基于MR阻尼器的曲線梁橋半主動控制

梁軍

【摘要】隨著公路交通、城市道路的發展，梁橋成曲線形狀日益廣泛，現已在交通工程中是重要橋型。作為主要災害的震災和風災對橋梁的破壞，近些年受到大家的重視。因此，學者們進行了很多研究，對于傳統的結構設計和土木工程結構都是通過結構自身的塑性變形來吸收地震能量，但當工程結構所受的動力荷載超過一定程度后，此方法就難以達到效果。最近，結構振動控制成為控制領域的新抗震技術。以前，土木工程結構振動控制的形式以被動耗能減振控制為主，而半主動控制和主動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；近年來具有出力大、能耗低的智能材料出現，可能讓結構振動的半主動和主動控制得以實現；現在，采用基于磁流變阻尼器（MR阻尼器）的智能控制方法對土木工程結構振動問題解決已變成一種新途徑。

【關鍵詞】曲線梁橋 MR阻尼器 半主動控制

1.磁流變阻尼器及其原理簡介：

智能材料是一種同時具有感知和驅動功能的新型材料。磁流變（Magnetorheological，簡稱MR）液體是將硅油和亞納米細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、強度高、溫度穩定性好、能量需求少、對通常在制造過程中引入的雜質不敏感等特點，在磁場作用下在瞬間從牛頓流體轉變為剪切屈服應力較高的粘塑性體。由它制成的阻尼器阻尼力大、耐久性好、結構簡單、反應快且連續可調等優點，是極具吸引力、在結構振動控制中表現出巨大潛能的振動控制裝置。

2.全球研究現狀：

阻尼器及半自動控制在曲線梁橋中的應用現狀

曲線梁橋與直線梁橋不同，結構受“彎、扭耦合”作用。結構在活載與恒載作用下，都產生扭轉，使內弧梁的內力減小、外弧梁的內力加大；且結構由于支承約束不合理，失去平衡，產生扭轉，傾覆現象；梁在受到混凝土徐變收縮、溫度變化等作用時梁會相對于梁的不動點和轉動中心產生平面變形和扭轉，使伸縮裝置設置有很大難度。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，大連理工大學郭慧乾在大連理工大學黃才良教授編的平面剛架有限元程序的基礎上，開發了空間剛架有限元分析程序、配套的縱向影響線計算程序和車輛荷載動態加載程序，以便曲線梁橋的探究。采用梁格法對曲線箱梁橋的受力特點進行分析，且對不等高腹與板等高腹板兩種截面形式的優劣進行比較，得出了兩種截面形式各自的適用范圍。對曲線箱梁橋的分析和結構形式的探索得到的圖表及規律，可作為曲線箱梁橋設計的參考。2006年，北京工業大學王麗等人對曲線梁橋地震響應的做了簡化分析，在彈性支座上的剛性橋面系統建立了剛度偏心的簡單曲線梁橋模型，得出了地震響應及自振特性和的簡化計算方法。通過數值模擬對比，全面地分析了各種影響因素及其對曲線梁橋動力響應的影響規律和計算圖表，可在抗震初步設計中作為參考。2006年，亓興軍，李小軍對曲線橋梁彎扭耦合減震半主動控制作了分析，理論研究與震害經驗表明，地震時曲線橋梁會產生彎扭耦合振動。為了減少彎扭耦合的地震反應，提出利用壓電摩擦阻尼器進行曲線橋梁地震反應半主動控制的方法，建立曲線橋梁空間有限元模型，在橋臺支座部位設置半主動控制阻尼器，在不同地震波入射角情況下分析了半主動控制算法的減震效果。結果表明，半主動控制界限Hrovat最優控制算法能有減小曲線橋梁地震反應，其控制效果優于簡單Bang-bang控制算法，而提供最大阻尼力的被動控制方法會增大橋梁地震反應，并不是被動控制阻尼力越大越好。2011年，亓興軍、吳玉華通過曲線連續梁橋的磁流變阻尼器減震控制研究，建立雙支承曲線連續梁橋的減震控制動力仿真模型及空間有限元模型，根據連續梁橋的支座布置在各活動支座的切向設置8組磁流變阻尼器，在縱橋向輸入3種不同頻譜特點的地震動，計算分析了曲線連續梁橋地震反應被動控制、半主動控制和主動控制方法的減震效果。結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。不同頻譜特點地震動輸入下磁流變阻尼器減震效果的差別較大，在設計曲線梁橋減震參數時需合理選擇地震動輸入。因此，磁流變阻尼器被動控制、半主動控制和主動控制3種減震控制方法對于曲線連續梁橋大部分地震反應減震效果的差別較小，這可為簡單易行的阻尼器耗能被動控制方法在曲線梁橋抗震減震設計中的廣泛應用提供理論依據。2012年陳樹剛、亓興軍做了關于曲率半徑變化對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，亓興軍等在2012年提出了利用液體粘滯阻尼器進行曲線梁橋減震控制的方法，建立曲線連續梁橋的空間有限元模型和動力仿真模型，在橋梁墩臺活動支座部位設置切向和徑向液體粘滯減震裝置，輸入三維地震動計算分析了橋梁主動控制、半主動控制和被動控制三種減震方法的減震效果。結果表明，曲線梁橋的地震反應表現出顯著的縱橋向與橫橋向的耦合特性，在減震控制計算時必須同時輸入三維地震動并設置縱橫向減震裝置。粘滯阻尼器能夠控制曲線梁橋內外墩的內力趨于接近，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時程的差別均相對較小，半主動控制和主動控制未表現出明顯的優越性，建議在實際曲線梁橋的抗震減震設計中應用粘滯阻尼器被動控制。

這些研究文獻都對本課題的展開提供很大的幫助。

3.研究方式及技術路線：

1.在充分調研基礎上，作深入的理論研究，如智能半主動控制理論、智能被動控制理論、模糊控制理論；

2.與廠家協作，做關于阻尼器的物理力學試驗研究；

4.擬解決的關鍵技術問題：

1.MR阻尼器的力學模型仿真。

2.智能控制的遲時問題（對車輛荷載尤其是超重車輛作用下，需對車輛上橋前提前實行自動識別，并通過稱重、傳感等手段，提前對橋梁施加智能控制，以解決遲時問題）。

5.總結：

對于此研究的可行性：第一，對橋梁減隔振及磁流變阻尼器進行了一定的學習，并掌握了一相關的理論知識。通過大量的文獻閱讀，能夠對有關基于磁流變阻尼器的結構振動控制的研究有所認識；第二，大型工程軟件的開發應用，有限元技術不斷改進，繁雜的數值計算理論得以實現，大規模的參數分析解決了許多現實問題。第三，隨著地震的頻繁發生，結構抗震，特別是橋梁結構的減隔振是土木工程界研究的熱點問題之一，對橋梁抗震有著廣泛的工程背景，有大量的文獻可參考。

參考文獻

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