淺談橋梁結構振動控制畢業(yè)論文設計（范文）

1、淺談橋梁結構振動控制【摘 要】闡述橋梁結構的被動控制裝置、主動控制裝置、半主動控制裝置、混合控制裝置以及控制裝置的試驗與應用，并介紹傳統(tǒng)控制算法及智能控制算法，及對橋梁結構振動控制的發(fā)展趨勢?！娟P鍵詞】橋梁結構 結構振動 控制 橋梁結構的振動是引起橋梁損壞（破壞）的一個重要因素，引起橋梁振動的因素主要有：地震引起的振動、荷載引起的振動及車-橋耦合作用引起的振動。傳統(tǒng)的橋梁結構的抗震設計方法在某些情況下達不到理想的抗震效果。20世紀50年代，日本kobori提出了結構變剛度減振概念，即在結構上附加非線性元件以減輕其振動；到了60年代，美國kelly提出了疊層橡膠支座隔震的方法，這種方法在以后的橋

2、梁設計中得到了廣泛應用；1972年美國教授提出了土木工程振動控制的概念。此后，結構振動控制的研究從理論、試驗到應用等方面得到了突飛猛進的發(fā)展。近年來，美國、日本、新生西蘭等發(fā)達國家對橋梁結構振動控制方面進行了廣泛的研究，尤其是在橋梁隔震以及大跨度橋梁的風振控制等方面取得了顯著的成就。1橋梁結構振動控制裝置及其研究11被動控制裝置（1） 隔震體系橋梁的隔震裝置主要有：疊層橡膠支座（普通疊層橡膠支座，鉛芯疊層橡膠支座）；螺旋彈簧支座；滑、轉動支座（普通滑動支座，回彈滑動支座，曲線滑動支座），其中，疊層橡膠支座的應用比較廣泛。普通疊層橡膠支座：由薄板橡膠與薄鋼板疊合而成。由于鋼板的約束，使其具有較大

3、的堅向剛度，因構造簡單，性能穩(wěn)定，目前已在公路、鐵路以及城市橋梁中得到廣泛應用。鉛芯疊層橡膠支座：在普通疊層橡膠支座中豎向灌入鉛棒而形成的一種支座（見圖1）。由于鉛棒具有良好初始剛度，因而這種支座能夠抵御一定強度的地震及風振。鉛芯橡膠支座兼有隔震和耗能的功能，同時它們還支撐著上部結構的重量，并提供彈性恢復力。圖1 鉛芯橡膠支座新西蘭河上的te teko橋在1987年遭受了里氏6.37級的地震，該橋由于橋墩處的16年支座采用了鉛芯疊層橡膠支座，大大降低了上部結構的地震力，結構只受到很小的破壞，而相鄰的其它建筑破壞嚴重，這座大橋是隔震技術就用的一個很好的例證。高阻尼疊屋橡膠支座：這種支座是由我國橋

4、梁專家范立礎和袁萬城發(fā)明的一種新型減震橡膠支座（見圖2）。它保留了板式橡膠支座特點，豎向具有足夠剛度，并具有一定性；同時，具有弧形鋼板條阻尼器滯回阻尼特性，通這實驗分析，其耗能性能較座板式橡膠支座提高46倍。圖2 高阻尼疊層橡膠支座（2） 被動能量耗散體系被動能量耗散體系有金屬屈服阻尼器，粘彈性阻尼器，粘性液體阻尼器，摩擦阻尼器，調諧質量阻尼器，調諧液體阻尼器及其它能量耗散裝置。金屬屈服阻尼器：結構地震反應能量耗散的有效方法之一是種用金屬的非彈性變形。常見的耗能裝置有：adas耗能裝置、鉛擠壓阻尼器、形狀記憶合金（sma）耗能器等。adas耗能裝置是由多層x形鋼板組成，它種用鋼板在地震中發(fā)生的

5、彈塑性變形來達到耗能的目的（見圖3）。圖3 adas耗能裝置粘彈性阻尼器：種用粘彈性阻尼材料的耗能與其他材料（如鋼板）組合而成的結構耗能元件。把它放在結構的適當位置，當結構受激勵運動時，粘彈性阻尼器就能消耗振動能量而達到減震的目的。粘彈性材料結合了粘性液體的耗能特性和彈性材料的貯能性能，在抗風和抗震方面起到良好的效果。粘彈性阻尼器耗能是通過粘彈性層的剪切變形來實現的。粘性液體阻尼器：是一種用途較為廣泛的耗能減震裝置。近年來已開始應用于橋梁結構的振動控制。它的耗能是通過高粘度液體的位置改變而實現的。粘性液體阻尼器在橋梁工程應用研究方面取得了一定進展。kobuyashi等于1994年將一個類似于液

