斜拉索振動(dòng)控制及其研究現(xiàn)狀國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)綜述振動(dòng)控制早期在航天結(jié)構(gòu)、機(jī)械工程、運(yùn)輸工程等領(lǐng)域得到運(yùn)用，1972年，由于Yao的開(kāi)創(chuàng)性工作將現(xiàn)代化控制理論運(yùn)用到土木工程中，提出了土木工程結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制概念。后來(lái)幾十年研究學(xué)者們對(duì)振動(dòng)控制領(lǐng)域的不斷研究，使得土木工程領(lǐng)域振動(dòng)控制的理論和試驗(yàn)不斷完善。目前拉索的振動(dòng)控制按照輸入外在能量的量，劃分為被動(dòng)、主動(dòng)、半主動(dòng)控制等，在實(shí)際工程中都取得了較好的控制效果。1.1斜拉索的被動(dòng)控制拉索的被動(dòng)控制包括：氣動(dòng)控制措施、輔助索控制措施、機(jī)械控制措施。1、氣動(dòng)控制措施氣動(dòng)控制是指通過(guò)改變斜拉索斷面的形狀來(lái)改善斜拉索的空氣動(dòng)力學(xué)特性，達(dá)到斜拉索減振的目的。常用的拉索氣動(dòng)控制方式如：設(shè)置凹槽、凹坑以及拉索軸向制成縱向肋條、纏繞螺旋等，如圖1-7所示。顧明等人采用纏繞螺旋線的方式，當(dāng)螺旋線直徑足夠大時(shí)（>1mm），可以抑制上水線的形成，從而降低斜拉索的風(fēng)雨激振形成的可能REF_Ref68810145\r\h[20]，法國(guó)Normandie大橋和南京長(zhǎng)江二橋就運(yùn)用了加螺旋線的方式成功實(shí)現(xiàn)氣動(dòng)控制。劉慶寬等人對(duì)不同粗糙度的拉索模型做風(fēng)洞測(cè)試，發(fā)現(xiàn)斜拉索表面粗糙度、風(fēng)速對(duì)索的振動(dòng)有影響REF_Ref68810889\r\h[34]。孫一飛等通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)，采用凹槽的方式研究斜拉索的氣動(dòng)控制，發(fā)現(xiàn)風(fēng)攻角對(duì)凹痕斜拉索的氣動(dòng)力系數(shù)隨雷諾數(shù)變化的曲線有影響REF_Ref68810897\r\h[35]。日本Tatara大橋就以給拉索表面打凹孔的方式抑制水線的產(chǎn)生，使其無(wú)論是否有雨水存在，都能維持工作性能的穩(wěn)定。(a)螺旋線(b)縱向肋條圖1.7氣動(dòng)控制措施2、輔助索控制措施輔助索措施指在各拉索之間添加輔助索形成索網(wǎng)，達(dá)到減少拉索自由度長(zhǎng)度，提高主索自振頻率的目的。如圖1-8所示。萊恩哈特針對(duì)墨西拿海峽大橋首次提出使用輔助索的建議，以此來(lái)減少主索的垂度增強(qiáng)整體剛度[2]。丹麥的Faroe橋、法國(guó)的Normandie橋以及我國(guó)長(zhǎng)興島大橋均采用輔助索來(lái)減振。宋暉等通過(guò)試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究了輔助索與拉索頻率的關(guān)聯(lián)，發(fā)現(xiàn)輔助索數(shù)量增加、索力增加均會(huì)一定程度上增大主索的頻率REF_Ref68810909\r\h[36]。魏建東等采用有限元法，研究發(fā)現(xiàn)輔助索對(duì)斜拉索面外振動(dòng)控制無(wú)效，輔助索索力的大小對(duì)面內(nèi)減振也基本沒(méi)有效果，通過(guò)提高輔助索的阻尼才能達(dá)到減振的控制效果REF_Ref68810945\r\h[37]。楊相展等通過(guò)有限元對(duì)比研究水平和放射形布置的輔助索，發(fā)現(xiàn)放射形布置的輔助索可以更大的提高拉索的振動(dòng)頻率REF_Ref68869944\r\h[38]雖然設(shè)置輔助索已在工程中大量應(yīng)用，但由于輔助索設(shè)計(jì)與安裝相對(duì)麻煩，且安裝輔助索后會(huì)影響橋的整體美觀。所以設(shè)計(jì)師們都盡可能不采用這種方法進(jìn)行減振控制。圖1.8輔助索控制措施3、機(jī)械控制措施機(jī)械控制措施主要通過(guò)在斜拉索靠近主梁端部處安裝減震裝置如阻尼器，通過(guò)斜拉索與主梁的相對(duì)運(yùn)動(dòng)以達(dá)到減震耗能的目的。如圖1-9所示。安裝阻尼器最終都是通過(guò)提高斜拉索的模態(tài)阻尼比。