 表面绕螺旋状金属丝的措施对拉索风雨振动的影响，并认为其效果比较理想。f l 锄删咂 等m 1 通过人工降雨风洞试验，研究了两种抑制拉索雨振的气动措施：表面粘贴轴向 小棍；表面缠绕螺旋状钢丝。认失拉索表面缠绕螺旋状钢丝不但可以防止拉索的风雨 振动，且不至于出现大的气动阻力。 第二章斜拉索振动控制技术研究现状综述 1 3 2 2 2 机械措施 2 2 2 1 辅助索法 囤2 1 三个空气动力学措施拉索实例 辅助索是指在斜拉索之间利用高强度钢丝将将若干根拉索连接成一个相互联系的 体系，其作用是减小拉索的有效长度，增加拉索体系的整体刚度，提高拉索的固有频 率，增加拉索的机械阻尼和气动阻尼，同时由于每根拉索的振动频率、相位和幅值的 不同，因此可使索之间产生耦合作用，形成有干扰效应的索网或用高阻尼材料做辅助 索以提高系统阻尼，达到抑制拉索振动的目的。如荷兰鹿特丹的e r 嬲哪g 大桥，法国 的n 彻埘l d i e 大桥及日本的y ，b u b 大桥等都是采用了这一方法。辅助索的布置也有 多种形式，有水平布置，垂直布置，与拉索正交，以及圆弧形布置等，如图2 2 所示： 2 2 常见辅助索布置图 第二章斜拉索振动控制技术研究现状综述 1 4 围2 3 诺曼底大桥上的辅助索 虽然辅助索有很多优点，但它在实际应用中并不普遍，其主要原因是：辅助索结 构较为复杂，其作用和机理还没有确切的定论；其次，辅助索破坏了原有拉索系统独 有的美观效果。再次，辅助索在连接处容易造成疲劳破坏，辅助索方法的费用相对于 其他减振方法是最昂贵的。因此，结构工程师倾向于将辅助索减振方法作为施工时的 一种临时减振措施而加以应用。 2 2 2 2 阻尼器法 高阻尼橡胶阻尼器。 这类阻尼器是利用橡胶和拉索之间的摩擦及橡胶自身的变形粘弹阻尼耗能橡胶 属于粘弹性材料，它既具有弹性固体性质，又表现出粘性流体特性。弹性固体在外力 作用下发生弹性变形，产生势能而不耗散能量，粘性流体在外力作用下发生不可逆粘 性流动产生热能而耗散能量。由于粘弹性材料兼具二者特性，所以在工程中得到了广 泛的应用。高阻尼橡胶阻尼器一般设于锚固结合端或拉索和索套之间，一般不为行人 可见，具有较好的美观效果。橡胶圈( 橡胶垫层) 结构简单，易于安装。但橡胶圈( 橡胶 垫层) 可提供的阻尼有限，因而减振效果不是很理想，且随着索长的增加，减振效果降 低嘶”m 1 。由于结构工程师认为高阻尼橡胶阻尼器同时也起到缓解拉索在锚同端的 二次力的作用，目前一些较长的拉索即使已安装了其它油压阻尼器或粘性剪切型阻尼 器，也要在拉索锚固端处设置高阻尼橡胶阻尼器。 油阻尼器 由汽车用油阻尼器演变而来，其阻尼效果超过橡胶阻尼器。其构造特点为在活寨 上开孔，根据孔洞的大小决定通过活塞的油量从而确定其所能提供的阻尼力由于油 第二章斜拉索振动控制技术研究现状综述 1 5 压阻尼器只能提供轴向阻尼力，故每根拉索需要两个油压阻尼器来控制拉索的面内和 面外振动。我国的南京长江二桥就采用了油压阻尼器来抑制拉索振动。油压阻尼器应 用时间较长，制造工艺比较成熟，性能也比较可靠，但它的主要问题是机械构造复杂， 对于微小振动不敏感，使其安装调节比较麻烦。另外油阻尼器结构参数不可变，制约 了对各种工况的适应能力。由于工作介质是液体，需要密封垫圈，容易出现因垫圈破 损发生漏油和渗油现象，影响减振效果，维修费用较高。图2 4 为南京长江二桥上安 装的油阻尼器。 图2 4 南京长江二桥上安装的油阻尼器 粘性剪切型阻尼器 粘滞剪切型阻尼器粘性剪切型阻尼器克服了油阻尼器的缺点，它是利用粘性材料 的剪切变形抵抗力来抑制拉索振动，提高了对小幅振动的抑制效果，利用一个减震器 就可以处理斜拉索平面外两个方向的振动由阻尼器内切片的运动使粘性体产生剪切变 形，从而将振动能量传递给粘性体。自由度高，可用来控制拉索的面内和面外振动， 且构造简单，较易安装调节。缺点是所提供的阻尼严重依赖于环境温度及振动频率并 且它的体积较大，影响桥梁美观。 围2 5 日本幸魂桥上安装的粘滞剪切型阻尼器 第二章斜拉索振动控制技术研究现状综述 1 6 4 磁流变阻尼器 从已应用的实例来看，高阻尼橡胶阻尼器提供的阻尼有限，减振效果不太理想， 油阻尼器构造复杂安装调节比较麻烦，粘性剪切型阻尼器提供的阻尼依赖环境温度及 振动频率，体积较大，影响桥梁的美观。近年来，随着材料科学研究的进步，一种新 型的智能阻尼器一磁流变阻尼器开始应用于振动控制领域。这种阻尼器是利用亚纳米 智能材料在外部磁场的作用下，磁流变体在几毫秒内由流动良好的牛顿液体变为具有 一定剪切屈服强度的宾汉姆体，一旦外磁场消失，又变为牛顿液体。通过改变加在阻 尼器上电压来改变内置磁场强度，可以改变其阻尼特征，获得振动控制需要的可变阻 尼，达到分级控制的目的。它还具有体积小，反应灵敏，阻尼力大，受外界环境影响 小的优点，被认为是最有前途的新型阻尼器。 陈政清在岳阳洞庭湖大桥上成功地开发并安