[发明专利]一种拉索多模态振动的控制方法

说明书

本发明提供了一种拉索低阶风雨激励和高阶涡激引起的多模态振动的阻尼器和调谐质量阻尼器(TMD)组合减振方案及系统参数优化设计方法。拉索上两处不同位置布置阻尼器，其中阻尼器控制低阶风雨振，TMD针对高阶涡振，该方法能够解决传统拉索上单点安装阻尼器系统出现高阶涡振的问题。参数设计包括以下步骤：根据索频率在3.0Hz以下的模态振动的附加阻尼需求设计阻尼器的位置和参数；根据阻尼器的位置确定索高阶涡激振动易发生的模态，索发生此类振动时阻尼器接近振动的驻点；根据高阶涡振易发生的模态确定TMD的安装位置和参数。本方法有利于消除普通拉索‑阻尼器系统发生高阶涡振的隐患，且TMD对阻尼器的优化参数和减振效果无影响。TMD安装位置靠近索端阻尼器，安装、维护、更换便利，适用于新建结构的拉索和已有结构拉索振动处置。

技术领域

本发明属于缆索结构领域，涉及拉索结构振动控制技术，尤其是斜拉桥拉索的多模态振动控制技术。

背景技术

拉索由于质量轻、轴向承载力和刚度大的特点，使其在结构工程领域得到了广泛应用，包括斜拉桥、悬索桥、吊杆拱桥以及由索锚固的桅塔结构等。以典型的缆索结构斜拉桥为例，其由于美观性和经济性优势，在世界范围内尤其是中国被广泛建造。至2019年，世界上已建成的500米以上跨度斜拉桥共55座，我国拥有36座；在建的500米以上跨度斜拉桥共47座，我国拥有38座。

斜拉桥拉索的振动控制是此类桥建造时必须解决的问题之一。拉索振动主要是由于其横向刚度较小、基频低且自身阻尼低，在外部风、雨等激励下出现多机理、多模态的振动。根据振动机理的不同，索振动可以分为风雨振、涡激振动、参数振动等。拉索的长期振动易引发拉索疲劳问题，轻则造成局部少量拉索破坏，重则引起桥梁整体结构的破坏；同时，拉索的振动容易引起公众恐慌，社会影响较大。

为了控制拉索的振动，不少措施已在实际工程中应用，这主要包括：(1)改变拉索的气动外形；(2)在索端安装机械阻尼器；(3)采用辅助索连接相邻拉索等减振措施。实践证明索端安装阻尼器的方法可以有效控制多种不同类型的拉索振动，且具有广谱性特点。索端阻尼器的安装、维护以及更换相对方便，因此在工程中得到了广泛的应用。

目前索端阻尼器的设计通常是针对前几阶模态(通常是索振动频率在0～3Hz范围内的模态)，该设计方法对于控制最常发生的拉索风雨振是可行的。然而，当拉索发生某一些高阶振动时，阻尼器因位于模态振型驻点处而造成减振效果的降低、甚至失效，且随着拉索长度的增加、阻尼器的安装高度增大，实际工程中斜拉索常发生明显的高阶涡激振动。有效控制拉索的高阶涡激振动成为急切的现实需要。

对于这种因阻尼器位于模态振型节点而发生拉索高阶振动的问题，国内外尚缺少对应控制措施。目前，对于一般的拉索涡激振动最常采用空气动力学方法，即改变拉索气动外型。实测结果发现，该方法对于拉索高阶涡振的控制效果不佳，且该方法对于运营阶段的桥梁存在安装困难的问题。另外，在塔端安装一个用于控制拉索高阶涡振阻尼器的方法，同样存在安装、维护困难等问题；在梁端增加一个阻尼器则会影响本来阻尼器的优化参数和减振效果。因此，急需要一种有效、可行的高阶涡振控制方法，实现对拉索低阶风雨振及高阶涡振的多模态控制。

发明内容

针对现有技术存在的上述缺陷，本发明的目的在于提供一种拉索多模态振动的控制方法，即在拉索两处不同位置安装阻尼器(双阻尼器)，主要目的是控制低阶风雨振和高阶拉索-阻尼器系统涡振。该控制方法可以直接在设计中实施，也可以针对现有索结构进行索振动处置，具有方便且经济的优势。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种拉索多模态振动的控制方法，采用阻尼器与调谐质量阻尼器组合控制，阻尼器针对索容易发生风雨振的模态，调谐质量阻尼器针对索易发生涡激振动的高阶模态。

进一步，阻尼器的位置和参数根据索的低阶模态进行优化设计，考虑前5阶或者索振动频率在3.0Hz以下的模态。