Carne和Kovacs首先研究了帶有附加阻尼器的拉索的振動(dòng)，發(fā)現(xiàn)斜拉索振動(dòng)存在一個(gè)最優(yōu)粘滯阻尼，使得模態(tài)阻尼比取值最大。Pacheco等基于Kovacs研究的基礎(chǔ)上提出了帶有粘滯阻尼器的阻尼評(píng)估曲線，結(jié)果顯示斜拉索最優(yōu)模態(tài)阻尼比與阻尼器的安裝位置、基頻等因素有關(guān)。Fujino等提出了一種考慮拉索垂度和彎曲剛度的設(shè)計(jì)公式REF_Ref68809331\r\h[8]。周強(qiáng)等運(yùn)用復(fù)模態(tài)的理論，研究了不同邊界情況，抗彎剛度與拉索的模態(tài)阻尼比的關(guān)系。發(fā)現(xiàn)兩端固接時(shí)，忽略抗彎剛度的影響，拉索最優(yōu)模態(tài)阻尼比會(huì)有上限值，而在不同的抗彎剛度下最優(yōu)模態(tài)阻尼比相接近，兩端鉸接正好相反REF_Ref68810992\r\h[39]。汪志昊等基于電磁阻尼器減振技術(shù)，研究發(fā)現(xiàn)阻尼器的安裝位置越高，控制效果越好REF_Ref68811015\r\h[40]。梁棟等研究了主梁、索、阻尼器組合的振動(dòng)體系，通過(guò)試驗(yàn)與理論想結(jié)合，發(fā)現(xiàn)主梁的振動(dòng)會(huì)降低拉索-阻尼器系統(tǒng)的減振效果，跨度超過(guò)400m的斜拉橋，主梁振動(dòng)是不可忽略的因素REF_Ref68811025\r\h[41]。汪峰等通過(guò)研究粘滯阻尼-拉索-塔梁耦合振動(dòng)模型，發(fā)現(xiàn)粘滯阻尼器存在一個(gè)臨界安裝位置，一旦超出，就會(huì)出現(xiàn)振幅負(fù)衰減率，故提出被動(dòng)阻尼安裝位置不易超過(guò)0.05的建議REF_Ref68871653\r\h[42]。安裝被動(dòng)阻尼器雖然能取得較好的控制效果，但經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，被動(dòng)阻尼裝置僅能在預(yù)先設(shè)置的狀態(tài)下保持對(duì)目標(biāo)的有效控制，當(dāng)實(shí)際狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，控制效果相對(duì)較低。再加上工藝上的限制，阻尼裝置的安裝位置也不能任意放置，這就可能出現(xiàn)提供的阻尼比不足而控制失效的現(xiàn)象REF_Ref68868562\r\h[43]。為了克服這些限制，梁棟等基于復(fù)模態(tài)理論，提出了TMD設(shè)計(jì)參數(shù)來(lái)抑制斜拉索模態(tài)模態(tài)振動(dòng)REF_Ref68809192\r\h[5]。Cai和wu提出用TMD取代粘滯阻尼器并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了TMD的減振效果REF_Ref68809347\r\h[9]。法國(guó)的Normandy就安裝TMD來(lái)進(jìn)行減振。TMD阻尼器雖然可以增加拉索阻尼，但是在多模態(tài)振動(dòng)的條件下，效果也有限。為此，Duan等通過(guò)研究阻尼器的減振性能，發(fā)現(xiàn)負(fù)剛度可以抑制拉索的單模和多模振動(dòng)，其能提供比油阻尼器更多的額外阻尼REF_Ref68811069\r\h[44]。Lee等和Iemura等分別提出被動(dòng)負(fù)剛度阻尼的實(shí)現(xiàn)方法，而且被動(dòng)負(fù)剛度阻尼比起半主動(dòng)負(fù)剛度阻尼更容易進(jìn)行設(shè)計(jì)和應(yīng)用，所以有許多研究人員開(kāi)始考慮使用被動(dòng)負(fù)剛度阻尼進(jìn)行斜拉索的被動(dòng)控制。XShi等提出了一種磁性負(fù)剛度阻尼器，它可以實(shí)現(xiàn)半主動(dòng)和主動(dòng)控制相當(dāng)?shù)目刂菩阅埽ㄟ^(guò)負(fù)剛度彈簧擴(kuò)大阻尼器位置處的振動(dòng)幅度，以此克服鎖定效應(yīng)并用粘性阻尼或其他類型的阻尼消耗動(dòng)能，從而為拉索提供相當(dāng)大的阻尼。通過(guò)調(diào)節(jié)阻尼系數(shù)還可以獲得相對(duì)于負(fù)剛度特定值的最佳控制性能。XShi等還提出一種由負(fù)剛度彈簧和粘滯阻尼器組合而成的被動(dòng)NSD，通過(guò)數(shù)值分析的方法，對(duì)負(fù)剛度和粘滯阻尼器進(jìn)行參數(shù)分析，系統(tǒng)評(píng)估了被動(dòng)NSD安裝在斜拉索上的振動(dòng)控制性能，發(fā)現(xiàn)被動(dòng)NSD的性能可以比傳統(tǒng)的粘性阻尼器好得多，但是當(dāng)其具有顯著的負(fù)剛度時(shí)會(huì)失去準(zhǔn)確性。