文摘

地震常常造成桥梁振动不同程度;此外,在道路条件差的情况下,造成桥梁车辆的振动振幅往往超出了合理的范围内,造成不同程度的损伤桥梁。因此,本文研究了调谐质量阻尼器减振效果的冲击(PTMD)大跨度连续桥梁在地震和车辆负载的情况下。本研究中使用的PTMD可以减少横向和垂直方向振动。PTMD提供了更强的振动比TMD减震效应,因为它增加了碰撞使用能源。使用ls - dyna软件进行数值模拟优化的参数PTMD并确定PTMD的大小和安装位置。然后,这座桥是受到两个地面运动记录,和桥梁响应和没有PTMD比较和分析,表明PTMD可能减少桥梁的横向振动。有效地评估PTMD降低车辆载荷引起的振动对桥梁、车/桥/ PTMD系统是模拟使用精致的车辆模型。研究结果表明,PTMD可能显著降低桥梁的横向和纵向振动,提高驾驶舒适性。因此,本研究具有重要意义的垂直和横向振动控制大跨度连续梁桥梁。

1。介绍

桥梁结构是一个不间断运行的生命线的重要组成部分。目前,有许多现有的桥梁,主要考虑重力荷载和车辆荷载的设计,所以他们并不足以抵御地震。在先前的报道,地震常常对桥梁结构造成不同程度的伤害,因此桥梁抗震研究不断发展1- - - - - -4]。因此,降低桥梁的地震反应是至关重要的。在道路条件差的情况下,汽车驾驶造成的桥梁振动的振幅往往超过一个合理的范围内。车重、速度和道路表面的状态都有影响的桥梁振动(5- - - - - -8]。这项研究的结果表明,当道路凹凸不平,车子很重,桥上的车辆产生的振动会经常比这更强烈的是适当的。因此,有必要使用阻尼器控制桥梁振动。

许多学者深入研究了结构的振动(9,10]。研究地铁列车振动对隧道的影响是由马et al。11]。从理论的角度来看,徐和马的动态响应研究多层楼梯下的空间周期谐波压力(12]。小说阻抗模型是由邹等人调查附近地铁振动如何影响结构(13]。吴等人提出了“克里格模型+群体智能更新技术”为复杂桥梁的有限元模型,并将结果应用到复杂桥梁的有限元模型(14]。隔震技术是一种有效的减振措施。许多计算机计算和实验测试验证地震隔离技术的阻尼效应(9,10]。地震隔离技术通常使用灵活支持孤立上部结构的基础上,向上传播的地震波基础时,能量是大大削弱。另一个常见的控制方法减少桥梁的振动是TMD (15]。许多学者进行了各种优化研究TMD根据实际情况。战区导弹防御系统是广泛应用于桥梁结构减振16]。

TMD是一种被动控制装置,通常安装在最敏感的位置结构。如果TMD构建得当,它可以有效地吸收能量和减少桥梁的位移时的基本频率TMD和桥一致17]。Rana和宋研究了TMD参数的特点,并提出了应用程序的TMD multidegree自由的结构(18]。然而,TMD的能量耗散能力有一定的局限性,和TMD的振动频率范围相对较小。虽然TMD是应用于各种工程结构减振几十年前,各种优化设计的TMD仍然非常活跃(19- - - - - -31日]。为了进一步降低结构振动,提出了许多改进的战区导弹防御系统,如非常规TMD、粒状TMD,涡流TMD (32- - - - - -35]。

最近,殷等人使用捣碎调谐质量阻尼器(PTMD)抑制桥梁振动引起的车辆运动(36]。PTMD主要由两部分组成:移动质量和分隔符。l型钢梁连接质量块和穿过的内表面分隔符。此外,一层粘弹性材料的内表面分隔符。粘弹性材料的l型钢梁碰撞结构振动时,消散结构性动能。

因此,相比之下,传统的TMD, PTMD增加能量消耗通过碰撞,因此有较好的振动控制效果。此外,PTMD还可以提高系统的鲁棒性(37- - - - - -40]。因为PTMD具有良好的减振效果和易于安装和维护,它通常用于在各种工程结构减振(35- - - - - -38,40- - - - - -44]。许多学者应用PTMD减振领域的桥梁。

