基于MR阻尼器的曲線梁橋半主動(dòng)控制

梁軍

【摘要】隨著公路交通、城市道路的發(fā)展，梁橋成曲線形狀日益廣泛，現(xiàn)已在交通工程中是重要橋型。作為主要災(zāi)害的震災(zāi)和風(fēng)災(zāi)對(duì)橋梁的破壞，近些年受到大家的重視。因此，學(xué)者們進(jìn)行了很多研究，對(duì)于傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和土木工程結(jié)構(gòu)都是通過(guò)結(jié)構(gòu)自身的塑性變形來(lái)吸收地震能量，但當(dāng)工程結(jié)構(gòu)所受的動(dòng)力荷載超過(guò)一定程度后，此方法就難以達(dá)到效果。最近，結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制成為控制領(lǐng)域的新抗震技術(shù)。以前，土木工程結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制的形式以被動(dòng)耗能減振控制為主，而半主動(dòng)控制和主動(dòng)控制雖然在理論上具有較好的減震效果，但是由于控制裝置本身缺陷而受到限制；近年來(lái)具有出力大、能耗低的智能材料出現(xiàn)，可能讓結(jié)構(gòu)振動(dòng)的半主動(dòng)和主動(dòng)控制得以實(shí)現(xiàn)；現(xiàn)在，采用基于磁流變阻尼器（MR阻尼器）的智能控制方法對(duì)土木工程結(jié)構(gòu)振動(dòng)問(wèn)題解決已變成一種新途徑。

【關(guān)鍵詞】曲線梁橋 MR阻尼器 半主動(dòng)控制

1.磁流變阻尼器及其原理簡(jiǎn)介：

智能材料是一種同時(shí)具有感知和驅(qū)動(dòng)功能的新型材料。磁流變（Magnetorheological，簡(jiǎn)稱MR）液體是將硅油和亞納米細(xì)度的鐵粉混合制成的一種液體，作為智能材料之一，它具有粘度低、強(qiáng)度高、溫度穩(wěn)定性好、能量需求少、對(duì)通常在制造過(guò)程中引入的雜質(zhì)不敏感等特點(diǎn)，在磁場(chǎng)作用下在瞬間從牛頓流體轉(zhuǎn)變?yōu)榧羟星?yīng)力較高的粘塑性體。由它制成的阻尼器阻尼力大、耐久性好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、反應(yīng)快且連續(xù)可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)，是極具吸引力、在結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制中表現(xiàn)出巨大潛能的振動(dòng)控制裝置。

2.全球研究現(xiàn)狀：

阻尼器及半自動(dòng)控制在曲線梁橋中的應(yīng)用現(xiàn)狀

曲線梁橋與直線梁橋不同，結(jié)構(gòu)受“彎、扭耦合”作用。結(jié)構(gòu)在活載與恒載作用下，都產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)，使內(nèi)弧梁的內(nèi)力減小、外弧梁的內(nèi)力加大；且結(jié)構(gòu)由于支承約束不合理，失去平衡，產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)，傾覆現(xiàn)象；梁在受到混凝土徐變收縮、溫度變化等作用時(shí)梁會(huì)相對(duì)于梁的不動(dòng)點(diǎn)和轉(zhuǎn)動(dòng)中心產(chǎn)生平面變形和扭轉(zhuǎn)，使伸縮裝置設(shè)置有很大難度。曲線梁橋除受到和直線梁橋一樣的荷載外，還要承受離心力等荷載。

