淺談橋梁結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制畢業(yè)論文設(shè)計(jì)（范文）

1、淺談橋梁結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制【摘 要】闡述橋梁結(jié)構(gòu)的被動(dòng)控制裝置、主動(dòng)控制裝置、半主動(dòng)控制裝置、混合控制裝置以及控制裝置的試驗(yàn)與應(yīng)用，并介紹傳統(tǒng)控制算法及智能控制算法，及對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制的發(fā)展趨勢(shì)?！娟P(guān)鍵詞】橋梁結(jié)構(gòu) 結(jié)構(gòu)振動(dòng) 控制 橋梁結(jié)構(gòu)的振動(dòng)是引起橋梁損壞（破壞）的一個(gè)重要因素，引起橋梁振動(dòng)的因素主要有：地震引起的振動(dòng)、荷載引起的振動(dòng)及車(chē)-橋耦合作用引起的振動(dòng)。傳統(tǒng)的橋梁結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)方法在某些情況下達(dá)不到理想的抗震效果。20世紀(jì)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(xiàn)性元件以減輕其振動(dòng)；到了60年代，美國(guó)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(shè)計(jì)中得到了廣泛應(yīng)用；1972年美國(guó)教授提出了土木工程振動(dòng)控制的概念。此后，結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制的研究從理論、試驗(yàn)到應(yīng)用等方面得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。近年來(lái)，美國(guó)、日本、新生西蘭等發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制方面進(jìn)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(dòng)控制裝置及其研究11被動(dòng)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(zhuǎn)動(dòng)支座（普通滑動(dòng)支座，回彈滑動(dòng)支座，曲線(xiàn)滑動(dòng)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：由薄板橡膠與薄鋼板疊合而成。由于鋼板的約束，使其具有較大

3、的堅(jiān)向剛度，因構(gòu)造簡(jiǎn)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(jiàn)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(qiáng)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(shí)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Te Teko橋在1987年遭受了里氏6.37級(jí)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(yán)重，這座大橋是隔震技術(shù)就用的一個(gè)很好的例證。高阻尼疊屋橡膠支座：這種支座是由我國(guó)橋

4、梁專(zhuān)家范立礎(chǔ)和袁萬(wàn)城發(fā)明的一種新型減震橡膠支座（見(jiàn)圖2）。它保留了板式橡膠支座特點(diǎn)，豎向具有足夠剛度，并具有一定性；同時(shí)，具有弧形鋼板條阻尼器滯回阻尼特性，通這實(shí)驗(yàn)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(dòng)能量耗散體系被動(dòng)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(jiàn)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(jué)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(lái)達(dá)到耗能的目的（見(jiàn)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(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(lì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，粘彈性阻尼器就能消耗振動(dòng)能量而達(dá)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(guò)粘彈性層的剪切變形來(lái)實(shí)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(lái)已開(kāi)始應(yīng)用于橋梁結(jié)構(gòu)的振動(dòng)控制。它的耗能是通過(guò)高粘度液體的位置改變而實(shí)現(xiàn)的。粘性液體阻尼器在橋梁工程應(yīng)用研究方面取得了一定進(jìn)展。Kobuyashi等于1994年將一個(gè)類(lèi)似于液

6、體粘滯阻尼器的油阻尼器應(yīng)用了一個(gè)中跨為410米的斜拉橋的1：100模型的試驗(yàn)研究中，對(duì)于地震及風(fēng)振效應(yīng)，期控制效果明顯。日本東京都1號(hào)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(jìn)行減振試驗(yàn)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%。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(duì)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(wèn)題是：對(duì)微小振動(dòng)的靈敏度不高。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

