浅谈桥梁结构振动控制

五处西南公司  张恩惠 编辑整理：http://www.zhishuidaicn.com

【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Kobori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；1972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 Teko桥在1987年遭受了里氏6.37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。

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：ADAS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）。

图3  ADAS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。Kobuyashi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MTMD。于1994年提出了DTMD的概念，研究结果表明DTMD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㎝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。该系统可以提供横向及扭转控制力，控制效果较为理想，适用于斜拉桥主塔振动控制。

主动支撑系统：在抵抗侧向力的构件上增加斜撑，种用电液伺服控制机构控制斜撑的收缩，该装置适用于大跨度桥梁。

1．3半主动及混合控制装置

比较典型的半主动控制装置有可变孔径液体阻尼器、可控摩擦装置、主动变刚度装置、可控调谐液体阻尼器、可控液体阻尼器以及可控冲击阻尼器。

可变孔径液体阻尼器：它是通过使用一个可控机电变孔径阀门改传统液压液体阻尼器的液体流来改变阻尼的。1997年，科研人员对美国州际公路的一座1跨35米的桥梁进行了大规模的试验研究，所安装的ISB系统总测试过程超过2个月。研究表明，用某种方式将半主动运作系统和一个可变孔径液体阻尼器进行组合，ISB系统奖达到完美的控制效果，这种控制装置的控制逻辑非常简单、安全，系统的运转可以延长桥梁的服务寿命达数十年。

可控液体阻尼器：是新型结构振动控制装置（见图4），当可控液体通以电场或磁场，在毫秒级时间内这种液体可以从自由流动线性粘滞液体转变成有一定可控屈服强度的半固体性质。目前研究比较深入的可控液体有两类：（1）电流变液体；（2）磁流变液体。用这些可控液体制作的减振驱动器，结构简单，阻尼力连续，顺、逆可调。

图4  可控液体阻尼器

1999年设置了MR液体阻尼器的两跨简支梁桥的1：12模型作了振动台试验。研究结构表明，在EI地震波作用下，无论对于开环控制系统还是闭环控制系统，这两种控制策略都能降低桥面板和桥梁墩（台）的相对位移，并且可以通过限制峰值阻尼力来限制峰值加速度。

混合控制装置（HMD）：HMD是在大规模土木工程中应用最普遍的一种控制装置，它是TMD与主动控制器的结合。这种装置主要依靠TMD系统的自然运动来降低结构的反应。HMD系统所需的能量及作用力要远小于完全TMD驱动器。HMD系统已成功地应用于桥梁的振动控制。

2     桥梁结构控制算法

2．1传统控制算法    

土木工程结构常用振动控制算法分成两类：经典算法，即采用经典控制理论，使用基于频率域内传递函数模式的分析法；现代算法，是根据现代控制理论，在时间域内采用状态空间法来描述系统动力特性。

常用的控制算法有经典二次型线性最优控制法、H控制法、瞬时最优控制法、独立模态空间控制法、极点配置法、随机最优控制法、界限控制法、适应控制法、预测实时控制法、百线性优化控制法。

传统控制算法的特点是基于模型的控制，它能够较好解决简单振型、线性、时不变系统的振动控制问题，但对于高度非线、强耦合、时变以及分布参数等统统且当控制对象比较复杂时，传统控制算法难以解决这些问题，智能控制方法可以有效地解决传统算法难以解决的问题。

2．2智能控制算法    

智能控制算法主要包括：人工神经网络控制、模糊逻辑控制法和演化优化控制（包括遗传算法、模拟退火算法等）。

智能控制概念应用了人工智能领域的一些技术，通过感知、理解、计划并且以智能的或有创造力的方式发生作用，智能控制可以被理解成自适应和自我组织的系统，种用少量预先有的知识，通过与周围环境的相互作用而学习。

人工神经网络是在人脑生物学基础上发展起来的一种研究方法。人工神经网络控制具有很强的非线性逼近、自学习和自适应能力。在多变量、强非线性、大滞后系统的控制中显示了明显的优势和应用前景。模糊逻辑使用不确定的数据和“软”计算技术推理和导出控制行为，其基本思想是把人类专家对待定的控制对象或过程的控制策略总结成一系列的以条件作用形式表达的控制规则，通过模糊推理得到控制作用集，作用于被控制对象或过程。模糊控制具有在线效果好、便于硬件实现等特点。

3     桥梁结构振动控制展望

桥梁结构振动控制虽然还是一个比较新的研究方向，但从产生的作用来看，桥梁结构控制有着广阔的发展前景，将给工程领域带来深远的影响。其研究发展趋势可总结为以下几点。

（1）控制装置的改进。控制装置的改进可以有效提高控制的效果，如橡胶钢板隔震支座内加铅芯塞或变载面铅芯塞以增加其耗能，钢索可以由被动的钢索改进为主动的钢索控制等；

（2）加强对混合控制装置的研究。结合各种控制装置的特点，取其长处，联合应用。如：AT、AMD、ATMD、ABS、SACA、HMS隔震装置与粘滞阻尼器配合使用等。

（3）智能材料装置和策略的研究与应用。结构的振动控制，最理想的途径是实现结构的智能化，这也就要求对智 能控制作深入的研究，如：电流变流体，磁流变流体，形状记忆合金，压电材料，压磁材料等。

（4）控制系统的可行性、稳定性、耐久性和以济性论证。

（5）桥梁结构的横向振动、扭转振动往往占主导地位，为此，对于控制装置的支承（或悬挂）方式、阻尼构成、传力途径等如何适应桥梁结构特点的研究将是今后一个重点。

（6）加强实现结构控制智能化的必要条件——对传感器、驱动器、控制器的时滞、数目以及位置的研究。