基于惯质类阻尼器的斜拉索振动控制与能量收集研究

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斜拉索作为斜拉桥的主要受力构件之一,容易在外部激励下产生不利的振动,这极大地影响了结构的整体性和安全性。目前,被动阻尼减振装置是最常用的一种斜拉索减振措施。惯质阻尼器可以通过较小的物理质量产生极大的等效惯性质量,从而显著提高其质量比和结构减振性能。电磁阻尼器是一种新型的结构阻尼器,可以通过选取合适的电路而实现可调的阻尼力,且具备能量收集性能。本文将惯质阻尼器和电磁阻尼器的特点相结合,提出了两种新型的被动型惯质类阻尼器(即EIMD和TIED),同时具备振动控制和能量收集性能。本文以一根135m的实索作为研究对象,开展了基于惯质类阻尼器的减振与能量收集研究,具体的研究内容如下:
  (1)开展了基于EIMD的斜拉索振动足尺实验,并建立了斜拉索—EIMD的数值模型。通过实测和数值结果,系统研究了EIMD在自振和谐振工况下的能量收集性能,并讨论了各参数对EIMD性能的影响,证明了惯质对EIMD能力收集性能的提升作用。基于理论研究和数值模拟,验证了EIMD的振动控制与能量收集性能的最优参数一致性。
  (2)开展了基于TIED的斜拉索减振足尺实验,并建立了斜拉索—TIED的数值模型。通过实测和数值结果,系统研究了TIED在自振工况下的减振性能,并讨论了各参数对TIED性能的影响。以模态阻尼比为优化指标,研究了TIED对斜拉索减振的最优参数,包括最优惯质和最优阻尼系数。通过实验和数值结果,验证了TIED减振性能的频率相关性,初步研究了频率比对其减振性能的影响。最后,通过数值模拟研究了阻尼器安装位置、弹簧刚度和斜拉索张拉力对TIED的最优参数以及模态阻尼比的影响。
  研究结果表明,本文提出的两种惯质类阻尼器的减振性能优于传统的线性粘滞阻尼器。例如,实测TIED提供的模态阻尼比可达到线性粘滞阻尼器的299.5%。此外,EIMD和TIED并具备较好的能量收集性能,足够为无线传感器或半主动阻尼器等低耗能设备供能。本论文的研究成果可为此后对EIMD和TIED在斜拉索振动控制、能量收集方面的应用提供设计参考。
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