【《斜拉索振动控制及其研究现状国内外文献综述》4900字（论文）】

斜拉索振动控制及其研究现状国内外文献综述振动控制早期在航天结构、机械工程、运输工程等领域得到运用，1972年，由于Yao的开创性工作将现代化控制理论运用到土木工程中，提出了土木工程结构振动控制概念。后来几十年研究学者们对振动控制领域的不断研究，使得土木工程领域振动控制的理论和试验不断完善。目前拉索的振动控制按照输入外在能量的量，划分为被动、主动、半主动控制等，在实际工程中都取得了较好的控制效果。1.1斜拉索的被动控制拉索的被动控制包括：气动控制措施、辅助索控制措施、机械控制措施。1、气动控制措施气动控制是指通过改变斜拉索断面的形状来改善斜拉索的空气动力学特性，达到斜拉索减振的目的。常用的拉索气动控制方式如：设置凹槽、凹坑以及拉索轴向制成纵向肋条、缠绕螺旋等，如图1-7所示。顾明等人采用缠绕螺旋线的方式，当螺旋线直径足够大时（>1mm），可以抑制上水线的形成，从而降低斜拉索的风雨激振形成的可能REF_Ref68810145\r\h[20]，法国Normandie大桥和南京长江二桥就运用了加螺旋线的方式成功实现气动控制。刘庆宽等人对不同粗糙度的拉索模型做风洞测试，发现斜拉索表面粗糙度、风速对索的振动有影响REF_Ref68810889\r\h[34]。孙一飞等通过风洞试验，采用凹槽的方式研究斜拉索的气动控制，发现风攻角对凹痕斜拉索的气动力系数随雷诺数变化的曲线有影响REF_Ref68810897\r\h[35]。日本Tatara大桥就以给拉索表面打凹孔的方式抑制水线的产生，使其无论是否有雨水存在，都能维持工作性能的稳定。(a)螺旋线(b)纵向肋条图1.7气动控制措施2、辅助索控制措施辅助索措施指在各拉索之间添加辅助索形成索网，达到减少拉索自由度长度，提高主索自振频率的目的。如图1-8所示。莱恩哈特针对墨西拿海峡大桥首次提出使用辅助索的建议，以此来减少主索的垂度增强整体刚度[2]。丹麦的Faroe桥、法国的Normandie桥以及我国长兴岛大桥均采用辅助索来减振。宋晖等通过试验和数值模拟研究了辅助索与拉索频率的关联，发现辅助索数量增加、索力增加均会一定程度上增大主索的频率REF_Ref68810909\r\h[36]。魏建东等采用有限元法，研究发现辅助索对斜拉索面外振动控制无效，辅助索索力的大小对面内减振也基本没有效果，通过提高辅助索的阻尼才能达到减振的控制效果REF_Ref68810945\r\h[37]。杨相展等通过有限元对比研究水平和放射形布置的辅助索，发现放射形布置的辅助索可以更大的提高拉索的振动频率REF_Ref68869944\r\h[38]虽然设置辅助索已在工程中大量应用，但由于辅助索设计与安装相对麻烦，且安装辅助索后会影响桥的整体美观。所以设计师们都尽可能不采用这种方法进行减振控制。图1.8辅助索控制措施3、机械控制措施机械控制措施主要通过在斜拉索靠近主梁端部处安装减震装置如阻尼器，通过斜拉索与主梁的相对运动以达到减震耗能的目的。如图1-9所示。安装阻尼器最终都是通过提高斜拉索的模态阻尼比。Carne和Kovacs首先研究了带有附加阻尼器的拉索的振动，发现斜拉索振动存在一个最优粘滞阻尼，使得模态阻尼比取值最大。Pacheco等基于Kovacs研究的基础上提出了带有粘滞阻尼器的阻尼评估曲线，结果显示斜拉索最优模态阻尼比与阻尼器的安装位置、基频等因素有关。Fujino等提出了一种考虑拉索垂度和弯曲刚度的设计公式REF_Ref68809331\r\h[8]。周强等运用复模态的理论，研究了不同边界情况，抗弯刚度与拉索的模态阻尼比的关系。发现两端固接时，忽略抗弯刚度的影响，拉索最优模态阻尼比会有上限值，而在不同的抗弯刚度下最优模态阻尼比相接近，两端铰接正好相反REF_Ref68810992\r\h[39]。