黏滯阻尼器聯(lián)合負(fù)剛度對斜拉索減振控制的增效研究
2022-05-14 16:05:10郜輝王浩汪志昊張寒倪有豪
振動工程學(xué)報 2022年2期
郜輝 王浩 汪志昊 張寒 倪有豪
摘要： 阻尼器的負(fù)剛度特性有助于提升其對斜拉索的減振效果，為探究負(fù)剛度裝置（NS）對黏滯阻尼器（VD）應(yīng)用于斜拉索減振控制的增效作用，開展了VD聯(lián)合NS對斜拉索減振控制的增效研究。采用復(fù)模態(tài)分析方法獲得了斜拉索?VD?NS耦合系統(tǒng)的特征方程，并進(jìn)一步推導(dǎo)了斜拉索附加模態(tài)阻尼比的近似解;分析了NS的負(fù)剛度系數(shù)和安裝高度對斜拉索模態(tài)阻尼比和振動頻率的影響;基于輸出反饋的LQR控制，獲得了給定負(fù)剛度系數(shù)時VD對斜拉索多階模態(tài)減振控制的最優(yōu)參數(shù)，進(jìn)而研究了負(fù)剛度系數(shù)和NS安裝高度對斜拉索多階模態(tài)振動控制的增效作用。研究結(jié)果表明：增加NS的負(fù)剛度系數(shù)或安裝高度均有助于提升VD對斜拉索單階模態(tài)和多階模態(tài)減振效果，同時減小了VD的最優(yōu)阻尼系數(shù);NS對VD減振性能的提升歸功于負(fù)剛度系數(shù)或NS安裝高度的增大對VD位移幅值的放大效應(yīng)，提升了VD的耗能能力。
關(guān)鍵詞： 黏滯阻尼器;?斜拉索;?多模態(tài)振動控制;?負(fù)剛度;?減振增效
中圖分類號： U441+.3;?U448.27 ???文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A ???文章編號： 1004-4523（2022）02-0255-09
DOI：10.16385/j.cnki.issn.1004-4523.2022.02.001
引??言
大跨度斜拉橋的斜拉索極易在風(fēng)、風(fēng)?雨等外界環(huán)境激勵下發(fā)生持續(xù)、大幅的有害振動[1?3]，有效的斜拉索減振技術(shù)對斜拉橋的安全運(yùn)營至關(guān)重要。安裝黏滯阻尼器（VD）作為一種廣泛應(yīng)用的斜拉索減振措施，其減振效果受到了國內(nèi)外學(xué)者的普遍關(guān)注，研究表明[4?7]：VD為斜拉索提供的最優(yōu)附加模態(tài)阻尼比近似等于阻尼器安裝位置與斜拉索長度比值的一半，且斜拉索各階模態(tài)所需的最優(yōu)阻尼系數(shù)與斜拉索的模態(tài)階次成反比。隨著大柔度超長斜拉索的工程應(yīng)用，VD已難以滿足超長斜拉索多階模態(tài)的減振需求。
為提升VD對斜拉索的減振效果，一些學(xué)者提出了基于MR阻尼器的斜拉索智能、半主動控制措施[8?9]，并發(fā)現(xiàn)控制力的負(fù)剛度特性有助于提升斜拉索的減振效果[10]。受此啟發(fā)，耦合被動負(fù)剛度裝置（NS）的被動負(fù)剛度阻尼器（NSD）在斜拉索振動控制領(lǐng)域得到了較多關(guān)注，主要包括：①在垂直阻尼器運(yùn)動方向布置預(yù)壓彈簧的預(yù)壓彈簧式NSD[11?12];②基于永磁體作用力的磁致NSD[13?14];③結(jié)合“慣容單元”的慣性質(zhì)量NSD[15?18]。Chen等[11]首先闡明了預(yù)壓彈簧式NSD對斜拉索振動控制的優(yōu)越性，并指出該負(fù)剛度裝置的剛度系數(shù)可近似由其平衡位置的切線剛度模擬;Zhou等[12]試驗(yàn)驗(yàn)證了預(yù)壓彈簧式NSD對斜拉索的減振提升效果。Shi等[13?14]試驗(yàn)驗(yàn)證了磁致NSD對斜拉索的減振優(yōu)越性，通過理論與試驗(yàn)結(jié)果對比分析了斜拉索抗彎剛度對NSD減振效果的影響，并指出磁致NSD的剛度系數(shù)可采用等效線性化方法模擬。Lu等[15]、Li等[16]、汪志昊等[17]、李壽英等[18]驗(yàn)證了慣性質(zhì)量NSD對斜拉索減振效果的提升作用。Majd等[19]建立NSD對斜拉索減振控制的精細(xì)化設(shè)計公式，并評估了其對斜拉索多階模態(tài)的減振效果。上述研究結(jié)果表明[12?19]：負(fù)剛度元件有助于放大阻尼元件的位移，實(shí)現(xiàn)VD的耗能增效和斜拉索減振效果提升。
然而，上述研究中VD和NS的安裝位置相同，尚未發(fā)現(xiàn)VD和NS安裝在斜拉索不同位置的公開文獻(xiàn)報道。近期，Zhou等[20]研究了VD聯(lián)合集中質(zhì)量對斜拉索的振動控制性能，發(fā)現(xiàn)集中質(zhì)量位置高于VD時比二者在相同位置時的減振性能更優(yōu)。為了進(jìn)一步探究NS對VD應(yīng)用于斜拉索減振控制的增效作用，本文開展了VD聯(lián)合NS對斜拉索減振控制的增效研究，推導(dǎo)了斜拉索附加模態(tài)阻尼比的近似解;分析了NS負(fù)剛度系數(shù)和安裝高度對斜拉索模態(tài)阻尼比和振動頻率的影響規(guī)律;最后，基于輸出反饋的LQR控制獲得了VD對斜拉索多階模態(tài)減振控制的最優(yōu)參數(shù)，進(jìn)而研究了NS負(fù)剛度系數(shù)和安裝高度對斜拉索多階模態(tài)減振控制的增效作用。6741614D-75DD-44F3-9846-2C292CA3A3AB