XShi等在斜拉索模型上安裝被動(dòng)NSD的振動(dòng)控制性能的研究，發(fā)現(xiàn)隨著NSD強(qiáng)度的增加，各種動(dòng)載荷下的拉索響應(yīng)變小，從而表明被動(dòng)NSD為拉索增加了高阻尼，且抗彎剛度是不可忽略的參數(shù)REF_Ref68811084\r\h[45REF_Ref68811087\r\h-47]。圖1.9阻尼器1.2主動(dòng)控制主動(dòng)控制系統(tǒng)是由作動(dòng)器、傳感器、信息反饋處理系統(tǒng)組成。通過(guò)外部輸入能量來(lái)調(diào)整結(jié)構(gòu)所需的控制力，通過(guò)作動(dòng)器進(jìn)行補(bǔ)償。傳感器即可感知外部激勵(lì)也可以感知外部響應(yīng)，若僅通過(guò)測(cè)量結(jié)構(gòu)的響應(yīng)變量以此來(lái)調(diào)整所施加的控制力稱為反饋控制；若僅通過(guò)測(cè)量外部激勵(lì)以此來(lái)調(diào)控所施加的控制力稱為前反饋控制；若響應(yīng)變量和外部激勵(lì)均用于控制設(shè)計(jì)的情況，稱為反饋-前反饋控制REF_Ref68811128\r\h[48]。常見(jiàn)主動(dòng)控制如：主動(dòng)調(diào)諧質(zhì)量阻尼器（ATMD）、分布式作動(dòng)器、主動(dòng)肌腱系統(tǒng)等。斜拉索的主動(dòng)控制包括模態(tài)控制和波控制。Chen通過(guò)控制模態(tài)方法來(lái)抑制拉索的振動(dòng)。Hagedorn提出用波控制來(lái)減少拉索振動(dòng)，隨后，王修勇等建立了拉索-磁致伸縮作動(dòng)器運(yùn)動(dòng)方程，提出了剪切型線性二次型最優(yōu)控制（CLQR）策略和多級(jí)bang-bang控制策略并對(duì)其進(jìn)行了數(shù)值仿真分析，結(jié)果表明該模型能起到有效的控制REF_Ref68811142\r\h[49]。主動(dòng)控制理論上可以改善對(duì)斜拉索振動(dòng)控制的適應(yīng)性，但是，設(shè)備造價(jià)高，安裝復(fù)雜，所需的外部能量大，在實(shí)施過(guò)程中，由于存在太大的不確定性，外部激勵(lì)的非線性，主動(dòng)控制力常常造成拉索的疲勞以及出現(xiàn)控制溢出等現(xiàn)象，使其難以在工程領(lǐng)域得到廣泛的推廣。1.3半主動(dòng)控制半主動(dòng)控制是近些年來(lái)備受?chē)?guó)內(nèi)外學(xué)者青睞的熱門(mén)研究領(lǐng)域，它介于被動(dòng)和主動(dòng)控制之間，僅需少量的外部能量，就可以給結(jié)構(gòu)提供較大的阻尼。現(xiàn)今已經(jīng)研究了許多半主動(dòng)控制的阻尼器如半主動(dòng)剛度阻尼、半主動(dòng)調(diào)諧液柱阻尼器、壓電阻尼器、半主動(dòng)TMD磁流變阻尼器等REF_Ref68811154\r\h[50]，其中磁流變阻尼器（MR）以其能提供較大控制力、反應(yīng)靈敏、穩(wěn)定性強(qiáng)等優(yōu)良特性而被研究、運(yùn)用到半主動(dòng)控制中。Chen等第一次將MR阻尼器安裝到斜拉索上實(shí)現(xiàn)了斜拉索的風(fēng)雨激振振動(dòng)控制。Webber和Boston研究發(fā)現(xiàn)半主動(dòng)的負(fù)剛度阻尼器可以產(chǎn)生2倍于普通粘滯阻尼器的阻尼REF_Ref68811084\r\h[45]。彭劍等利用Galerkin方法得到斜拉索的時(shí)滯動(dòng)力系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)時(shí)滯的存在會(huì)影響振動(dòng)控制效果以及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性REF_Ref68811178\r\h[51]。Christenson等通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證H2/線性二次高斯（LQG）限幅最優(yōu)控制的智能阻尼控制策略，結(jié)果表明MR阻尼器可以提供超越被動(dòng)粘滯阻尼器以及被動(dòng)MR阻尼器的更高性能，使得拉索響應(yīng)降低50％以上REF_Ref68811187\r\h[52]。半主動(dòng)控制的順利進(jìn)行必須要依靠有效的控制算法策略。