減振控制技術(shù)在斜拉橋拉索用磁流變阻尼器上的應(yīng)用

白曉軍

（寧波大學(xué) 海運(yùn)學(xué)院，浙江 寧波 315000）

1 斜拉橋拉索用磁流變阻尼器

1.1 斜拉橋拉索的特點(diǎn)

斜拉橋(cable stayed bridge)作為一種拉索體系，比梁式橋的跨越能力更大，是大跨度橋梁的最主要橋型。斜拉橋是將主梁用許多拉索直接拉在橋塔上的一種橋梁，是由承壓的塔、受拉的索和承彎的梁體組合起來(lái)的一種結(jié)構(gòu)體系。其可看作是拉索代替支墩的多跨彈性支承連續(xù)梁。其可使梁體內(nèi)彎矩減小，降低建筑高度，減輕了結(jié)構(gòu)重量，節(jié)省了材料。斜拉橋由索塔、主梁、斜拉索組成。

斜拉橋是將梁用若干根斜拉索拉在塔柱上的橋。它由梁、斜拉索和塔柱三部分組成。斜拉橋是一種自錨式體系，斜拉索的水平力由梁承受、梁除支承在墩臺(tái)上外，還支承在由塔柱引出的斜拉索上。按梁所用的材料不同可分為鋼斜拉橋、結(jié)合梁斜拉橋和混凝土梁斜拉橋。

隨著我國(guó)交通基礎(chǔ)設(shè)施建筑的高速發(fā)展，斜拉橋以其優(yōu)美的造型，較大的跨越能力，良好的結(jié)構(gòu)受力性能，抗震能力強(qiáng)及施工方法成熟等特點(diǎn)，在高等級(jí)公路和城市道路跨越江河的橋梁建設(shè)中占據(jù)了重要地位，得到了廣泛應(yīng)用。著名的斜拉橋有中國(guó)的蘇通大橋、香港昂船洲大橋、武漢白沙洲長(zhǎng)江大橋、福州青洲閩江大橋，日本的多多羅大橋和法國(guó)的諾曼底大橋等。部分斜拉橋從受力角度看，既不屬于斜拉橋也不屬連續(xù)梁橋的特點(diǎn)，而實(shí)質(zhì)是連續(xù)梁橋的體外掛索。斜拉索是斜拉索橋的重要組成部分，控制好斜拉索的質(zhì)量，尤其是斜拉索用磁流變減振器的控制，對(duì)確保整個(gè)橋質(zhì)量有非常重要的作用。從施工實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)證明，控制好斜拉索的質(zhì)量，必須從材料設(shè)備保證，施工工藝措施和施工安全三個(gè)環(huán)節(jié)抓起，才能使斜拉索的安裝質(zhì)量符合設(shè)計(jì)要求。

斜拉橋的鋼索一般采用自錨體系。近年來(lái)，開(kāi)始出現(xiàn)自錨和部分地錨相結(jié)合的斜拉橋，如西班牙的魯納（Luna）橋，主橋440m；我國(guó)湖北鄖縣橋，主跨414m。地錨體系把懸索橋的地錨特點(diǎn)融于斜拉橋中，可以使斜拉橋的跨徑布置更能結(jié)合地形條件，靈活多樣，節(jié)省費(fèi)用。 斜拉橋的施工方法：混凝土斜拉橋主要采用懸臂澆筑和預(yù)制拼裝；鋼箱和混合梁斜位橋的鋼箱采用正交異性板，工廠焊接成段，現(xiàn)場(chǎng)吊裝架設(shè)。鋼箱與鋼箱的連接，一是螺栓，二是全焊，三是栓焊結(jié)合。 一般說(shuō)，斜拉橋跨徑300～1000m是合適的，在這一跨徑范圍，斜拉橋與懸索橋相比，斜拉橋有較明顯優(yōu)勢(shì)。

