高速铁路连续梁桥的共振响应与振动控制研究

以液体粘滞阻尼器为振动控制外部装置,主桥采用欧拉伯努利梁,通过中国和谐号动车组CRH380AL、日本新干线Shinkansen700和欧洲高速列车HSLMA8三种不同类型的高速列车对比,模拟分析了高速列车作用下桥梁结构共振响应的影响因素,以及粘滞阻尼器的阻尼系数与安装位置对桥梁结构振动响应的减振效果。研究结果表明,(1)合理有效地布置列车荷载轴距,可使桥梁结构发生基频共振的列车时速在运营时速之外,避免了桥梁结构发生较大振动峰值响应,即桥梁结构的基频共振;(2)随着粘滞阻尼器阻尼系数的增大,桥梁的加速度峰值在列车不同时速下均在减少,对桥梁振动有着不同程度的减振效果;(3)通过合理安置液体粘滞阻尼器,可有效降低高速列车作用下桥梁结构的共振响应;(4)随着粘滞阻尼器与主梁的连接点位置逐渐远离支座,粘滞阻尼器的减振效果逐渐明显;(5)随着粘滞阻尼器与桥台的连接点位置逐渐靠近支座,粘滞阻尼器的减振效果略有提升,但不明显。     

高速铁路连续箱型梁桥的动力响应与减振分析

根据列车具体的轴距和轴重,建立了和谐号动车组CRH380AL型列车简化模型;对高速铁路两跨连续梁桥采用多自由度欧拉伯努利梁单元进行主梁的模拟,并将液体黏滞阻尼器模拟为有限元阻尼单元;采用Newmark直接积分方法求解了高速列车作用下的连续梁桥运动方程,数值分析了列车车速以及液体黏滞阻尼器的阻尼系数对于高速铁路连续梁桥振动响应的影响。结果表明:黏滞阻尼器对于桥梁具有明显的减振效果,阻尼力不仅与阻尼系数有关还与列车时速有关;同一黏滞阻尼器条件下,桥梁的最大加速度并不随列车速度的增加而单调增加,而是在某些特定列车车速下桥梁的最大加速度出现了峰值,且随着黏滞阻尼器的阻尼系数增大,桥梁振动响应峰值处的最大加速度减幅不同;同一列车时速的条件下,桥梁的减振效果并不是随着阻尼系数的递增呈正比递增,而是随着阻尼系数的增大,阻尼器的减振效果增幅在减小。     

阻尼耗能减振框架结构地震作用振动方程求解及地震反应分析Calculation of vibration equation and analysis of seismic response for damping energy dissipation frame structure

研究了设置耗能阻尼器框架的地震作用振动方程求解及该结构的地震反应。框架结构设置耗能阻尼器后,振动方程的阻尼矩阵不再对振型具有正交性,本文对该振动方程给出了状态方程直接积分法,并与传统强制解耦法进行了比较分析,结果表明强制解耦法对结构第一阶振动反应求解偏差较小,而对于高阶振动反应差别较大,并且强制解耦法高估了阻尼器的减震效果。继而采用状态方程直接积分法对设置有粘滞阻尼器的框架结构进行了地震反应分析,探讨了阻尼器位置对框架结构地震反应的影响,结果表明设置有阻尼器的楼层减振效果明显,未设置阻尼器的楼层减振效果差别较大,甚至有可能出现楼层层间侧移增大的现象,由此提出耗能阻尼器应在结构中合理设置。     

阻尼耗能减振框架结构地震作用振动方程求解及地震反应分析

研究了设置耗能阻尼器框架的地震作用振动方程求解及该结构的地震反应。框架结构设置耗能阻尼器后,振动方程的阻尼矩阵不再对振型具有正交性,本文对该振动方程给出了状态方程直接积分法,并与传统强制解耦法进行了比较分析,结果表明强制解耦法对结构第一阶振动反应求解偏差较小,而对于高阶振动反应差别较大,并且强制解耦法高估了阻尼器的减震效果。继而采用状态方程直接积分法对设置有粘滞阻尼器的框架结构进行了地震反应分析,探讨了阻尼器位置对框架结构地震反应的影响,结果表明设置有阻尼器的楼层减振效果明显,未设置阻尼器的楼层减振效果差别较大,甚至有可能出现楼层层间侧移增大的现象,由此提出耗能阻尼器应在结构中合理设置。     

