桥梁减震半主动控制研究

论文摘要

桥梁抗震减震一直是地震工程中的一项重要内容，本文较为系统地研究了桥梁地震反应半主动控制的数值分析问题，以在桥梁工程中广泛应用的梁式桥（刚构-连续梁桥、连续梁桥、曲线刚构桥）和斜拉桥为计算模型，采用三种常用类型的半主动控制阻尼器（粘滞阻尼器、磁流变阻尼器、压电摩擦阻尼器），围绕着“两个基本问题（半主动控制算法、阻尼器位置），三个影响因素（行波效应、桩土相互作用、时滞），一个工程应用（曲线桥梁）”这条研究主线，探讨了桥梁地震反应半主动控制的一系列问题，主要工作和成果包括以下几个方面： （1） 桥梁半主动控制算法比较与分析。半主动控制算法可以分为“开关型”和“连续型”算法，最优bang-bang控制算法和最大开关控制算法对刚构-连续桥梁大部分地震反应的减震效果相对最好，而界限滑动控制算法能很好地跟踪主动控制效果。半主动控制能有效地减小桥梁结构的大部分地震反应，但是却能增大桥梁的另外某些地震反应。半主动控制算法会使得阻尼器附近桥梁结点的某些地震反应会产生剧烈的放大效应，“连续型”控制算法由于能够较为平缓地施加阻尼力，能够较好地减轻“针尖”效应，其加速度放大效应比“开关型”控制算法缓和，而采用主动控制时没有出现加速度放大效应。 （2） 确定桥梁中阻尼器位置的简便实用方法。半主动控制阻尼器位置优化与优化目标、阻尼器类型、半主动控制算法、桥梁结构类型等多种因素有关，要准确地确定阻尼器的最优位置是一个非常复杂的问题，而根据主动控制的各作动器耗能的大小来相对较优地确定阻尼器位置是一种简便实用的方法，特别适用于像桥梁这种具有支座或伸缩缝等连接构件的“间断型”结构。 （3） 行波效应对大跨刚构-连续桥梁减震控制的影响。地震行波效应会对大跨刚构-连续桥梁纵桥向与横桥向的无控制、半主动控制和主动控制地震反应产生严重影响，它对桥梁的主梁和桥墩均会产生不利影响，而不是只对主梁产生不利影响。行波效应会使按照地震动一致输入确定的半主动控制、主动控制系统的减震效果大大降低，在进行大跨刚构-连续桥梁半主动控制或主动控制系统参数设计时应该重视行波效应的影响。 （4） 行波输入下大跨飘浮体系斜拉桥减震控制分析。不同频谱成分的地震动输入显著影响斜拉桥的地震反应和控制方法的减震效果。行波效应对斜拉桥的主梁具有不利影响。但对桥塔抗震有利，并且行波效应对该斜拉桥控制系统的减震效果没有明显的不利影响。半主动控制对于斜拉桥整