6、體粘滯阻尼器的油阻尼器應用了一個中跨為410米的斜拉橋的1：100模型的試驗研究中，對于地震及風振效應，期控制效果明顯。日本東京都1號高速公路的一座連續(xù)橋應用了油壓減振器（粘滯液體阻尼器），并進行減振試驗研究，結果表明，使用粘滯液體阻尼器可以減小結構位移20%30%。調諧質量阻尼器（tmd）：是在結構上部加一質量塊，并配以阻尼器或是與主體結構邊接，利用共振原理對結構的某一振型加以控制通常橋梁結構的tmd控制多應用于大跨度橋梁，用于減小橋梁的地震和風振反應。tmd存在的問題是：對微小振動的靈敏度不高。1994年，研究了應用tmd系統(tǒng)斜拉橋在9種有同地震記錄下的反應，研究表明，tmd系統(tǒng)在不同地震

7、記錄下減小結構反應的有效性有很大不同，而且在脈動荷載下，tmd的不效性就會降低。應用了tmd系統(tǒng)的結構的第一振型反應得到了有效的控制，但對于高階振型反應沒有得到有效的抑制，甚至反應被放大。為了克服tmd系統(tǒng)的這一缺陷，于1988年提出可多維調諧質量阻尼器最優(yōu)控制的概念，即mtmd。于1994年提出了dtmd的概念，研究結果表明dtmd系統(tǒng)比傳統(tǒng)的單獨tmd系統(tǒng)在整個質量比范圍內更有效。為抵抗風振反應，1988年橋主塔上安裝了tmd系統(tǒng)通過野外觀察和振動試驗表明：tmd系統(tǒng)可以使塔的阻尼比增加3%，而塔本身內在阻尼比在建成時為1%。英國的斜拉橋，主跨240米，主跨共設置了8個tmd裝置，采用懸掛

8、方式，使渦激振幅從20降低到幾厘為。此外，我國上海的南浦大橋、楊浦大橋也進行了tmd控制方案的研究。12主動控制裝置主動控制裝置有主動調諧質量控制系統(tǒng)（amd）、主動錨索控制系統(tǒng)（atd）、氣體脈沖發(fā)生器、主動可變系統(tǒng)、空氣動力擋風板系統(tǒng)、主動支撐系統(tǒng)和無能源主動系統(tǒng)等。amd系統(tǒng)：將調諧質量阻尼器連接到伺服系統(tǒng)上構成的主動控制裝置，通過伺服系統(tǒng)提供的控制作用力，調整主體結構與慣性質量間的能量分配。這種裝置對抗震及抗風均有良好效果，但它需要巨大的質量塊及推動質量塊所需的能量，因此，初期投資及日后的運行、維修費用較高。主動錨索控制系統(tǒng)：通過改變擋風板的受力面積和方向來調整纜索張力的變化，種用纜索

9、對結構施加控制作用，該裝置對阻尼和剛度的誤差不敏感，對時滯較敏感。該系統(tǒng)可以提供橫向及扭轉控制力，控制效果較為理想，適用于斜拉橋主塔振動控制。主動支撐系統(tǒng)：在抵抗側向力的構件上增加斜撐，種用電液伺服控制機構控制斜撐的收縮，該裝置適用于大跨度橋梁。13半主動及混合控制裝置比較典型的半主動控制裝置有可變孔徑液體阻尼器、可控摩擦裝置、主動變剛度裝置、可控調諧液體阻尼器、可控液體阻尼器以及可控沖擊阻尼器?？勺兛讖揭后w阻尼器：它是通過使用一個可控機電變孔徑閥門改傳統(tǒng)液壓液體阻尼器的液體流來改變阻尼的。1997年，科研人員對美國州際公路的一座1跨35米的橋梁進行了大規(guī)模的試驗研究，所安裝的isb系統(tǒng)總測試

