[发明专利]一种斜拉索多阶模态振动控制的黏滞阻尼器优化设计方法

说明书

本发明公开了一种斜拉索多阶模态振动控制的黏滞阻尼器优化设计方法，首先建立阻尼器的作用位置向量和输出反馈控制的观测矩阵，其次通过选取斜拉索振动的模态阶次及权重建立输出反馈控制的目标泛函；然后根据目标泛函与控制力权因子的变化关系确定最优的控制力权因子，进而确定最优输出反馈控制的增益矩阵和斜拉索各阶模态的附加模态阻尼比；最后将最优输出反馈控制的增益矩阵输出为黏滞阻尼器的优化设计参数。本发明通过选取斜拉索的振动模态阶次及权重，迅速高效地确定黏滞阻尼器对斜拉索多阶模态振动控制的设计参数，解决了现有设计方法难以考虑斜拉索振动模态阶次权重以及难以实现多阶模态振动最优控制等问题。

技术领域

本发明属于结构振动控制领域，具体涉及一种斜拉索多阶模态振动控制的黏滞阻尼器优化设计方法。

背景技术

斜拉索作为斜拉桥的主要承重构件，具有柔度大、阻尼小的特点，在外界环境激励下极易发生风振、风雨振和参数振动等多种有害振动。持续、大幅的斜拉索振动不仅会引起斜拉索的疲劳损伤，而且会破坏斜拉索的防腐系统，进而减少斜拉索的服役寿命；此外，斜拉索的振动容易导致公众对斜拉桥的安全性产生怀疑，影响斜拉桥的安全运营。因此，有必要采取有效的斜拉索减振措施降低斜拉索振动带来的负面影响。

在斜拉索近锚固端安装黏滞阻尼器是目前应用最为广泛的斜拉索减振措施之一。为实现黏滞阻尼器对斜拉索的减振设计，Pacheco等(Estimation curve for modaldamping in stay cables with viscous damper)给出了黏滞阻尼器对斜拉索减振控制的统一设计曲线；Krenk(Vibrations of a taut cable with an external damper)建立了斜拉索附加模态阻尼比的近似设计公式，但上述研究仅能实现斜拉索某一阶模态的最优控制。而现有的斜拉索抖振和风雨振实测结果表明，大跨度斜拉桥的斜拉索往往存在多阶模态的耦合振动问题。因此，当实现斜拉索某阶模态最优控制时，可能会引起其他阶模态减振效果的显著下降，甚至不能达到预期减振目标。

为实现斜拉索多阶模态振动控制，Wang等(Optimal design of viscous dampersfor multi-mode vibration control of bridge cables)基于LQR主动控制提出了斜拉索多阶模态最优控制的黏滞阻尼器优化设计方法，但该方法无法考虑斜拉索振动模态阶次的权重；Weber等(Design of viscous dampers targeting multiple cable modes)通过约束斜拉索的最小附加模态阻尼比确定了黏滞阻尼器的设计参数，但并未实现斜拉索多阶模态的最优控制，需要改进。

发明内容

为解决上述问题，本发明公开了一种斜拉索多阶模态振动控制的黏滞阻尼器优化设计方法，不仅可以考虑斜拉索振动模态阶次的权重，而且可以根据斜拉索参数迅速计算出黏滞阻尼器的优化设计参数。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种斜拉索多阶模态振动控制的黏滞阻尼器优化设计方法，包括以下步骤：

第一步：建立斜拉索-黏滞阻尼器耦合系统的状态空间方程；

第二步：选取合适的黏滞阻尼器安装位置并确定黏滞阻尼器的作用位置向量γ和输出反馈控制的观测矩阵H；

第三步：选取系统状态权矩阵Q、控制力权因子R的初值及变化范围、斜拉索的振动模态阶次及权重；

第四步：计算输出反馈控制的增益矩阵G并建立斜拉索输出反馈控制目标泛函E(J)；

第五步：根据目标泛函E(J)与控制力权因子R的关系，选取最优控制力权因子R^opt；

第六步：计算最优输出反馈控制的增益矩阵G^opt和斜拉索各阶模态的附加模态阻尼比；