桥梁震动控制论文

浅谈桥梁结构振动控制

五处西南公司张恩惠

【摘要】阐述桥梁结构的被动控制装置、主动控制装置、半主动控制装置、混合控制装置以及控制装置的试验与应用，并介绍传统控制算法及智能控制算法，及对桥梁结构振动控制的发展趋势。

【关键词】桥梁结构结构振动控制

桥梁结构的振动是引起桥梁损坏（破坏）的一个重要因素，引起桥梁振动的因素主要有：地震引起的振动、荷载引起的振动及车-桥耦合作用引起的振动。

传统的桥梁结构的抗震设计方法在某些情况下达不到理想的抗震效果。20 世纪50 年代，日本Ko bor i 提出了结构变刚度减振概念，即在结构上附加非线性元件以减轻其振动；到了60 年代，美国Kelly 提出了叠层橡胶支座隔震的方法，这种方法在以后的桥梁设计中得到了广泛应用；197 2 年美国教授提出了土木工程振动控制的概念。此后，结构振动控制的研究从理论、试验到应用等方面得到了突飞猛进的发展。近年来，美国、日本、新生西兰等发达国家对桥梁结构振动控制方面进行了广泛的研究，尤其是在桥梁隔震以及大跨度桥梁的风振控制等方面取得了显著的成就。

1 桥梁结构振动控制装置及其研究

1．1被动控制装置

（1）隔震体系桥梁的隔震装置主要有：叠层橡胶支座（普通叠层橡胶支座，铅芯叠层橡胶支座）；螺旋弹簧支座；滑、转动支座（普通滑动支座，回弹滑动支座，曲线滑动支座），其中，叠层橡胶支座的应用比较广泛。

普通叠层橡胶支座：由薄板橡胶与薄钢板叠合而成。由于钢板的约束，使其具有较大的坚向刚度，因构造简单，性能稳定，目前已在公路、铁路以及城市桥梁中得到广泛应用。

铅芯叠层橡胶支座：在普通叠层橡胶支座中竖向灌入铅棒而形成的一种支座（见图1 ）。由于铅

棒具有良好初始刚度，因而这种支座能够抵御一定强度的地震及风振。铅芯橡胶支座兼有隔震和耗能的功能，同时它们还支撑着上部结构的重量，并提供弹性恢复力。

图1 铅芯橡胶支座

新西兰河上的Te Tek o桥在1 987年遭受了里氏6.3 7级的地震，该桥由于桥墩处的16年支座采用了铅芯叠层橡胶支座，大大降低了上部结构的地震力，结构只受到很小的破坏，而相邻的其它建筑破坏严重，这座大桥是隔震技术就用的一个很好的例证。

高阻尼叠屋橡胶支座：这种支座是由我国桥梁专家范立础和袁万城发明的一种新型减震橡胶支座（见图2 ）。它保留了板式橡胶支座特点，竖向具有足够刚度，并具有一定性；同时，具有弧形钢板条阻尼器滞回阻尼特性，通这实验分析，其耗能性能较座板式橡胶支座提高4 —6倍。

橡胶板

图2高阻尼叠层橡胶支座

（2 ）被动能量耗散体系

被动能量耗散体系有金属屈服阻尼器，粘弹性阻尼器，粘性液体阻 尼器，摩擦阻尼器，调谐质量

阻尼器，调谐液体阻尼器及其它能量耗散 装置。

金属屈服阻尼器：结构地震反应能量耗散的有效方法之一是种用金 属的非弹性变形。常见的耗能装置有：AD AS 耗能装置、铅挤压阻尼器、 形状记忆合金（SMA ）耗能器等。ADAS 耗能装置是由多层X 形钢

板组 成，它种用钢板在地震中发生的弹塑性变形来达到耗能的目的（见图3）。

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图3 AD AS 耗能装置

粘弹性阻尼器：种用粘弹性阻尼材料的耗能与其他材料（如钢板） 组合而成的结构耗能元件。把

它放在结构的适当位置，当结构受激励运 动时，粘弹性阻尼器就能消耗振动能量而达到减震的目的。粘弹性材料 结合了粘性液体的耗能特性和弹性材料的贮能性能，在抗风和抗震方面 起到良好的效果。粘弹性阻尼器耗能是通过粘弹性层的剪切变形来实现 的。

粘性液体阻尼器：是一种用途较为广泛的耗能减震装置。近年来已 开始应用于桥梁结构的振动控薄钢板

制。它的耗能是通过高粘度液体的位置改变而实现的。粘性液体阻尼器在桥梁工程应用研究方面取得了一定进展。Kobu yashi 等于1994 年将一个类似于液体粘滞阻尼器的油阻尼器应用了一个中跨为410 米的斜拉桥的1：100模型的试验研究中，对于地震及风振效应，期控制效果明显。日本东京都1 号高速公路的一座连续桥应用了油压减振器（粘滞液体阻尼器），并进行减振试验研究，结果表明，使用粘滞液体阻尼器可以减小结构位移20%〜30%。

调谐质量阻尼器（TMD ）:是在结构上部加一质量块，并配以阻尼器或是与主体结构边接，利用共振原理对结构的某一振型加以控制通常桥梁结构的TMD 控制多应用于大跨度桥梁，用于减小桥梁的地震和风振反应。TMD 存在的问题是：对微小振动的灵敏度不高。1994 年，研究了应用TMD 系统斜拉桥在9 种有同地震记录下的反应，研究表明，TMD 系统在不同地震记录下减小结构反应的有效性有很大不同，而且在脉动荷载下，TMD 的不效性就会降低。应用了TMD 系统的结构的第一振型反应得到了有效的控制，但对于高阶振型反应没有得到有效的抑制，甚至反应被放大。为了克服TMD 系统的这一缺陷，于1988 年提出可多维调谐质量阻尼器最优控制的概念，即MT MD 。于1994 年提出了DTMD 的概念，研究结果表明DT MD 系统比传统的单独TMD 系统在整个质量比范围内更有效。为抵抗风振反应，1988 年桥主塔上安装了TMD 系统通过野外观察和振动试验表明：TMD系统可以使塔的阻尼比增加3% , 而塔本身内在阻尼比在建成时为1%。英国的斜拉桥，主跨240 米，主跨共设置了8个TMD装置，采用悬挂方式，使涡激振幅从20 cm降低到几厘为。此外，我国上海的南浦大桥、杨浦大桥也进行了TMD 控制方案的研究。

1．2 主动控制装置

主动控制装置有主动调谐质量控制系统（AMD ）、主动锚索控制系统（ATD ）、气体脉冲发生器、主动可变系统、空气动力挡风板系统、主动支撑系统和无能源主动系统等。

AMD 系统：将调谐质量阻尼器连接到伺服系统上构成的主动控制装置，通过伺服系统提供的控制作用力，调整主体结构与惯性质量间的能量分配。这种装置对抗震及抗风均有

良好效果，但它需要巨大的质量块及推动质量块所需的能量，因此，初期投资及日后的运行、维修费用较高。

主动锚索控制系统：通过改变挡风板的受力面积和方向来调整缆索张力的变化，

种用缆索对结构施加控制作用，该装置对阻尼和刚度的误差不敏感，对时滞较敏感。该系统可