自供電MR阻尼器對斜拉索減振的試驗研究

汪志昊　陳政清　趙洋　吳澤玉

摘要：為簡化磁流變（MR）阻尼器斜拉索減振系統，同時提高可靠性，基于電磁式振動能量回收技術構建了具有自供電特性的MR阻尼器斜拉索減振系統。其主要由分別安裝在拉索較低、較高位置的電流調節式MR阻尼器、旋轉式永磁發電機構成，采用鏈條一鏈輪機構進行斜拉索面內往復直線運動與電機轉子旋轉運動的轉化，將電機回收的振動能量直接作為MR阻尼器的電源。模型斜拉索減振試驗結果表明：相對外供電MR阻尼器最優被動控制，自供電MR阻尼器除斜拉索第1階模態減振效果基本相當外，自供電MR阻尼器對斜拉索第2～4階模態減振效果突出，相應的模態阻尼比分別提高了31.8%、37.4%與43.O%；隨著斜拉索模態階次的逐漸增大，自供電MR阻尼器的負剛度控制特性越加凸顯，從而顯著提高了自供電MR阻尼器對斜拉索高階模態的減振效果。

關鍵詞：斜拉索；振動控制；自供電MR阻尼器；振動能量回收；負剛度

引言

斜拉索的有效減振技術，對斜拉橋的安全運營至關重要。理論分析與工程實踐均表明，在斜拉索兩端安裝外置式阻尼器是一種較為有效的減振方式。被動阻尼器對斜拉索的振動控制，由于強烈受阻尼器安裝高度的限制，且無法同時對拉索多階模態實現最優控制，因此減振效果往往受限。近年來，基于MR阻尼器的拉索半主動控制逐漸興起。

在MR阻尼器的斜拉索被動控制方面：何旭輝等、周海俊等分別開展了實橋斜拉索人工激振作用下的減振效果試驗；王浩等開展了臺風激勵下斜拉索減振效果實測，證實了蘇通大橋斜拉索減振系統的有效性。在MR阻尼器的拉索半主動控制理論研究方面：王修勇等、周強等與Huang等分別提出了神經網絡、平衡邏輯與模態阻尼比實時最大化等控制算法；在MR阻尼器的斜拉索半主動控制試驗研究方面：Duan等、李惠等、christenson等、禹見達等與weber等分別驗證了狀態微分反饋控制、限界最優控制、LQG-Clipped最優控制、位移延時反饋控制、負剛度控制等算法的減振效果。上述理論與試驗研究均表明：MR阻尼器半主動控制對斜拉索振動具有更優越的減振效果。

現有MR阻尼器均為電磁調節式，需要配置可靠的供電系統，制約了其在橋梁工程中的廣泛應用。回收結構的振動能量作為結構振動控制的能量源，是一種極富前景的解決途徑。Kim等、sapiflski與蔣學爭等分別基于直線電機原理集成了自供電MR阻尼器；關新春等則采用壓電能量回收技術構建了自適應MR阻尼器控制系統。

本文在前期自供電MR阻尼器研制的基礎上，開展了自供電MR阻尼器對模型斜拉索的減振效果試驗，并闡述了自供電MR阻尼器對斜拉索的減振機理以及相對現有斜拉索減振技術的優越性。

1.自供電MR阻尼器拉索減振系統

前期自供電MR阻尼器試驗結果與定性分析表明：基于旋轉式電機振動能量回收技術集成的自供電MR阻尼器被動控制性能優越，兼具速度反饋與離復位控制特性，體現出智能控制的特點。進一步的斜拉索減振仿真分析結果表明：只有當MR阻尼器與電機安裝在不同位置（激振源不同）時，MR阻尼器的位移與輸入電壓才會存在趨于同相位的趨勢，此時自供電MR阻尼器方可體現出負剛度特性。另有研究表明：負剛度特性是MR阻尼器等半主動控制裝置往往能夠實現主動控制裝置減振效果的重要原因，也是增強MR阻尼器拉索減振效果的重要途徑。因此，本文構建的自供電MR阻尼器斜拉索減振系統將MR阻尼器與能量回收電機安裝在拉索的不同位置，以期望實現自供電MR阻尼器的負剛度控制。