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 桥梁抗震设计现状
• 1.1.1 桥梁典型震害
• 1.1.2 桥梁结构抗震设计现状及发展趋势
• 1.2 结构振动控制方法概述
• 1.2.1 被动控制
• 1.2.2 主动控制
• 1.2.3 半主动控制
• 1.2.4 混合控制
• 1.3 土木工程结构半主动控制的优越性
• 1.4 研究问题的提出
• 1.5 本文主要研究内容
• 第二章 地震动多点输入下大跨桥梁半主动控制理论
• 2.1 桥梁结构形式分类及其特点
• 2.2 地震动多点输入下桥梁半主动控制计算方法
• 2.2.1 地震动多点输入下桥梁半主动控制运动方程
• 2.2.2 刚度矩阵的选取
• 2.2.3 质量矩阵的处理
• 2.2.4 阻尼矩阵的处理
• 2.2.5 地震动输入
• 2.3 半主动控制阻尼器的阻尼力计算
• 2.3.1 粘滞阻尼器
• 2.3.2 磁流变阻尼器
• 2.3.3 压电摩擦阻尼器
• 2.3.4 符号函数的近似
• 2.4 主动最优控制力的确定
• 2.4.1 经典线性最优控制算法（LQR）
• 2.4.2 线性二次型高斯控制算法（LQG）
• 2.5 半主动控制律的实施方法
• 2.5.1 半主动控制算法
• 2.5.2 被动控制算法
• 2.6 动力微分方程的求解
• 2.6.1 工程中常用的逐步积分方法
• 2.6.2 SIMULINK模型动态仿真
• 2.7 本章小结
• 第三章 半主动控制算法比较与分析
• 3.1 半主动控算法
• 3.2 桥梁计算模型
• 3.3 地震动输入
• 3.4 阻尼器设置
• 3.5 半主动控制计算结果
• 3.5.1 评价指标
• 3.5.2 计算结果
• 3.6 各种算法的减震效果比较
• 3.7 各种算法的加速度放大现象
• 3.8 各种算法的阻尼器耗能
• 3.9 各种算法的控制力时程曲线
• 3.9.1 半主动控制的控制力时程曲线
• 3.9.2 半主动控制6与主动控制的控制力时程曲线
• 3.10 本章小结
• 第四章 桥梁阻尼器位置确定的简便方法
• 4.1 阻尼器设置方法概述
• 4.2 桥梁计算模型
• 4.3 地震动输入
• 4.4 半主动控制算法
• 4.5 纵桥向地震反应半主动控制
• 4.6 横桥向地震反应半主动控制
• 4.7 本章小结与建议
• 第五章 行波效应对大跨刚构-连续桥梁半主动控制的影响
• 5.1 桥梁计算模型
• 5.1.1 刚构-连续桥梁的特点
• 5.1.2 桥梁概况
• 5.1.3 桥梁计算模型
• 5.2 地震动输入
• 5.3 阻尼器设置
• 5.4 半主动控制方法
• 5.5 纵桥向地震反应半主动控制
• 5.5.1 确定磁流变阻尼器参数
• 5.5.2 纵桥向无控制地震反应计算结果
• 5.5.3 纵桥向半主动控制地震反应计算结果
• 5.5.4 纵桥向无控制与半主动控制地震反应的比较
• 5.5.5 行波输入下纵桥向计算结论
• 5.6 横桥向地震反应主动控制
• 5.6.1 确定主动控制参数
• 5.6.2 横桥向无控制地震反应计算结果
• 5.6.3 横桥向主动控制地震反应计算结果
• 5.6.4 横桥向无控制与主动控制地震反应的比较
• 5.6.5 行波输入下横桥向计算结论
• 5.7 本章小结
• 第六章 行波输入下大跨斜拉桥减震控制分析
• 6.1 斜拉桥抗震概述
• 6.2 斜拉桥计算模型
• 6.3 地震动输入
• 6.4 斜拉桥减震控制计算方法
• 6.5 振动控制计算结果
• 6.6 行波效应对地震反应的影响
• 6.6.1 地震反应行波效应曲线比较
• 6.6.2 行波效应时程曲线比较
• 6.7 减震效果时程曲线
• 6.7.1 地震反应时程曲线比较
• 6.7.2 主梁轴力的放大作用
• 6.8 本章小结
• 第七章 桩-土动力相互作用对桥梁半主动控制的影响
• 7.1 土-结构相互作用分析方法概述
• 7.2 连续梁桥计算模型
• 7.3 桥梁半主动控制计算
• 7.4 半主动控制计算结果与分析
• 7.4.1 半主动控制计算结果
• 7.4.2 计算结果分析
• 7.5 本章小结
• 第八章 时滞对桥梁半主动控制的影响及补偿
• 8.1 时滞问题概述
• 8.2 桥梁计算模型
• 8.3 桥梁半主动控制计算
• 8.4 考虑时滞的半主动控制计算结果
• 8.5 考虑时滞的主动控制计算结果
• 8.6 时滞补偿后的半主动控制计算结果
• 8.7 本章小结
• 第九章 曲线桥梁弯扭耦合半主动控制分析
• 9.1 曲线桥梁概述
• 9.2 曲线桥梁计算模型
• 9.3 地震动输入
• 9.4 压电摩擦阻尼器半主动控制计算方法
• 9.5 半主动控制计算结果
• 9.5.1 地震反应计算结果
• 9.5.2 减震效果比较
• 9.5.3 地震动三个方向输入时地震反应比较
• 9.5.4 桥梁控制弯矩和扭矩时程曲线
• 9.6 本章小结
• 第十章 结论与展望
• 10.1 本文的主要结论
• 10.2 以后研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间发表的学术论文
• 作者简历