2004年，大連理工大學(xué)郭慧乾在大連理工大學(xué)黃才良教授編的平面剛架有限元程序的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)了空間剛架有限元分析程序、配套的縱向影響線計(jì)算程序和車輛荷載動(dòng)態(tài)加載程序，以便曲線梁橋的探究。采用梁格法對(duì)曲線箱梁橋的受力特點(diǎn)進(jìn)行分析，且對(duì)不等高腹與板等高腹板兩種截面形式的優(yōu)劣進(jìn)行比較，得出了兩種截面形式各自的適用范圍。對(duì)曲線箱梁橋的分析和結(jié)構(gòu)形式的探索得到的圖表及規(guī)律，可作為曲線箱梁橋設(shè)計(jì)的參考。2006年，北京工業(yè)大學(xué)王麗等人對(duì)曲線梁橋地震響應(yīng)的做了簡(jiǎn)化分析，在彈性支座上的剛性橋面系統(tǒng)建立了剛度偏心的簡(jiǎn)單曲線梁橋模型，得出了地震響應(yīng)及自振特性和的簡(jiǎn)化計(jì)算方法。通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)比，全面地分析了各種影響因素及其對(duì)曲線梁橋動(dòng)力響應(yīng)的影響規(guī)律和計(jì)算圖表，可在抗震初步設(shè)計(jì)中作為參考。2006年，亓興軍，李小軍對(duì)曲線橋梁彎扭耦合減震半主動(dòng)控制作了分析，理論研究與震害經(jīng)驗(yàn)表明，地震時(shí)曲線橋梁會(huì)產(chǎn)生彎扭耦合振動(dòng)。為了減少?gòu)澟ゑ詈系牡卣鸱磻?yīng)，提出利用壓電摩擦阻尼器進(jìn)行曲線橋梁地震反應(yīng)半主動(dòng)控制的方法，建立曲線橋梁空間有限元模型，在橋臺(tái)支座部位設(shè)置半主動(dòng)控制阻尼器，在不同地震波入射角情況下分析了半主動(dòng)控制算法的減震效果。結(jié)果表明，半主動(dòng)控制界限Hrovat最優(yōu)控制算法能有減小曲線橋梁地震反應(yīng)，其控制效果優(yōu)于簡(jiǎn)單Bang-bang控制算法，而提供最大阻尼力的被動(dòng)控制方法會(huì)增大橋梁地震反應(yīng)，并不是被動(dòng)控制阻尼力越大越好。2011年，亓興軍、吳玉華通過(guò)曲線連續(xù)梁橋的磁流變阻尼器減震控制研究，建立雙支承曲線連續(xù)梁橋的減震控制動(dòng)力仿真模型及空間有限元模型，根據(jù)連續(xù)梁橋的支座布置在各活動(dòng)支座的切向設(shè)置8組磁流變阻尼器，在縱橋向輸入3種不同頻譜特點(diǎn)的地震動(dòng)，計(jì)算分析了曲線連續(xù)梁橋地震反應(yīng)被動(dòng)控制、半主動(dòng)控制和主動(dòng)控制方法的減震效果。結(jié)果表明了磁流變阻尼器能有效地減小曲線梁橋的主梁切向位移和固定墩底的彎矩與扭矩。不同頻譜特點(diǎn)地震動(dòng)輸入下磁流變阻尼器減震效果的差別較大，在設(shè)計(jì)曲線梁橋減震參數(shù)時(shí)需合理選擇地震動(dòng)輸入。因此，磁流變阻尼器被動(dòng)控制、半主動(dòng)控制和主動(dòng)控制3種減震控制方法對(duì)于曲線連續(xù)梁橋大部分地震反應(yīng)減震效果的差別較小，這可為簡(jiǎn)單易行的阻尼器耗能被動(dòng)控制方法在曲線梁橋抗震減震設(shè)計(jì)中的廣泛應(yīng)用提供理論依據(jù)。2012年陳樹(shù)剛、亓興軍做了關(guān)于曲率半徑變化對(duì)曲線梁橋粘滯阻尼器減震效果影響的研究。為了減少雙支承曲線梁橋的地震破壞效應(yīng)，亓興軍等在2012年提出了利用液體粘滯阻尼器進(jìn)行曲線梁橋減震控制的方法，建立曲線連續(xù)梁橋的空間有限元模型和動(dòng)力仿真模型，在橋梁墩臺(tái)活動(dòng)支座部位設(shè)置切向和徑向液體粘滯減震裝置，輸入三維地震動(dòng)計(jì)算分析了橋梁主動(dòng)控制、半主動(dòng)控制和被動(dòng)控制三種減震方法的減震效果。結(jié)果表明，曲線梁橋的地震反應(yīng)表現(xiàn)出顯著的縱橋向與橫橋向的耦合特性，在減震控制計(jì)算時(shí)必須同時(shí)輸入三維地震動(dòng)并設(shè)置縱橫向減震裝置。粘滯阻尼器能夠控制曲線梁橋內(nèi)外墩的內(nèi)力趨于接近，三種減震控制方法均能有效地減小固定墩墩底內(nèi)力和曲線梁橋的梁端位移，且三種方法的減震效果和地震反應(yīng)時(shí)程的差別均相對(duì)較小，半主動(dòng)控制和主動(dòng)控制未表現(xiàn)出明顯的優(yōu)越性，建議在實(shí)際曲線梁橋的抗震減震設(shè)計(jì)中應(yīng)用粘滯阻尼器被動(dòng)控制。

這些研究文獻(xiàn)都對(duì)本課題的展開(kāi)提供很大的幫助。

3.研究方式及技術(shù)路線：

1.在充分調(diào)研基礎(chǔ)上，作深入的理論研究，如智能半主動(dòng)控制理論、智能被動(dòng)控制理論、模糊控制理論；

2.與廠家協(xié)作，做關(guān)于阻尼器的物理力學(xué)試驗(yàn)研究；

4.擬解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題：

1.MR阻尼器的力學(xué)模型仿真。

2.智能控制的遲時(shí)問(wèn)題（對(duì)車輛荷載尤其是超重車輛作用下，需對(duì)車輛上橋前提前實(shí)行自動(dòng)識(shí)別，并通過(guò)稱重、傳感等手段，提前對(duì)橋梁施加智能控制，以解決遲時(shí)問(wèn)題）。

5.總結(jié)：

對(duì)于此研究的可行性：第一，對(duì)橋梁減隔振及磁流變阻尼器進(jìn)行了一定的學(xué)習(xí)，并掌握了一相關(guān)的理論知識(shí)。通過(guò)大量的文獻(xiàn)閱讀，能夠?qū)τ嘘P(guān)基于磁流變阻尼器的結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制的研究有所認(rèn)識(shí)；第二，大型工程軟件的開(kāi)發(fā)應(yīng)用，有限元技術(shù)不斷改進(jìn)，繁雜的數(shù)值計(jì)算理論得以實(shí)現(xiàn)，大規(guī)模的參數(shù)分析解決了許多現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。第三，隨著地震的頻繁發(fā)生，結(jié)構(gòu)抗震，特別是橋梁結(jié)構(gòu)的減隔振是土木工程界研究的熱點(diǎn)問(wèn)題之一，對(duì)橋梁抗震有著廣泛的工程背景，有大量的文獻(xiàn)可參考。

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