7、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(dòng)荷載下，TMD的不效性就會(huì)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(duì)于高階振型反應(yīng)沒(méi)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(dú)TMD系統(tǒng)在整個(gè)質(zhì)量比范圍內(nèi)更有效。為抵抗風(fēng)振反應(yīng)，1988年橋主塔上安裝了TMD系統(tǒng)通過(guò)野外觀察和振動(dòng)試驗(yàn)表明：TMD系統(tǒng)可以使塔的阻尼比增加3%，而塔本身內(nèi)在阻尼比在建成時(shí)為1%。英國(guó)的斜拉橋，主跨240米，主跨共設(shè)置了8個(gè)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(guó)上海的南浦大橋、楊浦大橋也進(jìn)行了TMD控制方案的研究。12主動(dòng)控制裝置主動(dòng)控制裝置有主動(dòng)調(diào)諧質(zhì)量控制系統(tǒng)（AMD）、主動(dòng)錨索控制系統(tǒng)（ATD）、氣體脈沖發(fā)生器、主動(dòng)可變系統(tǒng)、空氣動(dòng)力擋風(fēng)板系統(tǒng)、主動(dòng)支撐系統(tǒng)和無(wú)能源主動(dòng)系統(tǒng)等。AMD系統(tǒng)：將調(diào)諧質(zhì)量阻尼器連接到伺服系統(tǒng)上構(gòu)成的主動(dòng)控制裝置，通過(guò)伺服系統(tǒng)提供的控制作用力，調(diào)整主體結(jié)構(gòu)與慣性質(zhì)量間的能量分配。這種裝置對(duì)抗震及抗風(fēng)均有良好效果，但它需要巨大的質(zhì)量塊及推動(dòng)質(zhì)量塊所需的能量，因此，初期投資及日后的運(yùn)行、維修費(fèi)用較高。主動(dòng)錨索控制系統(tǒng)：通過(guò)改變擋風(fēng)板的受力面積和方向來(lái)調(diào)整纜索張力的變化，種用纜索

9、對(duì)結(jié)構(gòu)施加控制作用，該裝置對(duì)阻尼和剛度的誤差不敏感，對(duì)時(shí)滯較敏感。該系統(tǒng)可以提供橫向及扭轉(zhuǎn)控制力，控制效果較為理想，適用于斜拉橋主塔振動(dòng)控制。主動(dòng)支撐系統(tǒng)：在抵抗側(cè)向力的構(gòu)件上增加斜撐，種用電液伺服控制機(jī)構(gòu)控制斜撐的收縮，該裝置適用于大跨度橋梁。13半主動(dòng)及混合控制裝置比較典型的半主動(dòng)控制裝置有可變孔徑液體阻尼器、可控摩擦裝置、主動(dòng)變剛度裝置、可控調(diào)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(guò)使用一個(gè)可控機(jī)電變孔徑閥門(mén)改傳統(tǒng)液壓液體阻尼器的液體流來(lái)改變阻尼的。1997年，科研人員對(duì)美國(guó)州際公路的一座1跨35米的橋梁進(jìn)行了大規(guī)模的試驗(yàn)研究，所安裝的ISB系統(tǒng)總測(cè)試

10、過(guò)程超過(guò)2個(gè)月。研究表明，用某種方式將半主動(dòng)運(yùn)作系統(tǒng)和一個(gè)可變孔徑液體阻尼器進(jìn)行組合，ISB系統(tǒng)獎(jiǎng)達(dá)到完美的控制效果，這種控制裝置的控制邏輯非常簡(jiǎn)單、安全，系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)可以延長(zhǎng)橋梁的服務(wù)壽命達(dá)數(shù)十年?？煽匾后w阻尼器：是新型結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制裝置（見(jiàn)圖4），當(dāng)可控液體通以電場(chǎng)或磁場(chǎng)，在毫秒級(jí)時(shí)間內(nèi)這種液體可以從自由流動(dòng)線(xiàn)性粘滯液體轉(zhuǎn)變成有一定可控屈服強(qiáng)度的半固體性質(zhì)。目前研究比較深入的可控液體有兩類(lèi)：（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(qū)動(dòng)器，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，阻尼力連續(xù)，順、逆可調(diào)。圖4 可控液體阻尼器1999年設(shè)置了MR液體阻尼器的兩跨簡(jiǎn)支梁橋的1：12模型作了振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)。研究結(jié)構(gòu)表

