連續(xù)體系橋梁的主動及混合控制抗震性能評價

曹 猛 張復明 劉曉珊

(湖北省交通規(guī)劃設計院股份有限公司，湖北 武漢 430051)

?

連續(xù)體系橋梁的主動及混合控制抗震性能評價

曹 猛 張復明 劉曉珊

(湖北省交通規(guī)劃設計院股份有限公司，湖北 武漢 430051)

對某4×50 m單向預應力混凝土橋進行了主動及混合控制抗震性能測試，通過MATLAB編程搭建了元模型，利用地震仿真平臺進行施力與數據監(jiān)測，并采用濾波器搭建模型，分析了墩底彎矩和支座的剪力—位移曲線，研究發(fā)現，主動控制抗震法明顯降低了墩底彎矩，混合控制抗震法則不能減小連續(xù)體系橋梁的墩底彎矩。

連續(xù)橋梁，主動控制，混合控制，抗震性能

連續(xù)體系橋梁因具有節(jié)約材料等優(yōu)勢在當今橋梁建設中被廣泛應用。一般的連續(xù)體系橋梁具有隔震的抗震設計，這種抗震模式往往只能針對固定類型或級別的地震產生抵抗效果，但是在發(fā)生高強度地震的情況下，由于連續(xù)體系橋梁的延性設計，會造成一定的塑性破壞，給橋梁整體穩(wěn)定性能帶來很大影響[1]。在隔震性能的基礎上，采用主動控制抗震法則能夠有效避免該不足情況，然而眼觀當下國內文獻，這種混合控制抗震法的研究很少針對連續(xù)體系橋梁建設，研究對象大多為具有懸索結構的橋梁吊橋一類，聯系體系橋梁不能獲得高效的抗震性能，因此，對連續(xù)體系橋梁的主動及混合控制抗震性能的研究具有一定的價值與積極意義。本文在對混凝土橋的抗震性能研究上，通過對主動控制參數進行控制變量，在施力器、控制對象參數上進行調整，研究抗震高效性，同時考慮支座非線性影響，進而提出改進措施。

1 連續(xù)體系橋梁的主動與混合控制抗震性能研究

1.1 連續(xù)體系橋梁工程基本信息與參數

本文抗震性能研究對象為4×50 m單向預應力混凝土橋，高2.8 m，寬15 m，橋梁整體結構如圖1所示，幾何截面特性參考表1。

表1 截面主要特性

部位截面積A/m2橫橋向彎矩lx順橋向彎矩ly延米自重/kN·m-1主梁6.9987.375.28200橋墩4.257.460.69105

在保持其他參數一定的情況下，對墩梁剛構與連續(xù)橋梁進行研究，墩梁剛構的主梁邊界為上部兩種普通支座連續(xù)橋臺，下部為固結的形式；而連續(xù)橋梁則是5個雙向隔震支架分別位于橋墩與橋臺。通過對墩梁剛構橋采用主動控制抗震法，對連續(xù)橋梁采用混合抗震法，分別研究橋梁抗震性能。具體的研究方法中，針對兩種橋梁分別在支座安裝2個以及5個主動控制施力器，圖2為主動控制施力器、傳感器與混合控制施力器、傳感器的具體安裝位置信息。

1.2 元模型搭建

通過運用美國商業(yè)數學編程軟件MATLAB對橋梁進行部分元模型的搭建，三維立體元模型如圖3所示。

該元模型中，對箱梁、支座、橋墩、墩身等分別采用彈性梁模擬、雙折線模擬、非線性空間模擬、截面特性模擬等，并對節(jié)點運用相應的剛域模擬，同時在模型搭建中，為避免誤差帶來的性能評測影響，采取了統一質量的矩陣。

本文通過對五種類型的地震進行參數輸入，將控制效果進行分析對比，發(fā)現North Palm Springs等五種地震參數輸入后的控制效果基本一致，因此，在文中將列舉North Palm Springs作為主要的地震仿真模擬。

1.3 主動與混合控制抗震性能研究

通過主動控制施力器的作用，對元模型進行施力，為保證仿真試驗的最優(yōu)化，防止其他因素對研究結果產生較大影響，本文還運用了模型縮減技術，并建立濾波器控制模型，做到最大程度的參數優(yōu)化，減少誤差。

圖4為抗震仿真平臺模塊，由圖4可知，在該模塊中，首先將實測輸出與傳感器進行連接，接著ym在傳感器的轉化下變?yōu)殡妷耗M信號ys，控制器再將施力器在控制器的作用下產生力，施力器則會根據控制器的信息輸出對橋梁進行力的施加，進而達到主動控制力的橋梁抗震測試效果[3]。在該模塊中，ye的作用是對算法效果的輸出，而傳感器的輸出是橫橋向的絕對加速度、支座位移、施力器位移等參數的輸出，控制器是對參數yr的輸出。墩底剛構橋梁元模型中的施力器設置于兩個橋臺與箱梁之間，而連續(xù)橋梁設置于橋臺、橋墩與箱梁之間。