斜拉索振动控制中MR阻尼器选型的研究

以全索全时段振动响应的均方根(RMS)评价MR阻尼器对斜拉索的减振效果。计算结果表明MR阻尼器型号是影响斜拉索减振效果的最主要因素。斜拉索的减振效果在选用合适的MR阻尼器时达到最佳。进而研究了MR阻尼器型号与阻尼器安装位置、施加的电压、斜拉索基频(张力、索长、质量)、激励荷载(类型、频率、幅值)等各种因素的关系,为MR阻尼器合理选型提供了优化设计的方法。型号选用主要是与斜拉索基频和MR阻尼器安装位置有关。在引起索基频变化的因素中,索质量对型号的选取影响最大;而索长对型号影响不大。对于索质量较大、张力较大、MR阻尼器安装位置较低、外界激励较大、频谱特征多变、低频为主时需要较强的MR阻尼器。进一步研究表明,半主动控制与开环控制的最优MR阻尼器型号有较好的一致性,因此半主动控制所选用的MR阻尼器型号可参照被动控制时最优MR阻尼器型号。     

线性粘滞阻尼耗能框架结构地震反应分析与优化

振动方程阻尼矩阵对于布置了阻尼器框架结构的振型不再具有正交性,传统的振型解耦法已不再适合于该振动方程的求解。本文采用状态方程直接积分法,研究了线性粘滞阻尼耗能框架结构的地震响应,并与SAP2000有限元软件的分析结果进行了对比,两者误差在5%以内;本文也探讨了阻尼器布置方式对框架结构地震响应的影响。结果表明:减震结构布置阻尼器的楼层,其层间位移角减小较显著;但未布置阻尼器的楼层,其层间位移角较大,甚至会出现层间位移角超过传统抗震结构相应值的现象,因此粘滞阻尼器在结构中应连续布置,不宜在结构中间断;当粘滞阻尼器在结构各楼层均匀布置时,结构各楼层最大位移反应相对传统抗震结构降低很多,约为抗震结构的20%~40%,减震效果较显著,但各楼层阻尼系数可根据均匀布置阻尼器的结构层间位移角优化;阻尼系数优化后,结构各楼层层间位移角差别减小,较为均匀。本文最后提出了线性粘滞阻尼耗能结构地震作用的实用计算方法。     

液体边界层对平板结构振动阻尼效应分析

本文分析了液体边界层对平板振动的阻尼效应，基于液体的Stokes边界层理论，建立了考虑液体边界层阻尼效应的平板振动单自由度系统运动方程，利用Laplace变换方法求解了运动方程，得到了平板结构的位移响应解答，制作了一个单自由度质量-弹簧系统来测量水体粘滞阻尼效应，并将理论与试验结果进行了对比分析，表明Stokes边界层理论能较好模拟水体的粘滞阻尼特性，边界层阻尼明显减小了结构的动力响应，本文最后讨论了所提的分析方法的适用范围．     

车-轨-桥耦合动力系统影响参数分析

为了考虑高速列车、板式无砟轨道和桥梁相互作用的特点,需将列车模拟为质量-弹簧-阻尼多刚体相互约束的系统,通过列车车轮与钢轨的接触关系,建立车-轨-桥耦合系统的运动方程。重点分析了双线列车以不同工况通过高速铁路桥梁时,列车行驶状态(速度和加速度)、列车悬挂系数和钢轨-轨道-桥梁连接参数分别对车-轨-桥耦合系统的动力学性能影响。结果表明,(1)列车的加速度和速度的变化对耦合系统有不同程度的影响,随着列车行驶速度与加速度在一定范围内增加,车体自身结构的位移振动响应逐渐减小,而钢轨和桥梁结构的位移振动响应则不断增加;(2)列车悬挂参数的改变对列车自身结构影响较大,而对钢轨和桥梁结构影响很小;(3)车体一系刚度系数增大会引起列车系统结构振动响应变大,但车体二系刚度系数的增加却抑制了车体结构的振动响应;(4)除了钢轨的最大加速度随着连续刚度系数增加呈线性递减外,列车、钢轨和桥梁的振动响应不易受钢轨与桥梁间连接参数的影响。     