因此大量的研究學(xué)者興起了研究半主動(dòng)控制算法策略的熱潮。針對(duì)MR阻尼器的控制算法主要有恒定加壓式、Heaviside函數(shù)式、動(dòng)力逆模型加壓式以及包含人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法等智能加壓式REF_Ref68811197\r\h[53]。通過(guò)引入主動(dòng)控制算法，提出了一系列的半主動(dòng)控制策略。WangREF_Ref68811210\r\h[54]等在針對(duì)LQR最優(yōu)控制算法，提出了一種考慮阻尼力的方向優(yōu)化的最優(yōu)等效控制算法，實(shí)現(xiàn)了有限反饋和計(jì)算的斜拉索在線實(shí)時(shí)振動(dòng)控制，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)該算法的性能優(yōu)于最優(yōu)被動(dòng)控制，幾乎達(dá)到了LQR控制水平。WeberREF_Ref68811225\r\h[55]等提出了一種基于限幅線性二次型調(diào)節(jié)器（LQR）的控制力特性，推導(dǎo)出一種近似并置控制策略，用負(fù)剛度半主動(dòng)阻尼減輕斜拉索振動(dòng)。陳勇等以模態(tài)降階理論為基礎(chǔ),根據(jù)MR阻尼器特性和LQG相關(guān)理論，建立了面向速度剪切的半主動(dòng)LQR控制方法REF_Ref68811240\r\h[56REF_Ref68811243\r\h-58]。DuanREF_Ref68811069\r\h[44]等也提出了狀態(tài)導(dǎo)數(shù)反饋控制控制策略，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)原型斜拉索實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬證明了兩者控制效果一致。陳昭暉等突破傳統(tǒng)的時(shí)域空間，結(jié)合HHT變換，提出頻域內(nèi)的自適應(yīng)控制方法，既能識(shí)別出頻率，也能避免LQG控制中權(quán)參數(shù)選取的問(wèn)題REF_Ref68811277\r\h[59]。隨著人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）的發(fā)展，其逐漸運(yùn)用到了半主動(dòng)控制的研究中。陳政清等研究了半主動(dòng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法,結(jié)果顯示,采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)半主動(dòng)控制能有效降低拉索振動(dòng)。倪一清采用面向速度剪切的半主動(dòng)控制策略,實(shí)現(xiàn)對(duì)斜拉索半主動(dòng)控制REF_Ref68811286\r\h[60]。但是人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)需要前期進(jìn)行大量數(shù)據(jù)的反復(fù)訓(xùn)練，針對(duì)這一情況，研究人員開(kāi)始運(yùn)用模糊控制技術(shù)，模糊控制技術(shù)可以融入人類的先驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，這避免了大量數(shù)據(jù)訓(xùn)練的狀況。Zhang等就提出了一種改進(jìn)的關(guān)于參數(shù)振動(dòng)的模糊半主動(dòng)控制方法，結(jié)果結(jié)果顯示該策略的效果優(yōu)于模糊主動(dòng)控制策略，不需要調(diào)試輸入變量和輸出變量的比例因子，并且MR阻尼器需要較低的電壓，使模糊控制更加智能化REF_Ref68811297\r\h[61]。雖然近些年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)MR阻尼器半主動(dòng)控制以及算法的研究取得了一定的進(jìn)展，但在實(shí)際工程中MR阻尼器以作為可調(diào)被動(dòng)阻尼器為主，半主動(dòng)控制策略多數(shù)仍然是基于最優(yōu)控制理論如全狀態(tài)反饋的線性二次調(diào)節(jié)器（LQR）和采用狀態(tài)觀測(cè)器的線性二次高斯（LQG）控制方法。故為了更好的滿足實(shí)際工程的要求，關(guān)于磁流變阻尼器的半主動(dòng)控制在斜拉索上的研究仍具有一定的挑戰(zhàn)性。