基于智能支座的小尺度桥梁系统隔振研究
Research of Vibration Isolation of the Small Scale Bridge System Based on Smart Bearing
传统的被动支座在桥梁结构面临地震等破坏性冲击的时候不能通过改变其自身刚度来抵抗破坏力和剪切形变,也不能通过调节阻尼来增加能量地耗散.而基于磁流变材料设计而成的新型智能支座,具有刚度和阻尼可调的优点,可以克服传统被动支座存在的缺点,为提升桥梁结构的抗震性能提供了解决方案.将新型智能支座用在桥梁结构中需要先进行一定的振动试验,而直接对桥梁原型系统进行试验需要巨额的经费支持且操作困难,因此对桥梁系统模型化研究具有重要意义,但简单的几何相似不能反映系统原型的动力学特性,所以由相似理论推导而出的模型构造方法为解决桥梁系统隔振的试验问题提供了途径.本文以三跨桥梁为研究对象,重点研究基于智能支座的桥梁系统的隔振性能,同时搭建小尺度桥梁系统,从理论和仿真上验证小尺度桥梁系统与实际原型系统具有相同的动力学特性,并进一步对智能支座的隔振效果进行了试验分析,主要内容如下:1.阐述了基于智能支座的小尺度桥梁系统隔振的研究背景和意义,综述了桥梁支座隔振、磁流变技术、相似模型的研究现状,并在指出其中存在不足的基础上,提出了本文的主要研究工作.2.将复杂的地震波分解为若干个简谐波地叠加并将三跨桥梁结构简化为等价机械系统.以实际中某三跨桥梁作为原型,选取其固有频率附近的三种振动激励作为系统的激振源,对系统的隔振性能进行MATLAB仿真分析,仿真结果表明基于智能支座的隔振系统相较于传统的被动支座,桥面振动加速度幅值最大降低20%,桥面振动位移幅值最大降低30%,支座因为剪切力的变化耗能能力增加,加速度传递率在4Hz附近显著降低.3.阐述了小尺度桥梁系统的相似模化方法,分析了模型材料的动力学特性参数对隔振系统响应地影响并确定模型的相似条件.从桥面振动加速度、位移和系统的加速度传递率三个方面对小尺度桥梁系统和实际原型系统动力学特性的相似性进行仿真分析,结果表明小尺度系统和原型系统具有相似的振动特性.4.搭建小尺度桥梁隔振平台,并选取合适的加速度传感器和位移传感器以及信号采集模块组成数据采集系统,根据地震的特性选取能够在实验室条件下模拟地震激励的振动台,在此基础上设计隔振试验的方法.对小尺度试验台架与实际原型系统的相似性进行试验验证,试验结果表明两系统具有较好的相似性,说明小尺度试验系统对于实际原型系统的振动特性具有指导意义.同时分别在时域和频域对智能支座的隔振效果进行分析,试验结果表明桥面振动加速度幅值最大降低30%,桥面振动位移幅值最大降低55%,有效降低了破坏性冲击对桥梁结构的损害.5.针对智能支座可调阻尼范围不足,难以完全满足隔振系统对阻尼特性的需求,提出在基于智能支座的隔振系统中添加磁流变阻尼器的解决方式.并在此基础上根据建立的桥梁系统隔振动态模型,对系统在自由振动和受迫振动下的振动性能进行了仿真分析.仿真结果表明改善隔振系统的阻尼后,系统的隔振性能再次得到了提升.进一步对添加磁流变阻尼器的隔振系统进行了试验研究,试验结果表明桥面振动加速度幅值最大降低20%,振动位移幅值最大降低20%,说明添加磁流变阻尼器对于智能支座可调阻尼不足的情况有一定地改善.
- 作者：
- 张路阳
- 学位授予单位：
- 重庆邮电大学
- 专业名称：
- 控制科学与工程
- 授予学位：
- 硕士
- 学位年度：
- 2017年
- 导师姓名：
- 李锐
- 中图分类号：
- U441.3；U443.36
- 关键词：
- 桥梁；相似分析；智能支座；动力学仿真；试验
- bridge； Similarity analysis； Smart bearing； Dynamic simulation； Laboratory experiment