王等人研究了多个PTMDs桥结构阻尼的影响,主要考虑载荷和风载荷的联合作用[39]。李等人提出了单面PTMD (SS-PTMD)和各种设计参数进一步优化。实验和计算机模拟表明,该SS-PTMD可以大大减少桥面的涡激振动40]。张等人提出了一个不对称的PTMD。不同地震波下斜拉桥的反应一直比较研究。APTMD拥有完美的减振效果(45]。然而,没有多少研究PTMD压制连续梁桥梁的振动。

根据(36,41,42,44),本研究使用PTMD技术减少横向和垂直振动大跨度连续梁桥。这研究侧重于使用PTMD减少振动对桥梁进行地震和移动车辆的负载。首先,PTMD的主要设计参数进行了优化。其次,两个从埃尔森特罗和塔夫脱地震地面运动记录应用外侧有或没有PTMD桥系统。然后确认PTMD减振的影响进行比较和分析的动态响应数据。最后,基于改进车辆模型,提炼bridge-vehicle-PTMD系统的数值模拟。随后,它是评估PTMD将如何影响驾驶舒适性和多系统的垂直振动会减少。为这一研究具有重要意义的研究垂直和横向振动控制大跨度连续梁桥梁。此外,完善车辆模型在这项研究中,进一步提高vehicle-induced桥振动研究的准确性。

2。建模和基本理论

2.1。重击调谐质量阻尼器

图1描述PTMD的构成,其中还包括一个移动质量,l型钢梁和粘弹性分隔符。一层粘弹性材料的内表面分隔符。l型钢梁和质量块合并。l型钢梁将flex有点和崩溃的内表面上分隔符结构震动,从而驱散能源和降低结构振动(42,44]。有一个开放在分隔符和粘弹性材料的分隔符。主体结构的分隔符是固定的。PTMD可以减少动态响应在垂直方向和分隔符,因为l型杆的径向方向只能在这两个方向弯曲。

2.2。力模型的非线性冲击

结构振动时,PTMD将达到限制。因此,重要的是构造一个匹配数值模型的碰撞力的原因研究PTMD与大桥结构之间的交互。这项工作中所使用的非线性模型结合了懂得接触单元和阻尼器,已被证明是一个最合适的模型在先前的研究42]。

碰撞力可以得到方程(1)。c=阻尼的冲击,c可以从方程(获得3)。在这里,=粘弹性材料的变形;=变形的速度;β=冲击刚度系数;= l型钢梁的位移;= l型钢梁的速度;分隔符=位移;和=分隔符和速度=他们之间的距离。 在哪里u=恢复系数,粘弹性材料的性质有关。从实验数据可以计算。通过自由滴球对粘弹性材料,h₀=初始高度和h₁=反弹高度,e可以计算使用方程(4)。

2.3。运动方程使用PTMD桥梁结构的地震作用下

使用PTMD桥梁振动控制的结构图如图2。根据碰撞力模型部分2。2方程(5)是桥梁结构的运动方程与PTMD地震。桥梁结构和PTMD运动方程方程所示(6),米=质量,c=阻尼,k=刚度和x=位移,=速度,=加速度。下标“b“代表了桥和“p”PTMD代表。在方程(5)和(6),造成的加速度响应地震和吗F_p是碰撞力,它可以通过使用方程(1)。

2.4。运动方程PTMD车辆荷载下的桥梁

方程(7)和(8)是矩阵,提供桥梁和汽车的运动方程,分别=质量矩阵,=阻尼矩阵,=刚度矩阵,=位移,=速度,=加速度。下标““代表的桥梁和“”代表。=,下标”b”表示外力作用在桥梁结构上。”G“代表重力”,b−p“代表PTMD在桥上所产生的力量,和“−p”代表着登车桥相互作用的力量。

方程(9)- (11)代表PTMD-bridge相互作用的运动方程(36),米=质量,c=阻尼,k=刚度。下标“p“代表PTMD。”“代表垂直方向,”l”代表横向方向。= PTMD与桥相互作用和力量=冲击力量。上标”l“代表外侧方向和““代表垂直方向。可以通过方程计算(1),R=方向的冲击力量,T=打击部队的位置。

通过上述分析,结合登车桥运动方程,方程(12)说明了PTMD-vehicle-bridge系统的运动方程36,46),米=质量,c=阻尼,k=刚度;下标“b”、“p,”和““表示桥、PTMD和车辆,分别;标”p”和“”分别代表来自PTMD和车辆;下标“b−”和“−b“表示登车桥相互作用。=力形成的桥上的凹凸不平的路面结构;=力形成的凹凸不平的路面上的车辆;和=车辆的严重性。

