斜拉桥横向振动的半主动筋腱控制

　　1　引　言

　　随着现代交通运输业的发展,桥梁的跨度越来越大,而且由于新型高强度(复合)材料的出现以及现代设计理论与施工技术的应用,桥梁本身的柔性越来越大,不可避免地出现在各种载荷下的振动问题。桥梁系统的振动一方面影响行人及驾售人员的身心健康,另一方面会使结构表面出现裂纹而引起结构内部的腐蚀,加速破坏,严重时会出现疲劳断裂引起事故。因此,桥梁结构的振动控制问题已成为一个研究热点。

　　Yang等针对斜拉桥的斜拉索端部便于安装执行器充当主动筋腱的情况提出了控制桥面抖振的主动筋腱方法,对双索斜拉桥的振动控制进行了研究[1,2]:Hutton采用类似的方法对人行天桥的振动控制进行了研究[3]:Fujino等人采用压电陶瓷作为执行器对一板—索模型的振动实施了主动筋腱控制[4,5]。上述方法均需要大行程、大输出力的执行器,而且存在严重的稳定性问题。半主动控制(Semi-Active Control)系统是一类主动控制系统,与典型主动控制系统相比,其对外部能量的需求小几个数量级,而且不施加机械能到结构系统,能保证有界输入与输出的稳定性。因此,半主动控制方法在结构控制领域受到重视。用于桥梁半主动控制的器件主要有:可变阀流体阻尼器、可控摩擦器件、可变刚度器件、半主动冲击阻尼器、可调谐流体阻尼器、可控制流体阻尼器等[1,6,7]。磁流变阻尼器(MRD)是一种典型的可控制流体阻尼器,适用于作为建筑与桥梁等土建结构的振动半主动控制的执行器。

　　近年来,半主动控制方法在一般桥梁控制方面的应用研究也已引起重视[6,7],在斜拉桥系统的振动控制方面作者已做过一些研究[8,9]。本文提出采用磁流变阻尼器与斜拉索构成的半主动筋腱实现桥梁横向振动的半主动控制,讨论了其可行性、具体控制方案和控制算法,给出了一双索斜拉桥模型在随机激励情况下的控制仿真结果。

　　2　斜拉桥横向振动半主动筋腱控制原理

　　2.1　控制系统结构

　　如图1(a)所示,斜拉索通过磁流变阻尼器分别与桥面锚接在x1与x2处。这种连接MR阻尼器的斜拉索构成半主动筋腱,图1(b)给出了半主动筋腱的结构原理,实际上斜拉索充当了MR阻尼器的活塞杆。当桥面在外扰作用下振动时将导致MR阻尼器的阻尼力的变化,该阻尼力的变化可以衰减桥面的振动;同时,通过改变供给电流驱动器的信号电压可以直接控制MR阻尼器的阻尼力的变化,实现桥梁振动的半主动控制。

　　2.2　控制方程

　　对于图1给出的桥梁结构,考虑桥面为等截面的伯努利-欧拉梁(Bernoulli-Euler Beam),其横向振动微分方程为: