鋼箱梁加勁板線性與非線性振動(dòng)的理論與試驗(yàn)研究

隨著鋼箱梁的廣泛應(yīng)用，加勁板的力學(xué)行為受到越來(lái)越多的關(guān)注，既有的研究工作均集中于靜力及屈曲方面，由于鋼箱梁加勁板承受各種動(dòng)荷載作用，對(duì)其動(dòng)力行為的研究更具有現(xiàn)實(shí)意義。本項(xiàng)目從理論和試驗(yàn)兩個(gè)方面對(duì)其動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行研究，主要研究?jī)?nèi)容及成果如下：第一，運(yùn)用組合板梁?jiǎn)卧ǚ治鲣撓淞禾菪卫呒觿虐?，并?gòu)建了模擬橋面鋪裝層的8節(jié)點(diǎn)實(shí)體板單元，運(yùn)用這兩種單元分析梯形肋加勁板與橋面鋪裝的力學(xué)特性，不僅能滿足計(jì)算精度的要求，同時(shí)亦減少了單元?jiǎng)澐值臄?shù)量，從而提高了計(jì)算效率，值得在工程中推廣；第二，運(yùn)用能量原理分析鋼箱梁加勁板的線性局部振動(dòng)，該方法較之于等效正交異性板法具有更廣的適用性，尤其是計(jì)算高階頻率；第三，對(duì)加勁板線性振動(dòng)進(jìn)行參數(shù)分析，重點(diǎn)討論初始幾何缺陷及焊接殘余應(yīng)力對(duì)其動(dòng)力性能的影響，結(jié)果表明初始幾何缺陷在局部線性振動(dòng)中的影響較小，實(shí)際應(yīng)用中可以不予考慮，而焊接殘余應(yīng)力的影響則比較明顯，不能忽略；第四，通過(guò)對(duì)加勁板單模態(tài)非線性振動(dòng)的參數(shù)分析，得到了參數(shù)變化對(duì)非線性頻率影響規(guī)律；第五，通過(guò)對(duì)加勁板雙模態(tài)非線性振動(dòng)的參數(shù)分析，得到了結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)加勁板幅頻特性及振幅-激勵(lì)特性的影響關(guān)系，同時(shí)亦分析了初始幾何缺陷對(duì)加勁板非線性動(dòng)力特性的影響；第六，通過(guò)加勁板振動(dòng)的模型試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證了理論及數(shù)值分析的準(zhǔn)確性，同時(shí)亦歸納出部分振動(dòng)特性。 本項(xiàng)目結(jié)合理論推導(dǎo)、數(shù)值模擬及試驗(yàn)分析，系統(tǒng)地研究了鋼箱梁加勁板的線性及非線性振動(dòng)特性，得到了大量的具有工程應(yīng)用價(jià)值的實(shí)用性成果，可以為鋼箱梁加勁板的動(dòng)力設(shè)計(jì)及振動(dòng)控制提供依據(jù)。

隨著鋼箱梁的廣泛應(yīng)用，加勁板的力學(xué)行為受到越來(lái)越多的關(guān)注，本項(xiàng)目從理論和試驗(yàn)兩個(gè)方面對(duì)其動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行研究：第一，考慮加勁板的初始幾何缺陷與焊接殘余應(yīng)力，運(yùn)用能量原理建立加勁板的線性與非線性振動(dòng)微分方程；第二，對(duì)于線性自由振動(dòng)，討論加勁板的初始幾何缺陷、焊接殘余應(yīng)力、阻尼、幾何參數(shù)的變化對(duì)自振頻率和振型的影響；第三，分別考慮加勁板的1:2與1:3內(nèi)共振情況，運(yùn)用同倫分析法研究求解加勁板分別在非共振激勵(lì)、主共振激勵(lì)與參數(shù)激勵(lì)作用下的非線性振動(dòng)，并對(duì)板與肋之間的應(yīng)力變化規(guī)律進(jìn)行分析；第四，制作一定數(shù)量的加勁板模型，考慮四邊簡(jiǎn)支與四邊固定兩種典型的邊界條件，分析加勁板的自由振動(dòng)以及分別在橫向諧波激勵(lì)、面內(nèi)諧波激勵(lì)作用下的受迫振動(dòng)特性。.本項(xiàng)目結(jié)合理論推導(dǎo)、數(shù)值模擬及模型試驗(yàn)，系統(tǒng)地研究了鋼箱梁加勁板的動(dòng)力行為，以期準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)加勁板結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性，從而為鋼箱梁加勁板的設(shè)計(jì)及振動(dòng)控制提供依據(jù)。