汪志昊等基于电磁阻尼器减振技术，研究发现阻尼器的安装位置越高，控制效果越好REF_Ref68811015\r\h[40]。梁栋等研究了主梁、索、阻尼器组合的振动体系，通过试验与理论想结合，发现主梁的振动会降低拉索-阻尼器系统的减振效果，跨度超过400m的斜拉桥，主梁振动是不可忽略的因素REF_Ref68811025\r\h[41]。汪峰等通过研究粘滞阻尼-拉索-塔梁耦合振动模型，发现粘滞阻尼器存在一个临界安装位置，一旦超出，就会出现振幅负衰减率，故提出被动阻尼安装位置不易超过0.05的建议REF_Ref68871653\r\h[42]。安装被动阻尼器虽然能取得较好的控制效果，但经研究发现，被动阻尼装置仅能在预先设置的状态下保持对目标的有效控制，当实际状态发生变化时，控制效果相对较低。再加上工艺上的限制，阻尼装置的安装位置也不能任意放置，这就可能出现提供的阻尼比不足而控制失效的现象REF_Ref68868562\r\h[43]。为了克服这些限制，梁栋等基于复模态理论，提出了TMD设计参数来抑制斜拉索模态模态振动REF_Ref68809192\r\h[5]。Cai和wu提出用TMD取代粘滞阻尼器并通过试验验证了TMD的减振效果REF_Ref68809347\r\h[9]。法国的Normandy就安装TMD来进行减振。TMD阻尼器虽然可以增加拉索阻尼，但是在多模态振动的条件下，效果也有限。为此，Duan等通过研究阻尼器的减振性能，发现负刚度可以抑制拉索的单模和多模振动，其能提供比油阻尼器更多的额外阻尼REF_Ref68811069\r\h[44]。Lee等和Iemura等分别提出被动负刚度阻尼的实现方法，而且被动负刚度阻尼比起半主动负刚度阻尼更容易进行设计和应用，所以有许多研究人员开始考虑使用被动负刚度阻尼进行斜拉索的被动控制。XShi等提出了一种磁性负刚度阻尼器，它可以实现半主动和主动控制相当的控制性能，通过负刚度弹簧扩大阻尼器位置处的振动幅度，以此克服锁定效应并用粘性阻尼或其他类型的阻尼消耗动能，从而为拉索提供相当大的阻尼。通过调节阻尼系数还可以获得相对于负刚度特定值的最佳控制性能。XShi等还提出一种由负刚度弹簧和粘滞阻尼器组合而成的被动NSD，通过数值分析的方法，对负刚度和粘滞阻尼器进行参数分析，系统评估了被动NSD安装在斜拉索上的振动控制性能，发现被动NSD的性能可以比传统的粘性阻尼器好得多，但是当其具有显著的负刚度时会失去准确性。XShi等在斜拉索模型上安装被动NSD的振动控制性能的研究，发现随着NSD强度的增加，各种动载荷下的拉索响应变小，从而表明被动NSD为拉索增加了高阻尼，且抗弯刚度是不可忽略的参数REF_Ref68811084\r\h[45REF_Ref68811087\r\h-47]。图1.9阻尼器1.2主动控制主动控制系统是由作动器、传感器、信息反馈处理系统组成。通过外部输入能量来调整结构所需的控制力，通过作动器进行补偿。传感器即可感知外部激励也可以感知外部响应，若仅通过测量结构的响应变量以此来调整所施加的控制力称为反馈控制；若仅通过测量外部激励以此来调控所施加的控制力称为前反馈控制；若响应变量和外部激励均用于控制设计的情况，称为反馈-前反馈控制REF_Ref68811128\r\h[48]。常见主动控制如：主动调谐质量阻尼器（ATMD）、分布式作动器、主动肌腱系统等。斜拉索的主动控制包括模态控制和波控制。Chen通过控制模态方法来抑制拉索的振动。Hagedorn提出用波控制来减少拉索振动，随后，王修勇等建立了拉索-磁致伸缩作动器运动方程，提出了剪切型线性二次型最优控制（CLQR）策略和多级bang-bang控制策略并对其进行了数值仿真分析，结果表明该模型能起到有效的控制REF_Ref68811142\r\h[49]。