參考文獻(xiàn)劉榮桂,曹植,謝桂華,蔡?hào)|升,陳蓓.斜拉橋拉索風(fēng)雨激振研究進(jìn)展[J].中外公路,2013,33(05):66-69.埃爾莎·德·薩·卡埃塔諾.斜拉橋的拉索振動(dòng)與控制[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2012:96-116.王修勇,陳政清,何旭輝,陳勇,黃方林.洞庭湖大橋風(fēng)雨振減振試驗(yàn)研究[J].橋梁建設(shè),2002(02):11-14.王成.單出桿磁流變阻尼器及其對(duì)斜拉橋拉索風(fēng)振控制的研究[D].東南大學(xué),2017.陳政清.工程結(jié)構(gòu)的風(fēng)致振動(dòng)、穩(wěn)定與控制[M].北京：科學(xué)出版社,2013:527-566.ChenW,ZhangQ,LiH,teal.Anexperimentalvibrationsofalongflexiblecircularcylinder[J]JournalofFluidMechanics,1993,250(-1):481.陳明憲.斜拉橋的發(fā)展與展望[J].中外公路,2006(4):76-86.Fujino,P.Warnitchai,B.M.Pacheco.Anexperimentalandanalyticalstudyofautoparametricresonanceina3DOFmodelofcable-stayed-beam[J].NonlinearDynamics,1993,4(2).A.PintoDaCosta,J.A.C.Martins,etal.Oscillationsofbridgestaycablesinducedbyperiodicmotionsofdeckand/ortowers,JournalofEngineeringMechanics,1996,122(7):613-622王修勇.斜拉橋拉索振動(dòng)控制新技術(shù)研究[D].中南大學(xué),2002.鄭良富.超大跨度橋梁斜拉索參數(shù)振動(dòng)特性及其穩(wěn)定性分析[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué),2018.吳慶雄,王文平,陳寶春.隨機(jī)荷載下索梁結(jié)構(gòu)拉索參數(shù)振動(dòng)分析[J].福州大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)),2015,43(05):658-665.吳慶雄,王文平,陳寶春.多索-梁結(jié)構(gòu)固有振動(dòng)特性分析[J].工程力學(xué),2017,34(01):109-116+129.吳慶雄.振動(dòng)松弛對(duì)斜索參數(shù)振動(dòng)的影響分析[C].中國(guó)力學(xué)學(xué)會(huì)結(jié)構(gòu)工程專業(yè)委員會(huì)、中國(guó)力學(xué)學(xué)會(huì)《工程力學(xué)》編委會(huì)、新疆大學(xué).第22屆全國(guó)結(jié)構(gòu)工程學(xué)術(shù)會(huì)議論文集第Ⅰ冊(cè).中國(guó)力學(xué)學(xué)會(huì)結(jié)構(gòu)工程專業(yè)委員會(huì)、中國(guó)力學(xué)學(xué)會(huì)《工程力學(xué)》編委會(huì)、新疆大學(xué):中國(guó)力學(xué)學(xué)會(huì)工程力學(xué)編輯部,2013:527-533.張序彥.拉索參數(shù)振動(dòng)及其多場(chǎng)耦合下的非線性振動(dòng)研究[D].江蘇大學(xué),2017.A.J.Persoon,K.Noorlander.Full-scalemeasruementsontheErasmusBridgeafterrain/windinducedcablevibrations[J].WindEngineeringintothe21stCentury,1999Balkema,Rotterdam:1019-1026.J.A.Main,N.P.Jones.Full-scalemeasurementsofstaycablevibration[J].WindEngineeringintothe21stCentury,1999Balkema,Rotterdam:963-970.陳政清.斜拉索風(fēng)雨振現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)與振動(dòng)控制[J].建筑科學(xué)與工程學(xué)報(bào),2005(04):5-10.Y.HikamiandN.Shiraishi,Rain-windinducedv