針對(duì)大跨度橋梁中廣泛應(yīng)用的鋼箱梁加勁板，從理論和試驗(yàn)兩個(gè)方面研究加勁板的動(dòng)力行為。首先，將鋼箱梁加勁板視為雙向加勁板，縱向加勁肋與橫隔板均按質(zhì)量與剛度進(jìn)行等效，加勁肋視為梁?jiǎn)卧?，母板按?jīng)典薄板理論考慮，分別采用彈性理論與能量原理建立加勁板的動(dòng)力平衡方程。研究加勁板在彈性支承以及移動(dòng)邊界等復(fù)雜邊界條件下的線性與非線性振動(dòng)，討論加勁板的固有頻率、振型等線性特征以及內(nèi)共振、動(dòng)力穩(wěn)定性等非線性特征，同時(shí)結(jié)合靜態(tài)疲勞理論研究鋼箱梁加勁板的振動(dòng)疲勞特性。其次，考慮阻尼系數(shù)，運(yùn)用數(shù)值方法分析加勁板在各種邊界條件與激勵(lì)作用下的非線性振動(dòng)。最后，制作一定數(shù)量的加勁板模型，考慮簡(jiǎn)支、固定、彈性支承等幾類邊界條件，研究加勁板在周期激勵(lì)作用下的動(dòng)力特性，進(jìn)一步對(duì)理論與數(shù)值方法的結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，從而為預(yù)測(cè)加勁板的動(dòng)力特性同振動(dòng)控制提供依據(jù)。

土木工程結(jié)構(gòu)在強(qiáng)震作用下將不可避免地進(jìn)入塑性階段，從而表現(xiàn)出非線性行為，因此研究結(jié)構(gòu)非線性振動(dòng)識(shí)別與控制具有重要的理論和實(shí)際意義。本項(xiàng)目針對(duì)結(jié)構(gòu)中已知非線性程度及非線性類型的不同，設(shè)計(jì)合適的結(jié)構(gòu)非線性振動(dòng)識(shí)別及控制算法，并分別基于旋轉(zhuǎn)阻尼器和磁流變彈性體建立具有可重復(fù)性的結(jié)構(gòu)非線性振動(dòng)試驗(yàn)?zāi)Ｐ?。具體為：1）當(dāng)已知較多非線性模型信息時(shí)，采用常參數(shù)結(jié)構(gòu)非線性振動(dòng)模型，設(shè)計(jì)以魯棒控制方案為主的控制算法；當(dāng)已知較少非線性模型信息時(shí)，采用時(shí)變參數(shù)結(jié)構(gòu)非線性振動(dòng)模型，設(shè)計(jì)以自適應(yīng)制方案為主的控制算法；2）利用磁流變或粘滯旋轉(zhuǎn)阻尼器建立具有可重復(fù)性的結(jié)構(gòu)非線性振動(dòng)試驗(yàn)?zāi)Ｐ停⑼ㄟ^(guò)調(diào)整輸入到磁流變旋轉(zhuǎn)阻尼器中的電壓信號(hào)實(shí)現(xiàn)不同的非線性行為；3）利用磁流變彈性體設(shè)計(jì)變剛度柱，并建立可以實(shí)現(xiàn)不同剛度非線性的結(jié)構(gòu)非線性振動(dòng)試驗(yàn)?zāi)Ｐ停?）在試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜕向?yàn)證前面提出的結(jié)構(gòu)非線性振動(dòng)識(shí)別與控制算法的合理性。