主动控制理论上可以改善对斜拉索振动控制的适应性，但是，设备造价高，安装复杂，所需的外部能量大，在实施过程中，由于存在太大的不确定性，外部激励的非线性，主动控制力常常造成拉索的疲劳以及出现控制溢出等现象，使其难以在工程领域得到广泛的推广。1.3半主动控制半主动控制是近些年来备受国内外学者青睐的热门研究领域，它介于被动和主动控制之间，仅需少量的外部能量，就可以给结构提供较大的阻尼。现今已经研究了许多半主动控制的阻尼器如半主动刚度阻尼、半主动调谐液柱阻尼器、压电阻尼器、半主动TMD磁流变阻尼器等REF_Ref68811154\r\h[50]，其中磁流变阻尼器（MR）以其能提供较大控制力、反应灵敏、稳定性强等优良特性而被研究、运用到半主动控制中。Chen等第一次将MR阻尼器安装到斜拉索上实现了斜拉索的风雨激振振动控制。Webber和Boston研究发现半主动的负刚度阻尼器可以产生2倍于普通粘滞阻尼器的阻尼REF_Ref68811084\r\h[45]。彭剑等利用Galerkin方法得到斜拉索的时滞动力系统，发现时滞的存在会影响振动控制效果以及结构稳定性REF_Ref68811178\r\h[51]。Christenson等通过实验验证H2/线性二次高斯（LQG）限幅最优控制的智能阻尼控制策略，结果表明MR阻尼器可以提供超越被动粘滞阻尼器以及被动MR阻尼器的更高性能，使得拉索响应降低50％以上REF_Ref68811187\r\h[52]。半主动控制的顺利进行必须要依靠有效的控制算法策略。因此大量的研究学者兴起了研究半主动控制算法策略的热潮。针对MR阻尼器的控制算法主要有恒定加压式、Heaviside函数式、动力逆模型加压式以及包含人工神经网络、遗传算法等智能加压式REF_Ref68811197\r\h[53]。通过引入主动控制算法，提出了一系列的半主动控制策略。WangREF_Ref68811210\r\h[54]等在针对LQR最优控制算法，提出了一种考虑阻尼力的方向优化的最优等效控制算法，实现了有限反馈和计算的斜拉索在线实时振动控制，研究结果发现该算法的性能优于最优被动控制，几乎达到了LQR控制水平。WeberREF_Ref68811225\r\h[55]等提出了一种基于限幅线性二次型调节器（LQR）的控制力特性，推导出一种近似并置控制策略，用负刚度半主动阻尼减轻斜拉索振动。陈勇等以模态降阶理论为基础,根据MR阻尼器特性和LQG相关理论，建立了面向速度剪切的半主动LQR控制方法REF_Ref68811240\r\h[56REF_Ref68811243\r\h-58]。DuanREF_Ref68811069\r\h[44]等也提出了状态导数反馈控制控制策略，通过现场原型斜拉索实验和数值模拟证明了两者控制效果一致。陈昭晖等突破传统的时域空间，结合HHT变换，提出频域内的自适应控制方法，既能识别出频率，也能避免LQG控制中权参数选取的问题REF_Ref68811277\r\h[59]。随着人工神经网络（ANN）的发展，其逐渐运用到了半主动控制的研究中。陈政清等研究了半主动神经网络法,结果显示,采用神经网络半主动控制能有效降低拉索振动。倪一清采用面向速度剪切的半主动控制策略,实现对斜拉索半主动控制REF_Ref68811286\r\h[60]。但是人工神经网络技术需要前期进行大量数据的反复训练，针对这一情况，研究人员开始运用模糊控制技术，模糊控制技术可以融入人类的先验经验，这避免了大量数据训练的状况。Zhang等就提出了一种改进的关于参数振动的模糊半主动控制方法，结果结果显示该策略的效果优于模糊主动控制策略，不需要调试输入变量和输出变量的比例因子，并且MR阻尼器需要较低的电压，使模糊控制更加智能化REF_Ref68811297\r\h[61]。