淺談磁流變支座對橋梁減隔震的影響

徐 祥 趙偉寧

(1.揚州大學建筑科學與工程學院 江蘇 揚州 225127)(2.哈爾濱工業大學交通科學與工程學院 黑龍江 哈爾濱 150001)

一、引言

經過近幾年交通運輸業的發展，我國的高速鐵路網已經得到初步完善，規模初步形成。到2012年，我國的高速鐵路已經運營9356公里的里程，達到世界首位。高速鐵路戰略的實施，對于橋梁的安全性能提出了更高的要求。

許多學者研究地震激勵所誘發的車橋系統的振動及行車穩定性、地震動的空間變異性對大跨度橋梁的影響時，發現地震發生時，在橋梁上運行的車輛在橋梁振動的頻率和振幅的激發下，產生滾擺振動，振幅超過一定限度就會發生脫軌的危險。地震對車橋體系振動的影響不容忽視。

傳統的橋梁支座無法調節自身橫向剛度、提升強度來抑制結構在大水平剪切力作用下產生的破壞性位移，也無法產生更大的形變阻尼耗散瞬間的振動能量，缺乏良好的隔振能力，成為結構安全體系中的最薄弱環節的。而基于磁流變材料構成的磁流變支座(MRB)具有優異的磁控性能。因此，利用其制作的隔震支座，結合合適的控制算法，可以根據外部的振動情況實時改變磁場進而改變自身的剛度與阻尼特性，具有響應快、可逆性好、可控能力強、穩定性好等優點，已成為結構抗震減災領域的新熱點。

二、減隔震技術

隔震技術并不是加固結構而是減小結構對地震的響應。通過在橋墩和橋梁上部結構之間增設墊層，增大結構的自振周期來避開地震的卓越周期。同時墊層會增加結構的阻尼耗散地震能減小地震作用下梁部的加速度和變形，從而減少橋梁的破壞。減隔震的方式一般有一下三種：(1)增大阻尼。阻尼是振動控制系統能量耗散的直接結果，具有足夠阻尼的減隔震裝置能夠消耗地震能，減小地震對結構的瞬時沖擊，使結構地震反應減小。(2)放大結構的自振周期。隔震裝置水平剛度可變，在強度等級較小的地震作用下可提供足夠的剛度，減小上部結構在地震作用下的水平位移。當地震強度等級較高時上部結構水平滑移，使橋梁結構變成“柔性”結構擴大結構自振周期，降低結構在地震作用下的響應。(3)選用遠小于結構水平剛度的減隔震裝置。此類減隔震裝置可以能夠減小結構在地震作用下響應，使結構從激烈的晃動降低為緩慢的長周期的整體平動。由大變形轉為小變形，保證結構安全。

根據裝置的控制方式、能源的輸入不同，結構減隔震控制主要分為被動、主動、半主動和混合控制這4種。被動控制是一種隨著結構振動而自動作出回應的無外加能源的控制。結構簡單、成本低、維護方便。主動控制人為編制結構振動控制算法實施控制，系統結構復雜，成本昂貴?；旌峡刂剖窃谝粋€結構上同時配置兩種或兩種以上的控制裝置來控制結構的振動反應，充分發揮不同控制裝置的獨特優勢，從而大幅提高減隔震效果。

三、磁流變支座系統

磁流變彈性體(MRE)是一種新型材料，為提出一種能夠控制剛度阻尼的新型隔震裝置提供了可能[1]。其可以通過改變外加磁場，根據結構的實時響應進行控制，改變隔震結構的基本周期，避免與地震周期的重合，從而減輕過度的結構振動。磁流變彈性體憑借其剪切模量可通過外加磁場控制，成為目前比較有前景的新型智能材料。目前，已經設計出可通過改變線圈的電流大小，智能調節支座的水平等效剛度和等效阻尼比的磁流變彈性體智能隔振支座。

其主要有橋梁連接機構、疊層支撐機構、勵磁機構、安裝環四部分組成。疊層機構是由導磁鋼板和磁流變彈性體交替堆疊在一起的。勵磁機構主要由線圈控制電流大小產生電磁；豎向荷載主要由鐵芯、鋼盤、疊層共同承受。

值得一提的是，根據重慶大學徐彥青[2]試驗所得的磁流變支座的參數可知，實際試驗通電線圈中的電流超過3A時，支座會出現磁飽和現象，這可能是大電流會使線圈溫度升高，支座的磁性能受溫度影響明顯所致。如果繼續增大電流的話，支座的剛度和阻尼不會繼續增加，甚至會減小。后續研究者對此現象還需注意。

四、高速鐵路橋梁減隔震設計方法

高速鐵路橋梁抗設計方法已經經過多年的研究，并取得許多寶貴的經驗。起初，通過靜力學方法探究地震動特性完善了靜力學理論。該理論假設結構振動與地震動相似，將總質量與地震動的乘積簡化為慣性力，用慣性力直接擬作作用在結構上的靜力來模擬地震效應。這種簡化的優點在于對結構簡單的建筑效果顯著，對于一些復雜建筑具有很大的局限性。地震動主要有三個基本的要素：持續時間，振幅，頻譜。

五、影響因素和減震效果

大量的磁流變彈性體隔震支座資料顯示影響磁流變彈性體支座隔震效果的因素很多，從支座的力學性能角度出發，隔震支座的特征強度、屈服前剛度，屈服后剛度，直接影響支座的隔震效果。

研究表明高速鐵路橋梁磁流變彈性體隔振支座后，從整體角度看橋梁結構動力響應均有減小[2]。梁體跨中位移、墩頂位移、墩頂加速度、墩底彎矩減震效果明顯，減震控制幅度可超過35%[3]，而梁體跨中加速度、墩底剪力減震效果稍弱。高速鐵路橫向位移控制是保證列車安全舒適性、軌道穩定性、橋梁結構的關鍵。隨著支座電流的增加，梁體跨中橫向位移、墩頂橫向位移不斷減小，位移的減小是由于阻尼增加和結構周期減小，都能降低位移反應。磁流變彈性體隔振支座能夠有效地降低梁體跨中橫向位移、墩頂橫向位移，從而保證橋梁結構和列車的安全。

六、結語

從目前已知的磁流變隔震支座的研究來看，隔震效果較為理想，尤其是梁體跨中位移、墩頂位移、墩頂加速度、墩底彎矩減震效果明顯，減震控制幅度可超過35%，而梁體跨中加速度、墩底剪力減震效果稍弱。高速鐵路橫向位移控制是保證列車安全舒適性、軌道穩定性的關鍵，隨著支座電流的增加，梁體跨中橫向位移、墩頂橫向位移不斷減小，表明磁流變彈性體隔振支座工作電流的增加能夠有效地降低梁體跨中橫向位移和墩頂橫向位移，驗證了支座的有效性。但是，由于缺乏成品磁流變支座參數和高速鐵路設計細則等，許多問題有待于解決。此外如何智能調節電流的大小也需要進一步的研究。但不可否認的是，磁流變隔震支座為橋梁減隔震技術的發展提供了新的可能。