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.

摘要:阻尼减振是拉索振动控制的主要措施,目前拉索阻尼器系统的主要分析方法为复模态法.虽然采用复模态法可以精确分析拉索阻尼器系统的阻尼比和频率等主要特征参数,但采用复模态法求出的拉索复振型由于不包含减振所需要的参数而被研究较少,而系统的振型对研究阻尼器的减振效果又具有非常重要的意义.文中首先采用复模态法求解了拉索阻尼器系统,基于复振型的物理意义,引入相位函数,提出了一种改进的实数分离变量法,分析了阻尼力在拉索中的传递特征；建立了拉索阻尼器系统的改进实模态分析方法,采用该方法求解得到的非线性运动方程通解与复模态法一致.基于该新方法计算得到的实模态振型,分析了阻尼器对拉索实际振型以及相位的影响.

摘要:当前工程结构设计大多基于成熟的线性振动理论,未综合考虑非线性、多尺度等特性的影响,导致各类工程振动问题频发,减振措施失效.首先,本文以质量弹簧系统为例,对系统刚度比和质量比等关键参数开展分析,指出刚度比对系统模态具有显著影响；再者,简述大跨桥梁动力学研究现状,从系统全局动力学角度,根据非线性动力学分析和有限元分析,提出工程结构多刚度尺度概念,分析并指出多刚度尺度耦合系统的全局模态、局部模态和混合模态基于不同刚度尺度的定义.为建立桥梁全局动力学模型和理论,桥梁非线性动力学研究奠定基础.

摘要:提出随机激励作用下1/2分数阶线性系统非平稳响应解析解的一种新方法.首先,利用特征向量展开得到1/2分数阶阻尼系统的脉冲响应函数解析表达；之后,基于Laplace变换计算得到响应功率谱密度的解析表达式和系统均方响应.通过白噪声、调制白噪声和调制修正金井清谱三种不同随机激励类型的数值算例,利用与蒙特卡洛模拟所得结果对比证明该方法的准确性和适用性.

摘要:索是一类工程中常用的张力结构,其柔度大、阻尼轻,在各类外部荷载作用或端部位移激励下极易发生大幅振动,影响结构安全运营.已有研究表明悬索的振动特性对于温度变化极为敏感,因此本文同时考虑支座运动引起的参数共振以及模态间1:2内共振,基于全局分岔理论,系统探究温度变化对悬索全局动力学行为的影响.首先引入张力改变系数,建立考虑整体温度变化影响与受参数激励悬索的面内非线性运动微分方程.采用Galerkin法进行离散,利用多尺度法得到该非线性系统直角坐标形式的平均方程,并基于坐标变换,将平均方程简化为规范形,采用能量相位法研究温度变化时悬索多脉冲混沌动力学行为.通过能量差函数的零点条件以及扰动系统下中心点的吸引域范围,分析激励幅值、阻尼系数和调谐参数的取值范围,并计算该四维系统的Lyapunov指数.研究结果表明：温度变化会影响系统Shilnikov型多脉冲同宿轨道的产生；随着温度变化,多脉冲同宿轨道可能消失,导致系统的混沌运动转变为周期运动；受温度变化影响,动力系统可能展现出截然不同的动力学行为.

摘要:大跨度斜拉桥通常采用密索体系,拉索的振动频率非常接近,同时拉索之间也可能存在倍频关系.因此,可能存在索与索之间的相互耦合振动.索是斜拉桥的重要承重构件,对多索单梁的动力学特性进行研究至关重要.本文考虑到索梁、索塔及塔梁的边界条件和连接点处的连接条件,基于Hamilton变分原理,建立了多索单梁结构的运动微分方程.经过无量纲化处理,根据分离变量法,得到了其降维约化后的运动微分方程.本文取相邻的两根索考虑两种工况模型,对不同工况下的双索单梁耦合结构的动力学行为进行了参数分析.研究发现,不同于以往资料中的“频率转向”现象,在本文中,两条频率曲线在频率值接近处,并未迅速分离,而是在相对一小段参数范围内继续保持平行且相互靠近,随后再迅速分离.最后,研究了双索单梁耦合结构的非线性特性,分别对结构进行了两自由度和单自由度离散,研究发现,结构单模态假设在非共振区域能反映结构的非线性特性,但是在共振区域,结构的非线性特性会发生跳跃变化,应用2自由度模态理论进行研究更为准确.

