大跨胶合木拱桥人致振动分析及其优化控制

大跨胶合木拱桥人致振动分析及其优化控制在最近几十年里,随着新型轻质高强结构材料的日益运用、结构跨度的不断增大以及对结构审美要求的逐渐提高,使得工程师们能够设计出更轻柔、大跨和低阻尼的结构,如现代胶合木结构人行桥。现代木结构桥梁在融入高新加工处理技术后,克服了传统木结构的自身缺陷,将设计与建造的融美感、功能性与高性价比集于一体,具有资源再生、绿色环保、强重比高、美观、施工便捷(尤其是高寒地区)等优点,以及防震抗风、防潮防腐、防火防蚁、耐久性好等特点。尽管此类人行桥的静力性能,其承载力、变形等均可以满足结构设计和正常使用要求,然而在承受动力荷载时变得易受振动的影响,特别是人群激励下的大幅振动,已成为控制现代木结构人行桥设计的关键因素,并引起公众的高度关注。为研究木结构人行桥的人致振动特性,舒适度评价和减振优化控制方法,进行了一座大尺寸胶合木拱桥模型的人致振动试验和ANSYS有限元仿真分析。分析结果很好地预测了多重调谐质量阻尼器(MTMD)的减振效率,与试验测试结果吻合良好,验证了该方法的可靠性和实用性,可以应用于木结构人行桥的振动优化控制。论文主要研究内容和取得的成果如下:1.基于国内外有关人行荷载的最新研究成果,通过对国人步行特征参数进行统计分析,建立了适合于我国的人行荷载数学模型,再结合相应的振动理论,对人行桥的人致振动响应分别在时域和频域进行了理论计算。2.基于我国人群荷载标准值,研究了行人在木结构人行桥上所能承受的振动界限值,提出了适用于木结构人行桥的振动舒适度评价方法。简要地介绍了人机工程学有关人体暴露于全身振动评价的问题提出、研究历史和著名的振动舒适度实验,以阐明振动舒适度评价的基本方法;从舒适度评价方法、评价指标以及相关标准规范等方面对人体振动舒适度评价的相关研究成果进行了归纳总结,为人行桥的振动舒适度评价提供了理论背景;通过对比分析楼板振动和高层建筑风振等领域舒适度评价方法的特点,为人行桥的振动舒适度评价提供了有效参考。3.通过对MTMD减振系统的多参数优化问题进行求解,提出了基于遗传算法(GA)的结构减振优化设计方法。研究了无阻尼主结构STMD参数优化方法,针对优化目标提出了一种基于遗传算法的优化搜索数值方法,通过与解析解的对比分析充分说明了该方法的正确性;将该方法应用于有阻尼主结构STMD参数的优化计算,取得了较好效果;以主结构动力放大系数作为目标函数提出了MTMD阻尼比和频率比任意分布时的优化表达式,采用遗传算法对MTMD多参数优化问题进行求解,计算效率较高,且减振效果显著。此外考虑到对结构参数识别的不确定性,主结构的质量、刚度以及阻尼系数可能发生偏离,进一步研究了STMD系统和MTMD系统对结构参数摄动的鲁棒性。4.基于胶合木模型桥的人致振动试验,验证了本文所提出的木结构人行桥振动舒适性设计方法的可靠性和实用性。采用ANSYS有限元仿真分析方法对一座大尺寸胶合木拱桥模型的动力特性以及在人致激励下的结构振动响应进行了计算,并对其人致振动舒适度做出了评价;针对步行力的窄带随机特性采取安装3-MTMD的措施进行减振控制,并采用遗传算法优化3-MTMD的结构参数;通过模型桥—MTMD系统人致振动试验仿真分析很好地预测了3-MTMD的减振效率,与试验测试结果吻合良好。5.以国内某胶合木人行拱桥为实例,展示了现代木结构人行桥振动舒适性设计的全过程。动力特性分析可知,空载时人行桥的竖向基频小于3Hz、满载时横向基频大于1.2Hz,表明该桥横向振动舒适性满足要求,只需分别检算其在单人和人群共振荷载作用下的竖向加速度峰值是否小于舒适度容许值;根据人致振动响应计算结果可以判断,在单人荷载作用下该桥的竖向振动舒适性满足要求,但人群满载作用下的竖向振动舒