大跨度拱橋地震反應(yīng)特性及減震控制研究.pdf

1、近年來(lái)，國(guó)內(nèi)大跨度拱橋的已建和在建項(xiàng)目日益增多。大跨度拱橋作為生命線工程，它們?cè)诘卣鹱饔孟碌陌踩愿裢庵匾坏┑卣鹗菇煌ň€遭到破壞，可能導(dǎo)致的生命財(cái)產(chǎn)以及間接經(jīng)濟(jì)損失將會(huì)非常巨大。然而拱橋被認(rèn)為是抗震性能相對(duì)較差的橋型，拱橋的軸壓比較高，延性較低，難于設(shè)計(jì)成延性抗震結(jié)構(gòu)。因此，對(duì)于重要的大跨度拱橋有必要在弄清其地震反應(yīng)特性的基礎(chǔ)上，采取適當(dāng)?shù)臏p震措施，以提高和改善其抗震能力。目前對(duì)這種橋型結(jié)構(gòu)的減震控制尚缺乏系統(tǒng)地綜合性研究，故探索合

2、理可行、有效經(jīng)濟(jì)的拱橋耐震、減震新途徑，為我國(guó)拱橋抗震、減震設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)和參考成為主要的研究目標(biāo)。本文圍繞大跨度拱橋地震反應(yīng)特性及減震控制技術(shù)，主要開(kāi)展了以下幾個(gè)方面的研究工作。
　?、倩诳臻g非平穩(wěn)地震動(dòng)功率譜模型，考慮地震動(dòng)的部分相關(guān)效應(yīng)以及時(shí)滯效應(yīng)等因素，應(yīng)用諧波合成法模擬了空間變化的地震動(dòng)加速度時(shí)程，作為大跨度拱橋多點(diǎn)激勵(lì)地震反應(yīng)分析的空間地震動(dòng)輸入。
　?、跇?gòu)建大跨度拱橋結(jié)構(gòu)的理論分析模型，確定拱橋結(jié)構(gòu)多點(diǎn)激勵(lì)

3、下的動(dòng)力學(xué)方程以及相應(yīng)的求解方法，編制三維動(dòng)力有限元分析程序，實(shí)現(xiàn)了大跨度拱橋多點(diǎn)激勵(lì)地震反應(yīng)時(shí)程分析。
　?、蹖?duì)大跨度拱橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行模型降階，提出按最大模態(tài)位移方法確定控制模態(tài)。采用基于模態(tài)分析和平衡降階的方法來(lái)對(duì)拱橋模型降階，解決了大跨度拱橋減震控制中由于模型離散自由度較多，難以進(jìn)行仿真控制分析的困難。對(duì)按振型貢獻(xiàn)率選擇控制模態(tài)的方法進(jìn)行了改進(jìn)，按最大模態(tài)位移方法確定控制模態(tài)，分析表明，該方法考慮了外部激勵(lì)的影響，克服了振型貢獻(xiàn)

4、率只考慮結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性選取控制模態(tài)的缺點(diǎn)，這對(duì)于必須考慮多點(diǎn)地震激勵(lì)影響的大跨度拱橋更為合理。
　　④探索合理可行的拱橋減震措施?？紤]拱橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，給出了在拱橋上設(shè)置阻尼器的減震方案。對(duì)于上承式拱橋，由于拱腳為嵌固，可考慮采用阻尼器斜撐的減震方案。對(duì)中承式拱橋除了在橋墩與橋面主梁間設(shè)置阻尼器外，還可在拱橋吊桿端部布置阻尼器。實(shí)例分析表明，上述減震措施對(duì)于減小拱橋地震反應(yīng)是有效的。
　?、輰⒄硿枘崞饔糜诠皹虻谋粍?dòng)減震控制。對(duì)

5、阻尼器表現(xiàn)非線性阻尼性能的拱橋被動(dòng)減震系統(tǒng)非線性時(shí)程分析，將非線性阻尼力等效為外部控制作用，對(duì)處于彈性狀態(tài)的主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行模型降階，采用基于現(xiàn)代控制理論的狀態(tài)空間分析方法或狀態(tài)方程精細(xì)時(shí)程積分法進(jìn)行求解，可提高計(jì)算效率，而且實(shí)現(xiàn)了拱橋被動(dòng)減震分析與半主動(dòng)減震控制仿真分析程序的統(tǒng)一。并對(duì)粘滯阻尼器阻尼力計(jì)算模型中的阻尼系數(shù)、速度指數(shù)等參數(shù)的取值進(jìn)行了模擬計(jì)算與分析。
　　⑥綜合研究了磁流變阻尼器用于大跨度拱橋的半主動(dòng)減震控制。結(jié)合磁流

6、變阻尼器半主動(dòng)控制特性，選定磁流變阻尼器的力學(xué)模型，基于H?控制器－Sign函數(shù)的半主動(dòng)控制策略建立了半主動(dòng)減震控制系統(tǒng)。對(duì)控制系統(tǒng)中的半主動(dòng)控制算法、阻尼器的布置和參數(shù)等進(jìn)行了優(yōu)化分析。為解決大跨度拱橋模型降階控制中由于含有未建模頻域不確定性所導(dǎo)致的溢出問(wèn)題，提出采用基于混合靈敏度的魯棒控制策略來(lái)消除溢出不穩(wěn)定。分析表明，該方法能有效地抑制溢出，保證系統(tǒng)具有更好的魯棒性能。
　　⑦選取大跨度拱橋中具有代表意義的橋型，一座上承式拱