摘要:为探究涡激振动下,矩形断面绕流场的模态演化规律及涡振发生机理,基于雷诺平均 SST kω模型对宽高比为5:1的矩形断面的涡激振动进行了二维数值模拟研究.通过CFD/CSD交错迭代求解,结合动网格技术实现了二维流固耦合计算,并与风洞试验结果进行对比分析,验证了数值计算的准确性.随后,对流场的瞬时状态进行可视化分析,以z方向涡量值为基本物理量,基于动力学模态分解(DMD)方法对其静态与涡振态流场模态进行了对比分析.结果表明：在涡振发展的不同阶段,主导流场的模态频率不同,主模态频率会由静态涡脱频率向结构固有频率转变,此主模态的转变表征了流固耦合的内在机制；与静态矩形相比,涡振态矩形由于运动诱导涡的存在,导致其前缘涡与尾缘涡的相位差减小,前缘涡与尾涡而合并时前缘涡占据主导,使得在尾缘脱落的Karman涡相关性减弱,形成了涡振锁频现象.

摘要:为弥补高维工程结构有限元分析在结构参数优化设计等的局限,本文基于欧拉伯努利梁理论与传递矩阵法,研究大跨度拱桥面内自由振动问题.首先,基于多跨拱桥的刚度分析,建立系统的全局动力学模型.其次,基于传递矩阵法建立系统的全局动力学理论,最后,以一座四跨下承式拱桥的平面力学模型,求解其面内自由振动时的固有频率与振型,并将所得结果与用同样参数建模的有限元分析结果对比,证明本文所建理论对求解该类问题的有效性与精确性.此外,通过整桥各跨矢跨比、吊杆截面面积、拱肋惯性矩等的多组参数组合分析了该系统面内自振频率的分布规律.结果表明:随着拱桥矢高增大,系统固有频率减小,因拱桥质量的快速增加,对整桥面内刚度影响显著；增大吊杆截面面积可在一定程度内增大拱桥的面内刚度,导致系统频率在一定范围内增大,且观察到Veering现象.

摘要:悬索受多个端部激励后可能产生复杂的非线性动力学现象.为研究端部激励相位差对悬索亚谐波响应的影响,建立两端受激励的悬索模型,得到无限维离散运动方程,采用多尺度法研究面内亚谐波共振,并通过数值积分加以验证.文中给出了多激励系统等效激励幅值和响应相位的一般表达式,定性定量分析了面内两两激励的不同组合对响应幅值和相位的影响.结果表明：端部激励相位差对悬索响应幅值的影响以2π为周期变化,关于π对称.端部激励间的相位差可以使响应相位在一个名义单激励系统的响应相位基础上发生移动,当激励相位差逐渐由0转变为π的同时,相频曲线也非同步地位移了π.激励相位差不改变系统的软硬性质,但会影响响应幅值和共振区宽度,且其共振区宽度关于σ=0对称.

