[發明專利]一種拉索多模態振動的控制方法

有效

• 申請號: 202010691140.3
• 申請日: 2020-07-17
• 公開（公告）號: CN111796611B
• 公開（公告）日: 2022-03-04
• 發明（設計）人: 狄方殿;陳林;孫利民
• 申請（專利權）人: 同濟大學
• 主分類號: G05D19/02
• 分類號: G05D19/02;E01D19/16;E01D11/04
• 代理公司: 上海智信專利代理有限公司 31002
• 代理人: 吳林松

本發明提供了一種拉索低階風雨激勵和高階渦激引起的多模態振動的阻尼器和調諧質量阻尼器(TMD)組合減振方案及系統參數優化設計方法。拉索上兩處不同位置布置阻尼器，其中阻尼器控制低階風雨振，TMD針對高階渦振，該方法能夠解決傳統拉索上單點安裝阻尼器系統出現高階渦振的問題。參數設計包括以下步驟：根據索頻率在3.0Hz以下的模態振動的附加阻尼需求設計阻尼器的位置和參數；根據阻尼器的位置確定索高階渦激振動易發生的模態，索發生此類振動時阻尼器接近振動的駐點；根據高階渦振易發生的模態確定TMD的安裝位置和參數。本方法有利于消除普通拉索?阻尼器系統發生高階渦振的隱患，且TMD對阻尼器的優化參數和減振效果無影響。TMD安裝位置靠近索端阻尼器，安裝、維護、更換便利，適用于新建結構的拉索和已有結構拉索振動處置。

技術領域

本發明屬于纜索結構領域，涉及拉索結構振動控制技術，尤其是斜拉橋拉索的多模態振動控制技術。

背景技術

拉索由于質量輕、軸向承載力和剛度大的特點，使其在結構工程領域得到了廣泛應用，包括斜拉橋、懸索橋、吊桿拱橋以及由索錨固的桅塔結構等。以典型的纜索結構斜拉橋為例，其由于美觀性和經濟性優勢，在世界范圍內尤其是中國被廣泛建造。至2019年，世界上已建成的500米以上跨度斜拉橋共55座，我國擁有36座；在建的500米以上跨度斜拉橋共47座，我國擁有38座。

斜拉橋拉索的振動控制是此類橋建造時必須解決的問題之一。拉索振動主要是由于其橫向剛度較小、基頻低且自身阻尼低，在外部風、雨等激勵下出現多機理、多模態的振動。根據振動機理的不同，索振動可以分為風雨振、渦激振動、參數振動等。拉索的長期振動易引發拉索疲勞問題，輕則造成局部少量拉索破壞，重則引起橋梁整體結構的破壞；同時，拉索的振動容易引起公眾恐慌，社會影響較大。

為了控制拉索的振動，不少措施已在實際工程中應用，這主要包括：(1)改變拉索的氣動外形；(2)在索端安裝機械阻尼器；(3)采用輔助索連接相鄰拉索等減振措施。實踐證明索端安裝阻尼器的方法可以有效控制多種不同類型的拉索振動，且具有廣譜性特點。索端阻尼器的安裝、維護以及更換相對方便，因此在工程中得到了廣泛的應用。

目前索端阻尼器的設計通常是針對前幾階模態(通常是索振動頻率在0～3Hz范圍內的模態)，該設計方法對于控制最常發生的拉索風雨振是可行的。然而，當拉索發生某一些高階振動時，阻尼器因位于模態振型駐點處而造成減振效果的降低、甚至失效，且隨著拉索長度的增加、阻尼器的安裝高度增大，實際工程中斜拉索常發生明顯的高階渦激振動。有效控制拉索的高階渦激振動成為急切的現實需要。

對于這種因阻尼器位于模態振型節點而發生拉索高階振動的問題，國內外尚缺少對應控制措施。目前，對于一般的拉索渦激振動最常采用空氣動力學方法，即改變拉索氣動外型。實測結果發現，該方法對于拉索高階渦振的控制效果不佳，且該方法對于運營階段的橋梁存在安裝困難的問題。另外，在塔端安裝一個用于控制拉索高階渦振阻尼器的方法，同樣存在安裝、維護困難等問題；在梁端增加一個阻尼器則會影響本來阻尼器的優化參數和減振效果。因此，急需要一種有效、可行的高階渦振控制方法，實現對拉索低階風雨振及高階渦振的多模態控制。

發明內容

針對現有技術存在的上述缺陷，本發明的目的在于提供一種拉索多模態振動的控制方法，即在拉索兩處不同位置安裝阻尼器(雙阻尼器)，主要目的是控制低階風雨振和高階拉索-阻尼器系統渦振。該控制方法可以直接在設計中實施，也可以針對現有索結構進行索振動處置，具有方便且經濟的優勢。

為達到上述目的，本發明采用的技術方案是：

一種拉索多模態振動的控制方法，采用阻尼器與調諧質量阻尼器組合控制，阻尼器針對索容易發生風雨振的模態，調諧質量阻尼器針對索易發生渦激振動的高階模態。

進一步，阻尼器的位置和參數根據索的低階模態進行優化設計，考慮前5階或者索振動頻率在3.0Hz以下的模態。