10、過程超過2個月。研究表明，用某種方式將半主動運作系統(tǒng)和一個可變孔徑液體阻尼器進行組合，isb系統(tǒng)獎達到完美的控制效果，這種控制裝置的控制邏輯非常簡單、安全，系統(tǒng)的運轉可以延長橋梁的服務壽命達數十年?？煽匾后w阻尼器：是新型結構振動控制裝置（見圖4），當可控液體通以電場或磁場，在毫秒級時間內這種液體可以從自由流動線性粘滯液體轉變成有一定可控屈服強度的半固體性質。目前研究比較深入的可控液體有兩類：（1）電流變液體；（2）磁流變液體。用這些可控液體制作的減振驅動器，結構簡單，阻尼力連續(xù)，順、逆可調。圖4 可控液體阻尼器1999年設置了mr液體阻尼器的兩跨簡支梁橋的1：12模型作了振動臺試驗。研究結構表

11、明，在ei地震波作用下，無論對于開環(huán)控制系統(tǒng)還是閉環(huán)控制系統(tǒng)，這兩種控制策略都能降低橋面板和橋梁墩（臺）的相對位移，并且可以通過限制峰值阻尼力來限制峰值加速度。混合控制裝置（hmd）：hmd是在大規(guī)模土木工程中應用最普遍的一種控制裝置，它是tmd與主動控制器的結合。這種裝置主要依靠tmd系統(tǒng)的自然運動來降低結構的反應。hmd系統(tǒng)所需的能量及作用力要遠小于完全tmd驅動器。hmd系統(tǒng)已成功地應用于橋梁的振動控制。2 橋梁結構控制算法21傳統(tǒng)控制算法 土木工程結構常用振動控制算法分成兩類：經典算法，即采用經典控制理論，使用基于頻率域內傳遞函數模式的分析法；現代算法，是根據現代控制理論，在時間域內采

12、用狀態(tài)空間法來描述系統(tǒng)動力特性。常用的控制算法有經典二次型線性最優(yōu)控制法、h控制法、瞬時最優(yōu)控制法、獨立模態(tài)空間控制法、極點配置法、隨機最優(yōu)控制法、界限控制法、適應控制法、預測實時控制法、百線性優(yōu)化控制法。傳統(tǒng)控制算法的特點是基于模型的控制，它能夠較好解決簡單振型、線性、時不變系統(tǒng)的振動控制問題，但對于高度非線、強耦合、時變以及分布參數等統(tǒng)統(tǒng)且當控制對象比較復雜時，傳統(tǒng)控制算法難以解決這些問題，智能控制方法可以有效地解決傳統(tǒng)算法難以解決的問題。22智能控制算法 智能控制算法主要包括：人工神經網絡控制、模糊邏輯控制法和演化優(yōu)化控制（包括遺傳算法、模擬退火算法等）。智能控制概念應用了人工智能領域的

13、一些技術，通過感知、理解、計劃并且以智能的或有創(chuàng)造力的方式發(fā)生作用，智能控制可以被理解成自適應和自我組織的系統(tǒng)，種用少量預先有的知識，通過與周圍環(huán)境的相互作用而學習。人工神經網絡是在人腦生物學基礎上發(fā)展起來的一種研究方法。人工神經網絡控制具有很強的非線性逼近、自學習和自適應能力。在多變量、強非線性、大滯后系統(tǒng)的控制中顯示了明顯的優(yōu)勢和應用前景。模糊邏輯使用不確定的數據和“軟”計算技術推理和導出控制行為，其基本思想是把人類專家對待定的控制對象或過程的控制策略總結成一系列的以條件作用形式表達的控制規(guī)則，通過模糊推理得到控制作用集，作用于被控制對象或過程。模糊控制具有在線效果好、便于硬件實現等特點。3 橋梁結構振動控制展望橋梁結構振動控制雖然還是一個比較新的研究方向，但從產生的作用來看，橋梁結構控制有著廣闊的發(fā)展前景，將給工程領域帶來深遠的影響。其研究發(fā)展趨勢可總結為以下幾點。（1）控制裝置的改進?？刂蒲b置的改進可以有效提高控制的效果，如橡膠鋼板隔震支座內加鉛芯塞或變載面鉛芯塞以增加其耗能，鋼索可以由被動的鋼索改進為主動的鋼索控制等；（2）加強對混合控制裝置的研究。結合各種控制裝置的特點，取其長處，聯合應用。如：at、amd、atmd、abs、saca、hms隔震裝置與粘滯阻尼器配合使用等。（3）智能材料裝置和策略的研究與應用。結構的振動