虽然近些年来，国内外学者对MR阻尼器半主动控制以及算法的研究取得了一定的进展，但在实际工程中MR阻尼器以作为可调被动阻尼器为主，半主动控制策略多数仍然是基于最优控制理论如全状态反馈的线性二次调节器（LQR）和采用状态观测器的线性二次高斯（LQG）控制方法。故为了更好的满足实际工程的要求，关于磁流变阻尼器的半主动控制在斜拉索上的研究仍具有一定的挑战性。参考文献刘荣桂,曹植,谢桂华,蔡东升,陈蓓.斜拉桥拉索风雨激振研究进展[J].中外公路,2013,33(05):66-69.埃尔莎·德·萨·卡埃塔诺.斜拉桥的拉索振动与控制[M].北京：中国建筑工业出版社,2012:96-116.王修勇,陈政清,何旭辉,陈勇,黄方林.洞庭湖大桥风雨振减振试验研究[J].桥梁建设,2002(02):11-14.王成.单出杆磁流变阻尼器及其对斜拉桥拉索风振控制的研究[D].东南大学,2017.陈政清.工程结构的风致振动、稳定与控制[M].北京：科学出版社,2013:527-566.ChenW,ZhangQ,LiH,teal.Anexperimentalvibrationsofalongflexiblecircularcylinder[J]JournalofFluidMechanics,1993,250(-1):481.陈明宪.斜拉桥的发展与展望[J].中外公路,2006(4):76-86.Fujino,P.Warnitchai,B.M.Pacheco.Anexperimentalandanalyticalstudyofautoparametricresonanceina3DOFmodelofcable-stayed-beam[J].NonlinearDynamics,1993,4(2).A.PintoDaCosta,J.A.C.Martins,etal.Oscillationsofbridgestaycablesinducedbyperiodicmotionsofdeckand/ortowers,JournalofEngineeringMechanics,1996,122(7):613-622王修勇.斜拉桥拉索振动控制新技术研究[D].中南大学,2002.郑良富.超大跨度桥梁斜拉索参数振动特性及其稳定性分析[D].哈尔滨工业大学,2018.吴庆雄,王文平,陈宝春.随机荷载下索梁结构拉索参数振动分析[J].福州大学学报(自然科学),2015,43(05):658-665.吴庆雄,王文平,陈宝春.多索-梁结构固有振动特性分析[J].工程力学,2017,34(01):109-116+129.吴庆雄.振动松弛对斜索参数振动的影响分析[C].中国力学学会结构工程专业委员会、中国力学学会《工程力学》编委会、新疆大学.第22届全国结构工程学术会议论文集第Ⅰ册.中国力学学会结构工程专业委员会、中国力学学会《工程力学》编委会、新疆大学:中国力学学会工程力学编辑部,2013:527-533.张序彦.拉索参数振动及其多场耦合下的非线性振动研究[D].江苏大学,2017.A.J.Persoon,K.Noorlander.Full-scalemeasruementsontheErasmusBridgeafterrain/windinducedcablevibrations[J].WindEngineeringintothe21stCentury,1999Balkema,Rotterdam:1019-1026.J.A.Main,N.P.Jones.Full-scalemeasurementsofstaycablevibration[J].WindEngineeringintothe21stCentury,1999Balkema,Rotterdam:963-970.陈政清.斜拉索风雨振现场观测与振动控制[J].建筑科学与工程学报,2005(04):5-10.Y.HikamiandN.Shiraishi,Rain-windinducedv