摘要:斜拉索是斜拉桥主要的支撑单元,是斜拉桥的重要组成部分.本文研究了控制增益参数G对索-梁耦合结构的振动控制.利用文献已得到的索-梁耦合结构的面内非线性运动微分方程,根据离散法,对其进行分离变量法处理,进而得到索梁耦合结构的单自由度和两自由度模态方程.不同于以往的研究,本文假设索(梁)的左支撑点即坐标原点处是可以沿纵向方向自由移动的,则索的动态应变会发生改变,进而改变其模态方程一次项系数,通过这一规律可以在理论上转换得到一套状态控制反馈准则,并根据Floquet稳定性理论,将上述方程转换为Hill方程形式.然后通过摄动法,得到运动微分方程的稳定解.最后对索-梁耦合结构的单自由度和两自由度系统进行了数值分析计算,通过改变反馈控制增益系数,可以实现系统的反控制.而设计者可以通过这些复杂现象的参数变化范围设计选择合适的参数,尽量使得系统能在工程师所能控制的安全范围内振动.这种控制策略保持了系统的平衡,并且可以应用于在期望位置处具有最优稳定性的退化倍周期分岔.研究表示,无论结构是单自由度还是两自由度系统,反馈控制增益系数的变化能明显有效地改变系统的共振情形下的幅值.通过适当调整控制参数,能在预先指定的参数位置创建原系统的稳定倍周期运动,并能改变倍周期运动的范围.研究发现,控制增益参数G的常数项和一次项都对索-梁耦合系统的控制起着重要作用,说明假定的状态控制反馈准则在理论上是具有一定的参考性的.

摘要:高耸脱硫塔属于圆截面薄壁钢结构,具有柔度大、阻尼小、上部截面突变等特征,在风荷载作用下易发生较为强烈的顺风向和横风向振动.为实现脱硫塔风致振动的有效与轻量化控制,引入调谐质量惯容系统(TMIS),基于推导的脱硫塔-TMIS耦合系统频响函数,分别建立了TMIS对脱硫塔的顺风向和横风向减振参数优化设计方法,并对比分析了TMIS、传统调谐质量阻尼器(TMD)、调谐质量惯容阻尼器(TMDI)对脱硫塔的减振效果.结果表明：以脱硫塔频域响应和H∞范数为目标优化设计的TMIS对脱硫塔顺风向和横风向风致振动均有较好的控制效果；与顺风向减振相比,TMIS横风向减振具有更好的轻量化效应；与TMD、TMDI相比,TMIS表现出较好的减振优势.

摘要:为研究Π型主梁断面的涡振特性及预测其响应,以某大跨钢混Π型梁斜拉桥为背景,在风洞中测试了不同质量与不同阻尼比的主梁涡振特性,通过自由振动试验识别了主梁的动力参数,并提取了不同风速下主梁的幅变阻尼比及幅变频率.进一步的,基于幅变气动导数建立了主梁的涡激力模型,同时通过涡激力模型实现了不同阻尼比下主梁涡振振幅及涡振区间的预测.研究结果表明,钢混Π型主梁在不同风速范围内竖向模态参数呈现不同的发展规律,可划分为5个风速区间；基于Scanlan自激力模型建立了只包含H1和H4两个气动导数的涡激力模型,通过与风洞试验的涡振振幅和涡振区间结果进行对比,验证了涡激力模型及其涡振气动导数方法的正确性,同时与不同阻尼比下的风洞试验结果对比,验证了该涡激力模型具有普适性.研究结论可为Π型主梁断面的涡振机理与涡激力模型的建立提供参考.

摘要:悬浮隧道是一种创新型的水中交通结构,这种悬浮于水中的结构在考虑复杂边界条件下的力学建模及交通荷载引起的结构响应值得深入研究.本文将跨度范围内由多段锚索支撑的悬浮隧道视为弹性支撑梁,同时将两端的复杂边界条件考虑为具有不同约束刚度的竖向和转动弹性支撑,流体荷载由Morison方程考虑,建立了悬浮隧道在任意荷载作用下的动力学模型及考虑自振特性的特征方程.研究了跨内支撑刚度与边界约束参数多种组合条件下的频率、模态分布特征,得到了相应的敏感区间.同时,以某型号高铁列车为背景并将其考虑为一列移动集中力,研究了悬浮隧道结构关键位置的荷载响应与弹性支撑刚度之间的关系,结果表明跨内支撑刚度、边界约束刚度均对竖向位移存在显著影响,整体上约束刚度越大相应的位移越小.