本研究中，主動控制法最主要是為了算得最高效的控制力f，從而得出最佳控制性能。yr的輸出是表達最佳控制性能指標的參數，主動控制法確定權矩陣后再進行變量計算，最終得到其他的參數。濾波器的作用是進行橋梁反應狀態(tài)的判斷，濾波器與控制器中的反饋系數是相互獨立的；模型壓縮器的作用是將原有的196個橋梁模型狀態(tài)縮小為30個，在保證元模型主要特性的情況下，減少了控制器中的計算量，降低誤差。

1.4 主動與混合控制抗震性能結果評價

該研究發(fā)現，主動與混合控制在剛構與連續(xù)橋中的表現具有共同點，即兩種橋梁中2號橋墩的受力最大，在性能評價中，主要對2號橋墩受力結果以及墩底橫橋向彎矩曲線進行分析，其曲線如圖5所示。

由圖5可知：

1)連續(xù)橋梁中的2號橋墩最大彎矩為9 900 kN·m，剛構橋的2號橋墩最大彎矩為17 000 kN·m。研究發(fā)現，連續(xù)橋梁主動控制抗震方法中，橋墩彎矩相比混合控制法降低了42%，效果顯著。

2)對混合控制抗震效益的不足進行分析研究發(fā)現，其2號墩底彎矩之所以沒有顯著降低是因為支座剛度非線性變化，并且在研究中發(fā)現，其余四種地震類型產生的結果全部類似，由此可見，基于隔震性能的主動控制法并不適用于橋梁地震抗性的應用。

3)為更準確地探究連續(xù)體系橋梁的主動與混合控制抗震性能，對墩底剛構橋梁采用主動控制法，結果發(fā)現，2號橋墩的最大彎矩相較于之前的混合控制法減少了5 700 kN·m，通過對其余四種地震類型的參數輸入研究后發(fā)現，2號橋墩的最大彎矩相較于混合控制法均有較大的減少，說明主動控制抗震法能夠有效降低墩底剛構橋梁橋墩的橫橋向最大彎矩，即對剛構橋的抗震性能具有明顯提升。

2 基于連續(xù)體系橋梁的混合控制抗震性能改進

本次研究中，在基于原有的隔震性能下，通過元模型的構建與地震仿真模擬施力發(fā)現，主動控制法中的控制器不能夠有效降低橋梁墩底最大彎矩，抗震性能明顯較低，往往遇到高強度地震時，這種支座會進入非彈性的狀態(tài)，產生塑性變化，影響橋梁整體結構的穩(wěn)定性。在支座初始的剛度下進行主動控制不能夠提升混合控制抗震的性能，為了改進不足，本文提出了主動控制器的剛度變化自動適應策略，采用能夠自動適應剛度變化的主動控制器，進而提供合適的參數變化，在濾波器觀察與反饋中，不僅要對非線性進行判斷，同時要考慮剛度矩陣的狀態(tài)，這樣一來才能夠確定主動控制器的合適參數，通過這種改進方法的運用后，連續(xù)橋梁墩底的彎矩時程曲線振幅明顯降低，2號墩底最大彎矩變化為6 850 kN·m，整體抗震性能趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

3 結語

通過對連續(xù)體系橋梁的剛構橋與連續(xù)梁橋采用數學編程進行部分元模型搭建，在保障參數性能最優(yōu)化的情況下，運用濾波器與模型壓縮器進行觀察與信息反饋，進而保證MATLAB程序的正常運作。研究通過地震仿真參數的輸入，利用主動控制器向橋梁提供地震參數力，對受力影響最大的橋墩墩底橫橋向彎矩曲線進行分析，發(fā)現主動控制抗震方法能夠明顯提升橋梁抗震性能，對混合控制法提出了增加主動控制器的自動適應性能方案，這種改進起到了顯著的效果。

[1] 王克海，李 茜.橋梁抗震的研究進展[J].工程力學，2015，24(S2):75-82.

[2] 朱軍濤.連續(xù)體系橋梁的主動及混合控制抗震研究[J].橋梁建設，2016,46(3):45-50.

[3] 曹新建，袁萬城，高 永，等.大跨度連續(xù)梁拱組合體系橋梁減震設計[J].工程抗震與加固改造，2014，32(3):30-35.

The seismic performance evaluation of active and hybrid control for continuous system bridges

Cao Meng Zhang Fuming Liu Xiaoshan

(Hubei Communication Planning and Design Institute Limited Company by Share, Wuhan 430051, China)

This paper made active and hybrid control seismic performance test of a 4×50 m single pre-stressed concrete bridge, through the MATLAB programming constructed the element model, using the seismic simulation platform made force and data monitoring, and used the filter to build a model, analyzed the shear force-displacement curve of pier bottom bending moment and support, the research found that the active control seismic method obviously reduced the pier bottom seismic moment, the hybrid control method could not decrease the pier bottom bending moment of continuous system bridges.

continuous bridge, active control, hybrid control, seismic performance

1009-6825(2017)12-0147-02

2017-02-15

曹 猛(1989- )，男，碩士，助理工程師； 張復明(1986- )，男，碩士，助理工程師； 劉曉珊(1988- )，女，碩士，助理工程師

U442.55

A