基于STF阻尼器的斜拉索自适应减振控制研究

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斜拉桥已成为中、长跨径桥梁的主要结构类型。作为斜拉桥的主要受力构件,斜拉索在受到外界激励时极易发生振动。斜拉索的振动不仅会加剧疲劳损伤,严重时还会引发毁灭性灾难。因此,控制斜拉索的振动关乎其能否正常工作。在主流控制方法中,利用阻尼器减振是最广泛且最有效的方法;而STF(shear thickening fluid)是一种耗能特性优良的材料,可以随所受剪切速率的变化自适应地改变特性。因此,本文结合了现代阻尼器的结构优势和STF材料的性能优势,制作出足尺STF阻尼器并以此实现控制斜拉索振动的目的。在证明了该方案有效的基础上,通过参数分析,就更好地发挥其在斜拉索自由振动中的减振效果作了相关探讨。为了研究STF阻尼器的特性,进行了动态力学性能试验。分析STF材料的性质,选择合理的阻尼器结构,设计并制作足尺STF阻尼器,在MTS 793系统上实现正弦波和地震波的加载试验。对比不同工况正弦波试验的滞回曲线,发现其特征随着加载频率改变发生了变化;地震波加载试验的结果表明,STF阻尼器能够稳定发挥优良的耗能特性。建立斜拉索-STF阻尼器系统自由振动的计算方案,研究STF阻尼器的减振特性和控制效果。基于动态力学性能试验结果,提出STF阻尼器的现象模型,建立斜拉索-STF阻尼器系统数值模型,引入迭代计算方法,对该系统自由振动进行研究。依据STF阻尼器位置处速度的变化特征,将整个衰减过程分为五个阶段,每一阶段选取代表性的周期,分析每一个周期内STF阻尼器位置处速度、阻尼力的特性及位移与阻尼力关系的变化。通过与粘性阻尼器对比,证明了STF阻尼器控制斜拉索振动的有效性。将斜拉索跨中位移的衰减过程划分为三个阶段,发现STF阻尼器的减振特性中兼具粘性阻尼和摩擦阻尼的特性,在不同阶段,不同特性发挥主导作用。针对斜拉索的自由振动,分析了影响STF阻尼器减振效果的参数,提出了参考性的建议。研究了斜拉索不同振动幅度、阻尼器不同安装位置、不同索端连接方式的斜拉索-STF系统自由振动的特性,发现增大振动幅度会增加跨中位移衰减过程中第一阶段的时长,阻尼器安装位置靠近跨中,索端为铰接,更有利于STF阻尼器发挥减振作用。
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