3所示。数值分析模型

3.1。桥的原型

原型桥(图3)是一个连续箱梁结构的有效跨度120 + 120 + 80。上部结构由一个变量截面预应力混凝土箱形梁。桥中跨的剖视图和码头的顶部如图4。皮尔斯是空心盒码头。

大桥中跨展品最位移沿地震波运动的方向。因此,这三个的位置PTMDs都放置在中间的三个跨越。

3.2。桥的多尺度有限元模型

图5与LS-DYNA说明了数值模型创建,这显示了数值计算模型的原型桥梁和每个组件。整个结构分为桥墩、帽、混凝土箱形梁,PTMD,数字5(一个)- - - - - -5 (c)代表了桥面,码头、帽、PTMD,分别。混凝土箱形梁是由固体元素;桥墩和帽采用梁元素,PTMD限幅器和质量块采用固体元素,和l型钢梁采用梁元素。有94830 341固体元素和梁元素的总模型。其中,混凝土箱形梁有89380个单位,桥墩和帽226单位,PTMD 5565单位。边界条件设置如下。帽子的底部表面巩固,水平和垂直约束添加在之间的连接桥的上部结构和码头。此外,节点连接的码头和帽采用整合约束。l型钢梁连接的一端与质量块,另一端是巩固与上层建筑的桥梁。

55 C箱梁混凝土用于变量部分;C的桥墩和帽是由40混凝土。PTMD的限幅器和l型棒都是由钢铁制成,和限幅器附加粘弹性材料。40 C的材料参数具体如下:E₁= 32500 MPa,μ₁= 0.2,G₁= 13000 MPa,f_c1= 18.4 MPa,f_t1= 1.65 MPa;和C50混凝土的材料参数包括以下:E₂= 32500 MPa,μ₂= 0.2,G₂= 13000 MPa,f_c2= 18.4 MPa,f_t2= 1.65 MPa。PTMD由钢铁和粘弹性材料,其主要参数ρ₁= 7850公斤/米³,E₁= 200000 MPa,μ₁= 0.3,ρ₂= 1150公斤/米³,E₂= 2000 MPa,G分别为= 0.6 MPa。其中,E=弹性模量,μ=泊松比,G=剪切模量,ρ=密度,f_c=混凝土抗压强度f_t混凝土的抗拉强度。

3.3。车辆的有限元模型

本研究利用福特的简化模型元素(21724)单机制卡车(SUT)(图6)车辆负载。卡车模型可以从NCAC网站下载。每个模型的准确性验证通过正面碰撞实验37]。两种模型与实验结果高度相关。整个车辆模量由21724个元素,包括123年梁元素,20109壳元素,和1492固体元素。

3.4。模态分析的桥梁

在3.2中使用有限元模型模态分析,第一阶频率和振型的描述如表所示的桥梁1如图,形成图7。

桥的横向角频率在缺乏控制ω₁= 12.3 rad / sω₂= 22.3 rad / s。此外,ξ= 0.05,当瑞利公式的值代替,它产生以下结果一个= 0.79,b= 0.003,PTMD安装,我们得到一个= 0.64,b= 0.004。类似于这个,桥的纵向计算结果如下:没有任何控制,一个= 0.57,b= 0.004;PTMD安装,一个= 0.48,b= 0.005。数值计算,将利用的结果。

4所示。PTMD参数的优化

桥的位置是相对较弱的地震活动和网站的类别是三级。埃尔森特罗的记录地震(适合网站类别II和III)选为地震激发。图8描述了t从埃尔森特罗的加速时间历史记录,高为0.4 g。

4.1。最初的PTMD参数的确定

图9显示PTMD和表的各种参数2其精确值列表。PTMD影响减振效果的参数的PTMD,以便它可以优化主要parameters.Where=碰撞的差距。 在哪里λ=长度比例。 的质量比u被定义为 在哪里u=质量比,米=质量块的质量米_b=桥跨的上层建筑质量的PTMD所在地。我们使用阻尼率对阻尼器的减振效果进行评估。 的公式,D代表没有PTMD位移峰值,D_C代表了位移峰值的PTMD阻尼装置安装,和μ代表了阻尼率。

4.2。长度比的影响

λPTMD是一个重要的参数,确定了l型钢梁的安装位置也影响PTMD的减振效果。0.2 - -0.7的长度比是选择优化设计,和图10显示了减振率的波动曲线λ。当三个跨越的长度比为0.6,减振率是最高的。减振率80米的跨度,跨中,120米和120米跨度达到15.1%,44.6%,和28.5%,分别。

