桥梁TMD系统的参数优化与设计

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桥梁结构在人行荷载、车辆荷载、强风以及地震等作用下容易产生振动问题。过大振动会影响通行舒适度,也容易引起构件的疲劳破坏。为了抑制结构振动,国内外学者提出了许多振动控制方法,其中调谐质量阻尼器(Tuned Mass Damper,简称TMD)是最常用的桥梁振动控制手段之一。本文针对STMD(Single TunedMass Damper,简称STMD)及MTMD(Multiple Tuned Mass Dampers,简称MTMD)的参数优化、鲁棒性、减振可靠性进行了深入研究,并以我国绵阳市一座城市人行桥为例进行了参数优化设计。论文主要研究内容和取得的成果如下:(1)介绍了桥梁结构的主要振动形式以及振动控制的主要方法,对TMD控制理论的发展历史、研究现状以及工程应用进行了综述。提出了本文的研究内容。(2)对考虑被控结构阻尼的STMD进行了参数优化,利用数值方法得到了STMD的最优参数,并对TMD的相对位移进行了研究。结果表明Den Hartog基于耗能平衡的相对位移估算方法仅适用于无阻尼结构在共振区(0.9</p<1.1)时TMD相对位移的估计,而且考虑结构阻尼时Den Hartog估算方法过大估计了TMD的相对位移。(3)采用一种基于蒙特卡洛方法和模式搜索法的数值优化方法对MTMD进行了参数优化,并对MTMD的优化参数进行了研究。数值分析表明,相比于STMD,MTMD具有更好的控制效果以及更广的频率控制宽度,在总质量比相同的情况下,MTMD中TMD个数越多,减振效果会更好,但各个TMD的最优阻尼比会越小,因此各TMD的相对位移增加。(4)通过改变被控结构的动力参数,进行了STMD与MTMD系统的鲁棒性分析。分析表明,相比于被控结构阻尼比的偏移,TMD控制有效性对被控结构频率的偏移更加敏感,增加TMD的质量比有助于提高鲁棒性。(5)考虑到TMD自身参数可能发生的偏离,建立了一种基于正态分布概率模型的自身参数偏离模型,并基于此偏离模型对STMD和MTMD的减振可靠性进行了研究。研究表明,STMD系统和MTMD系统中TMD的个数会对减振可靠性有一定影响。(6)以绵阳市一座实际人行桥为数值算例,根据ANSYS分析以及现场实测获得的桥梁动力特性参数,进行了TMD减振的优化设计和减振效果的数值分析,验证了TMD能够有效控制桥梁振动。
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