任意荷载作用下液体粘滞阻尼器在桥梁工程中减震作用探讨

在桥梁工程中，当需要限制梁端的碰撞或过大的相对位移，经常会在梁端设置液体粘滞阻尼器。由于技术原因，液体粘滞阻尼器在桥梁设计中的参数选取基本上是通过全桥模型的地震非线性时程分析得到的。而在寿命期内，桥梁需要承受各种随机荷载，在具有不同力学特性荷载的激励作用下引起梁端纵向大的响应时，液体粘滞阻尼器是否始终起有利的减震作用，一直困扰着其在桥梁工程中的实践。在液体粘滞阻尼器力学特性研究的基础上，通过矩阵变换得到关于阻尼器的局部动力方程，从变形和受力两个方向对此问题进行探讨，得到液体粘滞阻尼器对于梁端的相对位移、相对速度、相对加速度均有减震作用。但不会得出始终对所有构件的受力有利的结论，并进行了验证。     

环形调液阻尼器振动控制中拍的研究

对环形调液阻尼器减振控制中的拍现象进行研究,分析了环形调液阻尼器对结构纯扭转振动控制中的拍现象,分别考虑无阻尼结构体系、主体结构有阻尼而CTLCD无阻尼的体系及主体结构和CTLCD中均有阻尼的体系,从数学角度对拍现象发生的机理进行解释.研究结构表明,当拍现象发生时,主体结构的振动不仅不会受到抑制,有时反而会加强;当环形调液阻尼器的阻尼增大到一定程度时,拍现象会消失;对于受廹振动,发生拍现象时,由于结构反应的瞬态部分不能得到迅速衰减,结构的瞬态响应将会占结构响应的很大一部分,如果仅考虑结构的稳态响应会带来较大的误差.     

架空输电线防振锤阻尼特性实验研究

本文利用梁的振动理论对防振锤的阻尼特性进行研究。通过正弦激励下的共振驻留法,分别对不同型号以及同种型号不同锤头质量的防振锤进行振动实验,应用能量平衡原理得到了防振锤的阻尼特性曲线,分析了不同模态响应在阻尼耗能中的贡献。考虑不同类型阻尼对于减振性能的作用,在Lazan阻尼假设的基础上,利用经验公式推导了阻尼系数计算公式。结果表明,钢绞线变形大小直接影响防振锤的阻尼值大小;阻尼对减小共振频率附近的受迫振动幅值作用明显,验证了防振锤的减振性能;同时锤头质量的变化可以影响阻尼曲线的变化。以上结论可为防振锤的防振设计和应用提供参考。     

Analytical investigation of an SDOF building structure equipped with a friction damper

The purpose of this study is to investigate analytically a single-degree-of-freedom (SDOF) building structure equipped with a friction damper for assessing its vibration control effect. Friction dampers are installed between stories to reduce inter-story displacements of building structures subjected to external loading. They are in general regarded to generate damping forces characterized by Coulomb damping, of which the directions are opposite to the inter-story velocities of building structures. Hence, the building structure model with friction dampers can be represented by a mass-spring-viscous-Coulomb damping system. The building response reduction as a result of damper installation can be provided by observing the damping ratio rather than the friction force contributed by the dampers. Since a large friction damper force is required to attenuate the response of the building due to strong excitation, friction force ratio is directly related to building response reduction, which is the friction force of the damper versus external force. Therefore, damping and friction force ratios are key parameters, playing a main role in selecting an optimal friction damper, which satisfies target response reduction. This study first identifies an SDOF building structure installed with a friction damper for free vibration with initial conditions. A?closed-form expression of normalized displacement is derived in terms of friction force ratio in the time domain. Peak and valley of displacements are also found and then the time when the structure stops is derived with recursive interval number. This study is extended to identify steady-state vibration of the structure by deriving closed-form solution in case of resonance in terms of friction force ratio. Then, the dissipated energy balance is identified for both free and steady-state vibrations. Finally, equivalent viscous damping ratios are derived by using friction force ratio based on dissipated energy balance equation. The derived equations in terms of viscous damping ratio and friction force ratio can provide insight to design a friction damper for reducing structural displacement under external loadings.     