4.3。长度比的影响

PTMD的垂直长度是一个重要参数。的垂直长度2米,2.5米,3.5米被选中进行比较分析。长度比λPTMD仍然是0.6,和其他参数表中所示的一样吗2。减振率是最好的时候H₁如表所示,2米吗3和图11。这是因为,垂直长度越短,越接近主光束碰撞网站,和更加明显的降低桥梁结构的动力响应。

其中,垂直的长度是2.5米时,减震效果的PTMD与2米并没有太大的区别。同时,2.5米的垂直长度选择预防PTMD的垂直振动碰撞桥的上层建筑。在实际的项目中,的价值H₁应该全面考虑根据安装空间和振动振幅。

4.4。碰撞间隙的影响

碰撞差距指l型钢梁之间的距离和粘弹性材料。碰撞间隙的大小决定了钢梁碰撞前的速度,决定了粘弹性材料的变形。在本节中,四种碰撞间隙,6厘米,8厘米,10厘米,12厘米,选择进行比较分析。除此之外,各种碰撞间隙的影响研究PTMD的振动控制效果。表4显示了PTMD独特的规范,和表5显示了各种碰撞的bridge-PTMD系统的动态反应差异。考虑到动态响应的三个跨越,最合适的碰撞差距是8厘米。

4.5。质量比的影响

质量比(uPTMD)是一个重要的参数。三个不同值的质量比,1.0%,1.5%,和2.0%,选择计算,以评价质量比的影响在PTMD的减振效果。评估其阻尼性能,该类桥型中跨节点的还原速度的横向位移和速度。PTMD四个质量比条件下的设计参数如表所示6。

图12描绘了减振PTMD率在不同质量比例,减振率最大的质量比为2%。80米的跨度,跨120米和120米跨度,都有减振率为14.9%,27.8%,和44.6%,分别。的质量比1.5%略低于百分之二对减振的影响。然而,1%的减振率大大降低。一个完整的分析表明,1.5%的质量比是理想的减少大部分的球质量和防止跨中应力集中。

通过4.1∼4.5的分析,优化PTMD桥梁振动控制参数如表所示7。

5。结果分析

5.1。横桥地震下的PTMD减振效果

埃尔森特罗的两个地面运动记录(0.4克)和塔夫特(0.4 g)地震、用于横向激励。随后被确认完成时间历史研究PTMD对桥的横向振动控制的影响。图13显示两个录音的加速度时间历程。

5.1.1。埃尔森特罗地震激发的记录

(1)跨中节点的位移和速度。埃尔森特罗的记录地震被选为一个地震刺激。大桥的地震反应是显示在表中8有和没有PTMD。数据14- - - - - -16显示动态响应的速度和位移在中跨桥三跨。这张照片展示了如何使用有用PTMD在中跨减少峰值速度和位移。不可控桥120米跨度,跨度120米中心和80米的跨度都有峰值位移0.151米,0.202米,0.93米,分别。峰值位移值降至0.112米,0.115米,0.81米PTMD控制装置的安装后,与相应的降低率为25.8%,43.1%,12.9%。

(2)墩底弯矩。有各种各样的解释桥地震引起的破坏,其中一个是桥墩损伤引起的弯矩在高墩的底部。周围的墩底弯矩的纵向桥梁远远大于在横桥由于地震波的横向荷载。图17描述,没有控制和使用PTMD,底部的最大纵向弯矩桥的码头。如图1796年和97年,码头有最好的弯矩减少效果,分别达到了45%和22%。此外,其余桥墩的最大弯矩也减少了。因此,很明显,PTMD设备可能会增加桥的抗震性能,同时也降低了弯矩底部的码头。

(3)底部剪切力的码头。剪切力是一个桥梁地震造成的损害的主要原因。图18描绘了最大剪切力桥墩底部没有PTMD与。在图中,可以看出PTMD可以有效降低剪切力在桥墩底部。其中,96号码头的剪切力减少最明显的效果,减少了46%。其他码头的剪切力也明显减少了。PTMD可能大大减少桥墩底部剪切应力,以及与地震有关的桥墩损伤。

