桥梁工程中动力学与控制研究进展_康厚军.pdf

第2 1卷第4期2 0 2 3年4月动 力 学 与 控 制 学 报J OUR NA LO FD YNAM I C SAN DC ON T R O LV o l.2 1N o.4A p r.2 0 2 3文章编号:1 6 7 2-6 5 5 3-2 0 2 3-2 1(4)-0 0 1-0 0 6D O I:1 0.6 0 5 2/1 6 7 2-6 5 5 3-2 0 2 2-0 5 1 2 0 2 3-0 3-2 0收到第1稿,2 0 2 3-0 4-0 5收到修改稿.*国家自然科学基金资助项目(1 1 9 7 2 1 5 1),N a t i o n a lN a t u r a lS c i e n c eF o u n d a t i o no fC h i n a(1 1 9 7 2 1 5 1).通信作者E-m a i l:h j k a n g g x u.e d u.c n桥梁工程中动力学与控制研究进展*康厚军1,2 韩艳3 徐军4(1.广西大学 土木建筑工程学院,南宁 5 3 0 0 0 4)(2.广西大学 工程力学研究中心,南宁 5 3 0 0 0 4)(3.长沙理工大学 土木工程学院,长沙 4 1 0 1 1 4)(4.湖南大学 土木工程学院,长沙 4 1 0 0 8 2)摘要 土木工程中的动力学与控制问题不仅涉及各个二级学科的多个研究方向,同时也与动力学与控制学科的各研究方向息息相关,涉及面太宽.因此,本专刊将范围聚焦到了桥梁工程中的动力学与控制问题.简要回顾了桥梁的局部构件和整体模型的自由振动,不同荷载作用下的动力学问题,特别是非线性振动问题,以及拉索的振动控制研究.最后为进一步的研究提出了一些想法.关键词 桥梁工程,动力学,振动与控制,非线性,阻尼器中图分类号:O 3 2 7;U 4 4 1文献标志码:AA d v a n c e so nD y n a m i c sa n dC o n t r o l i nB r i d g eE n g i n e e r i n g*K a n gH o u j u n1,2 H a nY a n3 X uJ u n4(1.S c h o o l o fC i v i lE n g i n e e r i n ga n dA r c h i t e c t u r e,G u a n g x iU n i v e r s i t y,N a n n i n g 5 3 0 0 0 4,C h i n a)(2.S c i e n t i f i cR e s e a r c hC e n t e ro fE n g i n e e r i n gM e c h a n i c s,G u a n g x iU n i v e r s i t y,N a n n i n g 5 3 0 0 0 4,C h i n a)(3.S c h o o l o fC i v i lE n g i n e e r i n g,C h a n g s h aU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y,C h a n g s h a 4 1 0 1 1 4,C h i n a)(4.C o l l e g eo fC i v i lE n g i n e e r i n g,H u n a nU n i v e r s i t y,C h a n g s h a 4 1 0 0 8 2,C h i n a)A b s t r a c t T h er e s e a r c ho fd y n a m i c sa n dc o n t r o l i nc i v i l e n g i n e e r i n gn o to n l yi n v o l v e sm u l t i p l er e s e a r c hd i r e c t i o n so f v a r i o u s s e c o n d a r yd i s c i p l i n e s,b u t a l s oc l o s e l y i s r e l a t e d t o t h e r e s e a r c hd i r e c t i o n so f d y n a m-i c sa n dc o n t r o l d i s c i p l i n e,w h i c hc o v e r s t o ob r o a d l y.T h e r e f o r e,t h i s s p e c i a l i s s u eo n l y f o c u s e so n t h ed y-n a m i c sa n dc o n t r o l i nb r i d g e e n g i n e e r i n g.T h e f r e ev i b r a t i o no f l o c a l c o m p o n e n t s a n d t h eo v e r a l lm o d e l o ft h eb r i d g e i sb r i e f l y r e v i e w e d,t h ed y n a m i c su n d e rd i f f e r e n t l o a d s i s i n v o l v e d,e s p e c i a l l y t h en o n l i n e a r v i-b r a t i o np r o b l e m,a n d t h ev i b r a t i o nc o n t r o l o f t h e c a b l e i s a l s op a i da t t e n t i o n.F i n a l l y,s o m e i d e a s a r ep r o-p o s e df o r f u r t h e r r e s e a r c h.K e yw o r d s b r i d g ee n g i n e e r i n g,d y n a m i c s,v i b r a t i o na n dc o n t r o l,n o n l i n e a r i t y,d a m p e r引言近三十年来,我国土木工程得到了快速发展,修建了大量高层高耸结构、大跨空间结构和大跨桥梁结构.