1.2 磁流變阻尼器

大跨度斜拉橋拉索具有較小的質(zhì)量和極低的阻尼，在風(fēng)、風(fēng)雨及橋面振動(dòng)等外部激勵(lì)下極易發(fā)生振動(dòng)，如渦激共振、尾流馳振、參數(shù)共振和風(fēng)雨振等，拉索的大幅振動(dòng)對(duì)拉索的使用壽命和橋梁安全運(yùn)營(yíng)構(gòu)成極大威脅，它已成為大跨度斜拉橋急需解決的關(guān)鍵問(wèn)題之一。因此，研究拉索振動(dòng)的機(jī)理及其振動(dòng)控制措施對(duì)于斜拉橋的建設(shè)和維護(hù)具有重要意義。 研究證明，控制拉索振動(dòng)最直接和最有效的方法是增加拉索的阻尼。目前增加拉索阻尼的常用辦法是在拉索和橋面間安裝被動(dòng)阻尼器，如油阻尼器。

阻尼器，是以提供運(yùn)動(dòng)的阻力、耗減運(yùn)動(dòng)能量的裝置。在航天、航空、汽車(chē)等行業(yè)中早已應(yīng)用各種各樣的阻尼器(或減震器)來(lái)減振消能。，使自由振動(dòng)衰減的各種摩擦和其他阻礙作用，我們稱(chēng)之為阻尼。而安置在結(jié)構(gòu)系統(tǒng)上的“特殊”構(gòu)件可以提供運(yùn)動(dòng)的阻力，耗減運(yùn)動(dòng)能量的裝置，我們稱(chēng)為阻尼器。

磁流變液（Magnetorheological Fluid,簡(jiǎn)稱(chēng)MR流體）屬可控流體，是智能材料中研究較為活躍的一支。磁流變液是由高磁導(dǎo)率、低磁滯性的微小軟磁性顆粒和非導(dǎo)磁性液體混合而成的懸浮體。 這種懸浮體在零磁場(chǎng)條件下呈現(xiàn)出低粘度的牛頓流體特性；而在強(qiáng)磁場(chǎng)作用下，則呈現(xiàn)出高粘度、低流動(dòng)性的Binghan體特性。 由于磁流變液在磁場(chǎng)作用下的流變是瞬間的、可逆的、而且其流變后的剪切屈服強(qiáng)度與磁場(chǎng)強(qiáng)度具有穩(wěn)定的對(duì)應(yīng)關(guān)系， 磁流變技術(shù)是一種以新型智能材料為基礎(chǔ)的工程應(yīng)用技術(shù)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

2 減振控制技術(shù)介紹

2.1 常見(jiàn)減振控制技術(shù)

被動(dòng)振動(dòng)控制、主動(dòng)控制技術(shù)、主動(dòng)控制技術(shù)、混合振動(dòng)控制技術(shù)等幾種。

2.2 優(yōu)缺點(diǎn)介紹

被動(dòng)控制是一種無(wú)外加能源的控制方式,其控制力是由控制裝置隨結(jié)構(gòu)一起振動(dòng)變形而被動(dòng)產(chǎn)生的，被動(dòng)控制易于工程實(shí)現(xiàn),而得到廣泛應(yīng)用。主動(dòng)控制系統(tǒng)包括控制對(duì)象、傳感器、作動(dòng)器、控制器及能源五個(gè)部分組成。半主動(dòng)控制同時(shí)具有被動(dòng)控制和主動(dòng)控制的優(yōu)點(diǎn)。 由于控制裝置本身具有可調(diào)的特點(diǎn),可以用比主動(dòng)控制少的多的能量(一般為幾百瓦左右,如利用車(chē)載蓄電池即可)產(chǎn)生較大的控制力。目前提出的混合控制方法主要有:同時(shí)采用 AMD和 TMD的混合控制系統(tǒng)、主動(dòng)控制和基礎(chǔ)隔震相結(jié)合的混合控制系統(tǒng)以及主動(dòng)控制和耗能減震相結(jié)合的混合控制系統(tǒng)。

3 仿真試驗(yàn)

為了測(cè)試神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)半主動(dòng)控制算法的控制效果，本文與被動(dòng)控制算法進(jìn)行比對(duì)。仿真結(jié)果表明，本文算法具有較小的垂向加速度，仿真結(jié)果如圖3 所示。

圖3 控制仿真對(duì)比

4 結(jié)語(yǔ)

本文詳細(xì)的介紹了斜拉橋拉索、磁流變阻尼器和減振控制技術(shù)的原理，仿真及實(shí)驗(yàn)表明神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)半主動(dòng)控制算法對(duì)斜拉橋拉索用磁流變阻尼器具有很好的實(shí)用性。