5.1.2中。从塔夫脱地震激发的记录

(1)跨中节点的位移和速度。塔夫特(0.4 )地震记录作为地震激励的来源。的侧向位移和速度时程曲线箱梁桥中跨节点的主要数据所示19- - - - - -21。此外,桥梁的地震反应对比,没有记录下的PTMD系统从塔夫脱地震表所示9。研究结果表明,PTMD能够成功在中跨最小化最大速度和位移。120米的峰值位移边跨,120米跨80米一边不可控桥的跨度0.139米,0.165米,0.082米,分别。安装PTMD控制装置后,跨中位移峰值减少到0.096米,0.15米,0.1米,分别和降低率分别为30.9%,37%,和14.6%,分别。很明显,PTMD可以减轻桥反应的激发地震记录从塔夫脱。

(2)墩底弯矩。图22说明了最大弯矩码头底部和周围没有PTMD控制纵向桥梁。码头96年和97年展览墩底弯矩最高,分别下降了46.5%和25.3%,分别,一旦PTMD设备安装。因此,PTMD设备可以减少桥墩弯矩引起的地面运动记录从塔夫脱的地震和可以提高桥梁的安全。

(3)底部剪切力的码头。图23显示的最大剪切力桥四码头没有PTMD与和。很明显,PTMD可以大大减少剪切应力在桥墩底部。96号的墩底剪力已经减少了41.2%,和其他的桥墩也被显著降低。桥墩的剪切力会大大降低使用PTMD,这会减少地震的损坏码头。

5.2。分析垂直PTMD车辆负荷下的减振效果

5.2.1。桥梁振动的比较有或没有PTMD下车辆负载

车辆平均速度在这个研究是80公里/小时的桥。图24块箱梁桥的动态挠度随时间的变化没有振动抑制系统和PTMD系统。图24表明PTMD可能大大减少桥梁结构的垂直位移。例如,120米长的桥的最大跨距中点位移没有控制和PTMD控制是0.37厘米和0.31厘米,分别和还原率是13.9%。如表所示10跨距中点位移的其他两个跨度80米和120米的桥与PTMD系统减少了15.8%和35.8%,分别。因此,PTMD系统可能显著降低桥梁的垂直振动引起的车辆负载。

5.2.2。比较汽车的舒适

对于司机,加速度的变化直接反映了驾驶舒适性和反映了车辆的振动。由于每个节点的加速度大差异的车辆,车辆发动机作为一个整体被选中为研究对象。当车辆旅行的中跨120米,它的垂直加速度随车辆的位置,如图25。PTMD尤其成功地减少了车辆的垂直加速度。在图25的峰值加速度,车辆控制系统是0.087 m / s²,而中跨节点的峰值加速度的PTMD桥是0.051 m / s²。加速度降低了41.4%。垂直振动的桥梁结构使用PTMD可能会减少,从而降低汽车振动,提高驾驶舒适性。

6。结论

PTMD正在从事这项工作,监管地震导致的横向横桥振动以及垂直vehicle-induced振动。bridge-PTMD的运动方程建立了系统在地震和vehicle-bridge-PTMD系统,并为PTMD参数进行了优化。此外,不同地震波下进行数值分析和车辆负载。数值模拟显示如下:(1)在这项研究中,长度比,纵向长度、碰撞差距,质量比选为设计参数。随后,由数值模拟参数优化,PTMDs提高减振的影响。(2)地震的影响下,桥梁的振动在其横向使用PTMD可以显著减少。PTMD可以有效地减少桥梁地震响应,以及跨中节点的速度、位移、剪力和弯矩的码头。因此,PTMD提高桥梁的抗震性能。(3)根据箱梁桥的PTMD系统单个车辆的作用下,垂直振动振幅的PTMD可以降低桥,根据数值估计。80米的位移边跨,120米跨和120米跨度的桥梁PTMDs系统下降了15.8%,分别为24.4%和35.8%。PTMD技术减少车辆的垂直加速度,减少振动,提高驾驶舒适性。

在这项研究中,振动控制的PTMD应用于大跨度连续梁桥梁,和数值模拟获得了很好的结果。但仍存在一些问题,需要进一步研究和改进,主要在以下方面:(1)为了进一步研究PTMD的振动控制效果,PTMD系统可以制造和安装规模桥梁研究其振动控制效果。(2)随机交通流的作用下桥梁的动力响应有或没有PTMD需要进一步研究。

数据可用性

中给出的数据支持当前的研究文章。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

作者要感谢中国国家自然科学基金:52079128;河南省和科技项目,212102310289号的支持。