与此同时,我国是地震、台风、洪水等灾害高发国家,很多地区经常受地震、强台风侵袭和洪水冲击.大型土木工程结构一旦遭受地震、强台风作用将可能发生大幅振动、甚至倒塌,严重危及人民生命财产安全,可能造成巨大损失.一方面,土木工程结构向着高柔和细长发展;另一方面,极端环动 力 学 与 控 制 学 报2 0 2 3年第2 1卷境荷载越来越频繁.这导致土木工程中的动力学与控制问题越来越突出,越来越多的学者致力于动力学的理论建模、求解方法、动力学特性的理论与实验研究,以充分理解结构的动力学特性,从而推进结构动力行为的预测、振动的控制和利用.动力学与控制研究在土木工程领域一直非常活跃,不仅为我国重大工程建设和安全运营提供了理论支撑,也为国防和交通领域的基础建设发展了关键技术.虽然目前在理论建模、非线性动力响应分析、动力损伤评估、结构灾变机理、振动控制等方面的研究取得了相当大的成就,但由于工程问题本身的复杂性,仍存在很大困难.与此同时,随着土木工程的发展,新的问题不断出现,为保障工程建设和运营安全,动力学与控制问题还迫切需要进一步开展持续深入的研究.为了及时总结土木工程中动力学与控制研究的最新成果,我们特在 动力学与控制学报 组织了“土木工程中的动力学与控制”专刊,旨在征集和报道相关研究中的创新性研究成果和工程应用中的新进展.由于土木工程中的动力学与控制问题涉及到多个学科的交叉问题,以及问题本身的宽泛性和复杂性,同时由于期刊对篇幅的限制,我们仅仅刊登了部分相关文章.本期刊主要刊登了桥梁工程中的动力学与控制相关成果,希望能起到抛砖引玉的作用,让更多的相关成果在 动力学与控制学报 发表,同时促进土木工程学科与动力学与控制学科的交叉发展.1 自由振动研究桥梁工程的自由振动研究是对各类桥梁动力学基本特性的认识和理解,也是流固耦合动力学、车桥耦合动力学、冲击动力学、地震响应、健康监测、模态识别、荷载识别等正问题和反问题研究的基础.因此,得到了广泛的关注和研究.1.1 关键构件自由振动由于早期计算手段的限制,关于桥梁自由振动的研究主要通过简化手段,将拱桥简化为简单的拱结构,将斜拉桥简化为弹性支撑梁,悬索桥简化为悬索,各类梁桥简化为简支梁或连续梁.早期研究均涉及的是线性振动问题,后来随着计算方法的发展,开始了这些简单构件的非线性自由振动研究.F o d a1应用多尺度法研究了剪切变形和转动惯量对简支梁非线性自由振动的影响;E i s l e y2发现矢跨比在较小的范围内增加使浅拱一阶模态趋向软弹簧特性,当超过一个临界值,该趋势发生逆转而趋向硬弹簧特性;I r v i n e和C a u g h e y3建立了具有小垂度效应的现代索结构动力学模型,并求得相应的模态解.目前研究的难点在于对非理想边界条件的模拟,如:斜拉桥中短斜拉索两端的边界条件和悬索桥吊杆的边界条件.1.2 桥梁自由振动基于桥梁整体模型的自由振动问题的理论研究始于梁桥,后来延伸到了复杂桥梁.M a l e k i4推导了板梁单跨斜桥的解析解,并推广到连续板梁斜桥的自由振动5.关于复杂桥梁自由振动的研究,基本是 基 于 有 限 元 法 的 相 关 商 业 软 件 或 程 序,C h e n和X i a o6建立了一种基于随机有限元的算法,研究了悬索桥的概率自由振动.基于传递矩阵法,赵跃宇和康厚军7,8建立了拱桥吊装施工过程的索拱力学模型,对施工过程的面内面外刚度变化进行了研究.王志搴等9建立了悬索桥的面内自由振动模型和全局自由振动理论;康厚军等1 0建立了上承式、中承式和下承式拱桥的统一模型和全局动力学理论,在本期专刊中作者将工作拓展到了多跨拱桥1 1;苏潇阳等1 2建立了漂浮式、半漂浮式、固结式斜拉桥的统一模型和全局动力学理论.刘炎等1 3建立了未来新型交通方式的悬浮隧道的自由振动模型.在此基础上,丛云跃等1 4总结了拱桥、斜拉桥和悬索桥等的全局动力学和局部振动问题,基于不同刚度尺度对结构的贡献,提出并定义了复杂桥梁结构的全局模态和局部模态概念.2 荷载作用下的桥梁响应桥梁结构在整个服役过程中不可避免的遭受各种各样的外部荷载作用,已经造成桥梁的大幅振动和坍塌等严重事故.因此,桥梁的荷载响应研究受到工程部门和学术界的广泛重视.桥梁结构主要由上部结构和下部结构组成.上部结构主要承受自然环境的风荷载、雨荷载、雪荷载,以及风雨、风雪等组合荷载作用,甚至偶尔承受爆炸荷载作用;同时还承受车辆荷载、人行荷载、以及滚石、车、船、漂浮物等的撞击、以及流水的冲刷.下部结构主要承受地震荷载.因此,桥梁结构的动力学问题相当突出.针对上述荷载作用的桥梁动力学行为,已开展2第4期康厚军等:桥梁工程中动力学与控制研究进展了大量的研究1 5.桥梁上部结构的动力学与控制问题涉及结构模态、频率和阻尼等振动特性1 6、风和水与结构的相互作用等的流固耦合动力学1 7、车桥 耦 合 动 力 学1 8、车 与 船 对 桥 梁 的 撞 击 动 力学1 9,2 0、地震响应等动力学2 1、以及多种作用的耦合动力学2 2和相应的控制2 3研究.这些荷载实际工程中几乎均为随机激励,但在结构机理研究中多将其简化为谐波荷载.孔凡等2 4针对随机激励作用下1/2分数阶线性系统提出非平稳响应解析解的求解方法进行了研究.这里需要指出的是,上面问题中的任何一个在桥梁工程中都是一个大的研究方向,这里不再深入讨论.桥梁结构非线性动力学研究是当前的热点研究方向.吴先强等2 5针对温度对悬索桥主缆动力学的影响