大跨膠合木拱橋人致振動分析及其優(yōu)化控制

大跨膠合木拱橋人致振動分析及其優(yōu)化控制在最近幾十年里,隨著新型輕質(zhì)高強結(jié)構(gòu)材料的日益運用、結(jié)構(gòu)跨度的不斷增大以及對結(jié)構(gòu)審美要求的逐漸提高,使得工程師們能夠設(shè)計出更輕柔、大跨和低阻尼的結(jié)構(gòu),如現(xiàn)代膠合木結(jié)構(gòu)人行橋?，F(xiàn)代木結(jié)構(gòu)橋梁在融入高新加工處理技術(shù)后,克服了傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)的自身缺陷,將設(shè)計與建造的融美感、功能性與高性價比集于一體,具有資源再生、綠色環(huán)保、強重比高、美觀、施工便捷(尤其是高寒地區(qū))等優(yōu)點,以及防震抗風(fēng)、防潮防腐、防火防蟻、耐久性好等特點。盡管此類人行橋的靜力性能,其承載力、變形等均可以滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計和正常使用要求,然而在承受動力荷載時變得易受振動的影響,特別是人群激勵下的大幅振動,已成為控制現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)人行橋設(shè)計的關(guān)鍵因素,并引起公眾的高度關(guān)注。為研究木結(jié)構(gòu)人行橋的人致振動特性,舒適度評價和減振優(yōu)化控制方法,進行了一座大尺寸膠合木拱橋模型的人致振動試驗和ANSYS有限元仿真分析。分析結(jié)果很好地預(yù)測了多重調(diào)諧質(zhì)量阻尼器(MTMD)的減振效率,與試驗測試結(jié)果吻合良好,驗證了該方法的可靠性和實用性,可以應(yīng)用于木結(jié)構(gòu)人行橋的振動優(yōu)化控制。論文主要研究內(nèi)容和取得的成果如下:1.基于國內(nèi)外有關(guān)人行荷載的最新研究成果,通過對國人步行特征參數(shù)進行統(tǒng)計分析,建立了適合于我國的人行荷載數(shù)學(xué)模型,再結(jié)合相應(yīng)的振動理論,對人行橋的人致振動響應(yīng)分別在時域和頻域進行了理論計算。2.基于我國人群荷載標(biāo)準(zhǔn)值,研究了行人在木結(jié)構(gòu)人行橋上所能承受的振動界限值,提出了適用于木結(jié)構(gòu)人行橋的振動舒適度評價方法。簡要地介紹了人機工程學(xué)有關(guān)人體暴露于全身振動評價的問題提出、研究歷史和著名的振動舒適度實驗,以闡明振動舒適度評價的基本方法;從舒適度評價方法、評價指標(biāo)以及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范等方面對人體振動舒適度評價的相關(guān)研究成果進行了歸納總結(jié),為人行橋的振動舒適度評價提供了理論背景;通過對比分析樓板振動和高層建筑風(fēng)振等領(lǐng)域舒適度評價方法的特點,為人行橋的振動舒適度評價提供了有效參考。3.通過對MTMD減振系統(tǒng)的多參數(shù)優(yōu)化問題進行求解,提出了基于遺傳算法(GA)的結(jié)構(gòu)減振優(yōu)化設(shè)計方法。研究了無阻尼主結(jié)構(gòu)STMD參數(shù)優(yōu)化方法,針對優(yōu)化目標(biāo)提出了一種基于遺傳算法的優(yōu)化搜索數(shù)值方法,通過與解析解的對比分析充分說明了該方法的正確性;將該方法應(yīng)用于有阻尼主結(jié)構(gòu)STMD參數(shù)的優(yōu)化計算,取得了較好效果;以主結(jié)構(gòu)動力放大系數(shù)作為目標(biāo)函數(shù)提出了MTMD阻尼比和頻率比任意分布時的優(yōu)化表達(dá)式,采用遺傳算法對MTMD多參數(shù)優(yōu)化問題進行求解,計算效率較高,且減振效果顯著。此外考慮到對結(jié)構(gòu)參數(shù)識別的不確定性,主結(jié)構(gòu)的質(zhì)量、剛度以及阻尼系數(shù)可能發(fā)生偏離,進一步研究了STMD系統(tǒng)和MTMD系統(tǒng)對結(jié)構(gòu)參數(shù)攝動的魯棒性。4.基于膠合木模型橋的人致振動試驗,驗證了本文所提出的木結(jié)構(gòu)人行橋振動舒適性設(shè)計方法的可靠性和實用性。采用ANSYS有限元仿真分析方法對一座大尺寸膠合木拱橋模型的動力特性以及在人致激勵下的結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)進行了計算,并對其人致振動舒適度做出了評價;針對步行力的窄帶隨機特性采取安裝3-MTMD的措施進行減振控制,并采用遺傳算法優(yōu)化3-MTMD的結(jié)構(gòu)參數(shù);通過模型橋—MTMD系統(tǒng)人致振動試驗仿真分析很好地預(yù)測了3-MTMD的減振效率,與試驗測試結(jié)果吻合良好。5.以國內(nèi)某膠合木人行拱橋為實例,展示了現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)人行橋振動舒適性設(shè)計的全過程。動力特性分析可知,空載時人行橋的豎向基頻小于3Hz、滿載時橫向基頻大于1.2Hz,表明該橋橫向振動舒適性滿足要求,只需分別檢算其在單人和人群共振荷載作用下的豎向加速度峰值是否小于舒適度容許值;根據(jù)人致振動響應(yīng)計算結(jié)果可以判斷,在單人荷載作用下該橋的豎向振動舒適性滿足要求,但人群滿載作用下的豎向振動舒