土木工程結(jié)構(gòu)的振動(dòng)控制研究和應(yīng)用已有近 50 年的歷史，基于線性結(jié)構(gòu)的主動(dòng)控制理論已經(jīng)基本成熟，在土木工程領(lǐng)域也得到了廣泛的應(yīng)用。但是由于結(jié)構(gòu)形式越來(lái)越復(fù)雜，即使采用結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制系統(tǒng)，在強(qiáng)地震作用下將結(jié)構(gòu)完全控制在線性階段也是不現(xiàn)實(shí)的。因此研究結(jié)構(gòu)非線性振動(dòng)控制以及識(shí)別等問(wèn)題具有重要的理論和實(shí)際意義。結(jié)構(gòu)非線性振動(dòng)試驗(yàn)容易造成結(jié)構(gòu)損傷甚至破壞，不具有可重復(fù)性，因此研究可以重復(fù)使用的結(jié)構(gòu)非線性試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯?duì)于所提出理論和算法的驗(yàn)證也是非常重要的。本項(xiàng)目基于以上的問(wèn)題，根據(jù)不同情況研究了結(jié)構(gòu)非線性振動(dòng)識(shí)別與控制算法，同時(shí)設(shè)計(jì)了結(jié)構(gòu)非線性振動(dòng)試驗(yàn)?zāi)Ｐ?。具體為：1. 針對(duì)常參數(shù)簡(jiǎn)單非線性模型采用小波分析與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)非線性振動(dòng)參數(shù)識(shí)別；考慮時(shí)變參數(shù)的影響，針對(duì)滯回非線性模型采用無(wú)跡卡爾曼濾波進(jìn)行參數(shù)識(shí)別，同時(shí)利用估計(jì)量來(lái)計(jì)算滯回變量，提高了識(shí)別精度；針對(duì)磁流變彈性體材料，采用廣義Maxwell模型以及分?jǐn)?shù)階模型進(jìn)行了建模及參數(shù)識(shí)別。2. 針對(duì)簡(jiǎn)單非線性模型，采用滑?？刂扑惴ㄒ约胺答伨€性化控制算法進(jìn)行了控制設(shè)計(jì)，同時(shí)在控制算法設(shè)計(jì)中對(duì)于荷載進(jìn)行了識(shí)別；針對(duì)復(fù)雜非線性模型，結(jié)合前面的識(shí)別算法給出控制所用參數(shù)，采用模型參考自適應(yīng)控制算法進(jìn)行了結(jié)構(gòu)非線性振動(dòng)控制；針對(duì)采用旋轉(zhuǎn)激勵(lì)的結(jié)構(gòu)非線性模型，采用同胚變換及反饋線性化算法完成了結(jié)構(gòu)非線性振動(dòng)控制。3. 基于粘滯旋轉(zhuǎn)阻尼器建立了結(jié)構(gòu)非線性振動(dòng)試驗(yàn)?zāi)Ｐ停ㄟ^(guò)調(diào)節(jié)粘滯阻尼器的阻尼系數(shù)可以實(shí)現(xiàn)不同的非線性行為；基于磁流變彈性體建立了結(jié)構(gòu)非線性試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，通過(guò)調(diào)節(jié)施加在磁流變彈性體上的磁場(chǎng)可以實(shí)現(xiàn)不同的非線性行為；基于旋轉(zhuǎn)激勵(lì)作動(dòng)器建立了考慮作動(dòng)器非線性的結(jié)構(gòu)非線性試驗(yàn)?zāi)Ｐ?；基于主?dòng)電機(jī)建立了基于狀態(tài)反饋的結(jié)構(gòu)非線性振動(dòng)試驗(yàn)?zāi)Ｐ停梢灾貜?fù)的實(shí)現(xiàn)給定的線性及非線性行為。在以上建立的結(jié)構(gòu)非線性模型中，對(duì)于所提到的識(shí)別和控制算法進(jìn)行了驗(yàn)證。 2100433B