Inner mass impact damper for attenuating structure vibration

The behaviors of a vibration system suppressed with an impact damper are investigated, where the impact damper is simplified as a combination of spring and viscous damping. The analytical theory for the optimal impact control algorithms for impact damper is developed, and the accurate expressions are derived for the optimal values of the impact damper damping and initial displacement in a single-degree-of-freedom structure. The relation between coefficient of restitution and impact damping ratio is obtained. The investigation shows that the effective reduction of the vibration response is nearly independent of the number of impacts, but primarily related to the type of collision which the impact mass collides with the main mass face-to-face. This theory is generalized to continuous structures. An example of an impact damper in a rotating cantilever beam demonstrates that the impact dampers are suitable for attenuating the impulse response of structures unconditional stable without the requirement of the accuracy of the modal information.     

并联式承载减振一体的整星隔振研究

整星隔振是一种改善卫星振动环境的有效措施,传统整星隔振方案主要通过在卫星与火箭之间插入柔性、高阻尼结构.该方案因串联柔性元件,在实现减振的同时,也导致卫星分支(卫星、卫星支架、过渡支架)及整个运载火箭的模态频率大幅降低和卫星振动位移的显著增大.前者严重影响运载火箭飞行特别是末级飞行的稳定性;后者则会大幅减小卫星与整流罩的动态间隙,严重时可能导致卫星与整流罩碰撞.为了解决串联式整星隔振存在的问题,本文提出了一种在原主承力(过渡支架)结构中并联阻尼元件的整星隔振方案,该方案不改变卫星分支结构形式、连接关系,不影响卫星分支主承力结构的强度和刚度.根据柔性航天器的特点,建立了多自由度系统动力学模型,通过仿真分析研究了不同阻尼特性对系统共振频率附近传递特性的影响,得到了增大阻尼可有效改善系统各阶共振频率附近的振动传递特性.根据某运载火箭的外激励特点、过渡支架结构形式、卫星减振需求,设计的一种黏性阻尼器及其安装支架,通过在过渡支架均匀分布8个减振单元,构建了并联式承载减振一体的整星隔振方案,有限元分析和试验结果表明,该方案与无减振状态相比,卫星分支频率变化小于±5％,共振频率处传递特性改善30％~40％.      

基于节段模型试验的宽幅箱梁涡振性能气动措施优化

为了研究宽幅流线型箱梁断面的涡振性能,以某跨越长江的大跨悬索桥为背景,进行1∶50节段模型风洞试验。分析了检修轨道、人行道栏杆等涡振敏感构件的影响,研究了改变人行道栏杆形式、附加斜腹板导流板以及风嘴分流板等气动措施的制振效果。研究结果表明,宽幅箱梁涡振性能随来流攻角增大而逐渐变差,且由于漩涡Strouhal数的变化易诱发多区间涡振,扭转涡振幅值随阻尼增加线性衰减显著。人行道栏杆是此类断面的涡振敏感构件,去掉栏杆踢脚石能明显改善涡振性能;斜腹板导流板对改善其涡振性能效果微弱;风嘴分流板具有显著的制振效果,不仅能有效地抑制主梁涡振的发生,且能提高颤振临界风速。     

Suppression of multiple modal resonances of a cantilever beam by an impact damper

Impact dampers are usually used to suppress single mode resonance. The goal of this paper is to clarify the difference when the impact damper suppresses the resonances of different modes. A cantilever beam equipped with the impact damper is modeled. The elastic contact of the ball and the cantilever beam is described by using the Hertz contact model. The viscous damper between the ball and the cantilever beam is modeled to consume the vibrational energy of the cantilever beam. A piecewise ordinary differential-partial differential equation of the cantilever beam is established, including equations with and without the impact damper. The vibration responses of the cantilever beam with and without the impact damper are numerically calculated. The effects of the impact absorber parameters on the vibration reduction are examined. The results show that multiple resonance peaks of the cantilever beam can be effectively suppressed by the impact damper. Specifically, all resonance amplitudes can be reduced by a larger weight ball. Moreover, the impacting gap is very effective in suppressing the vibration of the cantilever beam. More importantly, there is an optimal impacting gap for each resonance mode of the cantilever beam, but the optimal gap for each mode is different.