多维地震动下高墩大跨连续刚构桥鲁棒控制方法研究

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我国西部地区地形复杂,多为山地和峡谷地带,高墩大跨连续刚构桥与其它桥梁相比最大的优势就是跨越能力强,在西部地区越来越常见。但西部地区地震多发且强度大,高墩大跨连续刚构桥修建在高烈度地震区,地震作用将是影响高墩大跨连续刚构桥使用寿命的重要因素之一。高墩大跨桥梁属于高柔结构,在多维地震作用下,桥墩轴力加大,可能导致桥梁主梁直接发生剪切破坏,使桥梁发生毁灭性破坏。在多维地震动激励下高墩大跨桥梁的地震反应分析较为复杂,国内外虽然建造了许多高墩大跨连续刚构桥,但是大多数都还没有经历过实际地震作用,在多维地震动激励下高墩大跨连续刚构桥的地震反应研究成果也相对较少,因此对高墩大跨连续刚构桥进行多维地震反应分析是非常必要的。结构振动控制技术改变了传统的采用承重结构体系直接抵御灾害作用的思路,而采用非承重的结构控制装置或构件来减小主体承重结构的灾害响应,实现提高工程结构抵御灾害作用的能力,使工程结构在灾害作用下少损失或不损坏并完全满足设计要求有了可能。考虑到多维地震作用下高墩大跨连续刚构桥结构竖桥向振动响应明显,研究多维地震动下该类结构基于有效控制装置和控制方法是保证该类结构基于不同地震动水准的性能需求得以满足的一种有效途径。考虑到实际高墩大跨连续刚构桥结构刚度、阻尼等参数具有不确定性,本文以一四跨连续刚构桥为实际工程背景,采用具有体积小、重量轻、出力大、安装方便等优点的新型电磁质量阻尼器(Electromagnetic Inertial Mass Damper,EIMD),研究EIMD-高墩大跨连续刚构桥鲁棒控制方法,其主要研究内容如下:(1)根据实际工程背景,分别利用大型通用软件ANSYS和Midas Civil建立典型高墩大跨连续刚构桥有限元模型并进行振型分析,分析了前十阶振型发现结构振型变形方向主要为水平方向,可知连续刚构桥结构水平方向刚度较小,高阶振型对竖向影响较大。模态分析的结果初步验证了计算模型的准确性,为典型高墩大跨连续刚构桥结构动力学控制方程的建立提供可靠的结构计算参数。(2)考虑到传统LQR等主动控制算法需要结构精确计算模型以保证其控制效果和鲁棒性,为得到结构精确计算模型,本文提出一种基于随机子空间算法的高墩大跨连续刚构桥结构模态参数识别方法。通过对该类桥梁结构模拟振动冲击试验,基于模拟的结构振动响应测量信号,采用随机子空间的方法对该类结构测量信号进行模态参数识别,识别结构频率与有限元结果对比得出识别结果精度高,误差小。并通过识别结果修正有限元计算模型的结构参数,为后续连续刚构桥基于LQR算法的振动控制研究提供精确的数学模型,使得基于LQR算法的控制方法具有一定的鲁棒性。(3)根据一维、二维、多维地震动的输入组成多种工况,在一致激励和考虑行波效应的非一致激励下,研究在无控制状态各种工况下连续刚构桥的动力响应,分析发现加入竖向地震动能够加大桥梁竖向位移,高墩大跨连续刚构桥地震时程分析仅考虑纵桥向和横桥向地震输入难以保证其在不同地震动水准下的性能需求,忽略竖向地震动对该类桥梁结构的影响是不合理的。(4)在随机子空间识别方法得到的结构精确计算模型的基础上,选用体积小、出力大的新型惯性质量阻尼器(EIMD),分析其力学性能和工作原理,建立EIMD通用力学模型。建立了高墩大跨连续刚构桥在多维地震作用下基于状态空间的控制方程,提出该类结构基于LQR算法的半主动控制方法。高墩大跨连续刚构桥的最优控制力通过LQR控制算法得到,然后通过改变EIMD阻尼器的终端电阻,使阻尼器对结构的控制力和最优控制力接近,从而实现对连续刚构桥结构的最优半主动控制。与多维地震作用下的无控状态动力响应对比,分析结果得出所提控制方法对连续刚构桥结构的竖向动力响应有显著的控制效果。(5)考虑到基于模糊神经网络算法的鲁棒控制方法相比于传统振动控制方法不需要精确的数学模型的特点。提出一种EIMD-高墩大跨连续刚构桥的模糊神经网络鲁棒控制方法。研究结果表明,在结构参数存在不确定性的情况下,所提基于模糊神经网络算法的高墩大跨连续刚构桥鲁棒控制方法比传统的控制方法控制效果更好,更具有适用性和鲁棒性。
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