[发明专利]独塔自锚式悬索桥减震控制的阻尼器最优布置方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种桥梁减震控制中阻尼器的最优布置方法，尤其适用于在独塔自锚式悬索桥减震控制中对阻尼器进行最优布置。

背景技术

与传统悬索桥(如附图1所示)相比，自锚式悬索桥(如附图2所示)将主缆锚固于加劲梁上，从而省去了庞大的锚碇，故而不仅具有传统悬索桥优美的外形，还克服了地质条件的限制，因此，随着桥梁设计和施工水平的不断提高，自锚式悬索桥得到了越来越广泛的应用，成为城市中小跨度桥梁的极具竞争力的桥型。然而，作为一种新颖的桥型，自锚式悬索桥在风、地震等灾害性荷载作用下的安全性问题值得引起重视。

由于自锚式悬索桥的主缆直接锚固在加劲梁的两端，主缆的水平拉力由加劲梁来承受，加劲梁的变形又对主缆的水平拉力产生影响，因此，自锚式悬索桥在受力上与传统悬索桥不同，难以直接应用传统悬索桥的抗震思路对其进行抗震设计。另一方面，由于我国现行公路桥梁抗震设计规范对此类桥梁的抗震设计尚无具体规定，因此，对自锚式悬索桥的进行抗震设计及减震研究就显得十分重要。

工程结构的减震控制，就是通过调整结构的自振周期(通过改变结构的刚度或质量)或增大阻尼或施加外力，以达到减小结构在地震荷载作用下响应的目的。对于自锚式悬索桥而言，已有相关研究结果表明，强震作用下主塔与主梁之间会产生很大的纵向相对位移，而在塔、梁连接部位安装阻尼器(如附图3所示)以增大桥梁结构的阻尼，是控制梁端位移、提高抗震性能的有效措施。国内外已有一些学者对阻尼器在大跨桥梁减震中的应用进行了研究，然而，如何确定自锚式悬索桥减震中阻尼器的最优布置方案，还有待进一步的发明及创新性研究工作。

优化设计就是一种寻找确定最优设计方案的技术，即寻找一种可以满足所有的设计要求(优化过程中的设计变量和状态变量)的方案，而且所需的支出(优化过程中的目标函数)最小，故最优设计方案是实现设计目标的一个最有效率的方案。由于结构设计方案的任何方面都是可以进行优化的，比如构件的尺寸、支座的位置、自振频率、材料特性以及制造费用等，因此最优方案的寻求必需借助于一些最优化计算方法，简称优化算法，使得目标函数在控制条件下达到最小值。

目前，最优化计算方法被广泛应用于土木工程领域，如工程设计、模型修正、索力优化计算等，其中的一阶优化算法是一种精度很高的寻优方法。本专利从地震响应控制的原理出发，根据独塔自锚式悬索桥体系地震响应的特点，构造了其减震控制效果评估函数(即优化过程中的目标函数)，同时将罚函数思想和优化原理引入到独塔自锚式悬索桥减震控制的阻尼器最优布置当中，在确定好优化过程中的设计变量、状态变量及目标函数等的基础上，运用一阶优化原理来确定减震控制中阻尼器的最优布置方案。

同时，由于采用一阶优化采用梯度法进行搜索，常会得到局部而非全局最小值，因此对一阶方法所得优化结果还需进行进一步判断，故当怀疑所得结果非全局最小值时，需重新进入优化模块，并选择零阶方法验证已有优化结果。验证之后所得结果即为阻尼器最优布置方案的最终结果。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种独塔自锚式悬索桥减震控制中阻尼器的最优布置方法，以便在保证阻尼器减震效率的同时，最大程度地减小地震作用下的结构响应。首先根据独塔自锚式悬索桥体系地震响应的特点创建了其减震控制效果评估函数，再将罚函数思想和优化原理首次引入到独塔自锚式悬索桥减震控制的阻尼器最优布置当中，通过对减震控制效果评估函数的最优化处理来获得阻尼器的最优数量及空间布置方案。

技术方案：本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

第一步：按照结构设计图纸，采用可编程参数化设计语言建立独塔自锚式悬索桥的空间有限元计算模型；

第二步：输入地震波进行大桥的空间非线性地震反应时程分析，采用纽马克β法进行积分求解，并根据分析结果与结构响应容许值的对比来判断是否需要进行减震控制，若响应值大于容许值，则进行减震控制，否则无需减震；

第三步：根据分析结果选择减震阻尼器的类型，同时将反映阻尼器特性的阻尼系数、非线性指数及其安装位置确定为待修正参数，此即为优化过程中的设计变量；

第四步：开始进入优化过程，并根据阻尼器的阻尼系数不能大于其容许值，且阻尼器安装位置不能大于结构尺寸两大原则来确定设计变量的上下限约束；

第五步：构造地震响应控制效果评估函数，并将其作为优化分析的目标函数；