橋梁震動控制 論文

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1、淺談橋梁結(jié)構(gòu)振動控制五處西南公司張恩惠【摘要】闡述橋梁結(jié)構(gòu)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(yīng)用，并介紹傳統(tǒng)控制算法及智能控制算法，及對橋梁結(jié)構(gòu)振動控制的發(fā)展趨勢?！娟P(guān)鍵詞】橋梁結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)振動控制橋梁結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的抗震設(shè)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(jié)構(gòu)變剛度減振概念，即在結(jié)構(gòu)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

2、的方法，這種方法在以后的橋梁設(shè)計中得到了廣泛應(yīng)用；1972年美國教授提出了土木工程振動控制的概念。此后，結(jié)構(gòu)振動控制的研究從理論、試驗到應(yīng)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(jié)構(gòu)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(fēng)振控制等方面取得了顯著的成就。1橋梁結(jié)構(gòu)振動控制裝置及其研究1．1被動控制裝置（1）隔震體系8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(zhuǎn)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(yīng)用比較廣泛。普通疊層橡膠支座：由薄板橡膠與

3、薄鋼板疊合而成。由于鋼板的約束，使其具有較大的堅向剛度，因構(gòu)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(yīng)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(fēng)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(jié)構(gòu)的重量，并提供彈性恢復(fù)力。圖1鉛芯橡膠支座新西蘭河上的TeTeko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(jié)構(gòu)的地震力，結(jié)構(gòu)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(shù)就用

4、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梁專家范立礎(chǔ)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4—6倍。8圖2高阻尼疊層橡膠支座（1）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(diào)諧質(zhì)量阻尼器，調(diào)諧液體阻尼器及其它能量耗散裝置。金屬屈服阻尼器：結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)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）

5、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)生的彈塑性變形來達到耗能的目的（見圖3）。圖3ADAS耗能裝置8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(jié)構(gòu)耗能元件。把它放在結(jié)構(gòu)的適當(dāng)位置，當(dāng)結(jié)構(gòu)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(jié)合了粘性液體的耗能特性和彈性材料的貯能性能，在抗風(fēng)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(xiàn)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(yīng)用于橋梁結(jié)構(gòu)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(xiàn)的。粘性液體阻

6、尼器在橋梁工程應(yīng)用研究方面取得了一定進展。Kobuyashi等于1994年將一個類似于液體粘滯阻尼器的油阻尼器應(yīng)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(fēng)振效應(yīng)，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(yīng)用了油壓減振器（粘滯液體阻尼器），并進行減振試驗研究，結(jié)果表明，使用粘滯液體阻尼器可以減小結(jié)構(gòu)位移20%～30%。8調(diào)諧質(zhì)量阻尼器（TMD）：是在結(jié)構(gòu)上部加一質(zhì)量塊，并配以阻尼器或是與主體結(jié)構(gòu)邊接，利用共振原理對結(jié)構(gòu)的某一振型加以控制通常橋梁結(jié)構(gòu)的TMD控制多應(yīng)用于大跨度橋梁，用于減小橋梁的地震和風(fēng)振反應(yīng)。TMD存在的問題是：對微小振動的

7、靈敏度不高。1994年，研究了應(yīng)用TMD系統(tǒng)斜拉橋在9種有同地震記錄下的反應(yīng)，研究表明，TMD系統(tǒng)在不同地震記錄下減小結(jié)構(gòu)反應(yīng)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(yīng)用了TMD系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的第一振型反應(yīng)得到了有效的控制，但對于高階振型反應(yīng)沒有得到有效的抑制，甚至反應(yīng)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(diào)諧質(zhì)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(jié)果表明DTMD系統(tǒng)比傳統(tǒng)的單獨TMD系統(tǒng)在整個質(zhì)量比范圍內(nèi)更有效。