11、明，在EI地震波作用下，無(wú)論對(duì)于開(kāi)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(tái)）的相對(duì)位移，并且可以通過(guò)限制峰值阻尼力來(lái)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(yīng)用最普遍的一種控制裝置，它是TMD與主動(dòng)控制器的結(jié)合。這種裝置主要依靠TMD系統(tǒng)的自然運(yùn)動(dòng)來(lái)降低結(jié)構(gòu)的反應(yīng)。HMD系統(tǒng)所需的能量及作用力要遠(yuǎn)小于完全TMD驅(qū)動(dòng)器。HMD系統(tǒng)已成功地應(yīng)用于橋梁的振動(dòng)控制。2 橋梁結(jié)構(gòu)控制算法21傳統(tǒng)控制算法 土木工程結(jié)構(gòu)常用振動(dòng)控制算法分成兩類(lèi)：經(jīng)典算法，即采用經(jīng)典控制理論，使用基于頻率域內(nèi)傳遞函數(shù)模式的分析法；現(xiàn)代算法，是根據(jù)現(xiàn)代控制理論，在時(shí)間域內(nèi)采

12、用狀態(tài)空間法來(lái)描述系統(tǒng)動(dòng)力特性。常用的控制算法有經(jīng)典二次型線(xiàn)性最優(yōu)控制法、H控制法、瞬時(shí)最優(yōu)控制法、獨(dú)立模態(tài)空間控制法、極點(diǎn)配置法、隨機(jī)最優(yōu)控制法、界限控制法、適應(yīng)控制法、預(yù)測(cè)實(shí)時(shí)控制法、百線(xiàn)性?xún)?yōu)化控制法。傳統(tǒng)控制算法的特點(diǎn)是基于模型的控制，它能夠較好解決簡(jiǎn)單振型、線(xiàn)性、時(shí)不變系統(tǒng)的振動(dòng)控制問(wèn)題，但對(duì)于高度非線(xiàn)、強(qiáng)耦合、時(shí)變以及分布參數(shù)等統(tǒng)統(tǒng)且當(dāng)控制對(duì)象比較復(fù)雜時(shí)，傳統(tǒng)控制算法難以解決這些問(wèn)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(wèn)題。22智能控制算法 智能控制算法主要包括：人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)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(yīng)用了人工智能領(lǐng)域的

13、一些技術(shù)，通過(guò)感知、理解、計(jì)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(yīng)和自我組織的系統(tǒng)，種用少量預(yù)先有的知識(shí)，通過(guò)與周?chē)h(huán)境的相互作用而學(xué)習(xí)。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是在人腦生物學(xué)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種研究方法。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制具有很強(qiáng)的非線(xiàn)性逼近、自學(xué)習(xí)和自適應(yīng)能力。在多變量、強(qiáng)非線(xiàn)性、大滯后系統(tǒng)的控制中顯示了明顯的優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用前景。模糊邏輯使用不確定的數(shù)據(jù)和“軟”計(jì)算技術(shù)推理和導(dǎo)出控制行為，其基本思想是把人類(lèi)專(zhuān)家對(duì)待定的控制對(duì)象或過(guò)程的控制策略總結(jié)成一系列的以條件作用形式表達(dá)的控制規(guī)則，通過(guò)模糊推理得到控制作用集，作用于被控制對(duì)象或過(guò)程。模糊控制具有在線(xiàn)效果好、便于硬件實(shí)現(xiàn)等特點(diǎn)。3 橋梁結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制展望橋梁結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制雖然還是一個(gè)比較新的研究方向，但從產(chǎn)生的作用來(lái)看，橋梁結(jié)構(gòu)控制有著廣闊的發(fā)展前景，將給工程領(lǐng)域帶來(lái)深遠(yuǎn)的影響。其研究發(fā)展趨勢(shì)可總結(jié)為以下幾點(diǎn)。（1）控制裝置的改進(jìn)?？刂蒲b置的改進(jìn)可以有效提高控制的效果，如橡膠鋼板隔震支座內(nèi)加鉛芯塞或變載面鉛芯塞以增加其耗能，鋼索可以由被動(dòng)的鋼索改進(jìn)為主動(dòng)的鋼索控制等；（2）加強(qiáng)對(duì)混合控制裝置的研究。結(jié)合各種控制裝置的特點(diǎn)，取其長(zhǎng)處，聯(lián)合應(yīng)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(yīng)用。結(jié)構(gòu)的