高等桥梁结构理论
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课程：高等桥梁结构理论
学院：土木工程学院
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基于MR阻尼器的曲线梁桥半主动控制研究
摘要:随着城市道路和公路交通的发展，曲线梁桥应用日益广泛，已经成为现代交通工程中的重要桥型。作为主要灾害的风灾、震灾对桥梁结构的破坏作用，近几年来越来越受到人们的重视。为此,国内外的学者开展了一系列研究，对于土木工程结构,传统的结构设计都是通过结构自身的塑性变形来吸收地震能量,但当工程结构所受的动力荷载超过某种程度后,这种方法就难以达到预期的效果。近年来,结构振动控制逐渐发展成为控制领域的新抗震技术。长期以来,土木工程结构振动控制的形式主要以被动耗能减振控制为主,而半主动控制和主动控制虽然在理论上具有较好的减震效果[3],但是由于控制装置本身缺陷而受到限制；近年来具有低能耗、出力大的智能材料的出现,使结构振动的半主动和主动控制的实现成为可能；目前,采用基于磁流变阻尼器（MR阻尼器）的智能控制方法来解决土木工程结构振动问题已经成为一种新的途径[4]。
关键词：曲线梁桥 MR阻尼器半主动控制
1.磁流变阻尼器及其原理简介：
智能材料是一种同时具有感知和驱动功能的新型材料。磁流变（Magnetorheological，简称MR）液体是一种将亚纳米细度的铁粉与硅油混合制成的液体，它作为智能材料的一种，具有强度高、粘度低、能量需求少、温度稳定性好、对通常在制造过程中引入的杂质不敏感等特点，在磁场作用下能够在瞬间从牛顿流体转变为剪切屈服应力较高的粘塑性体[5]。
由它制成的阻尼器结构简单、耐久性好、反应快、阻尼力大且连续可调等优点，是一种极具吸引力、在结构振动控制中表现出巨大潜能的振动控制装置。磁流变液的工作原理见图1，磁流变阻尼器的工作原理示意图见图2，磁流变阻尼器的基本构造见图3[6]。
2.国内外研究现状
2.1磁流变液研究现
2.2 MR阻尼器结构的研究现状
2.3 基于MR阻尼器半主动控制系统的减震研究及工程应用现状
2.4 阻尼器及半自动控制在曲线梁桥中的应用现状
曲线梁桥不同于直线梁桥，结构受力受”弯、扭耦合”作用。由于平面曲线的原因。结构在恒载和活载作用下，均产生扭转，使外弧梁的内力值加大，内弧梁的内力值减小；并且结构会由于支承约束不合理，失去稳定，而产生扭转，倾覆现象；梁体在受到温度变化混凝土徐变收缩等作用力时梁体会相对于梁的不动点和转动中心产生平面变形和扭转，使伸缩装置设置具有一定难度。曲线梁桥除承受与直线梁桥相同的荷载外，还需承受离心力等荷载。
2004年，大连理工大学的郭慧乾，他在大连理工大学黄才良教授编制的平面刚架有限元程序的基础上，开发了空间刚架有限元分析程序和配套的纵向影响线计算程序及车辆荷载动态加载程序，以方便曲线梁桥的研究。采用梁格法对曲线箱梁桥的受力特点进行分析和阐述，并对等高腹板和不等高腹板两种截面形式的优劣进行比较，得出了两种截面形式各自的适用范围。对曲线箱梁桥的分析和结构形式的探索得到的图表和规律可以作为曲线箱梁桥设计的参考。对曲线箱梁桥做了力学分析与设计研究， 2006年，北京工业大学王丽等人做了曲线梁桥地震响应的简化分析方法，对弹性支座上的刚性桥面系统建立了具有刚度偏心的简单曲线梁桥模型,给出了自振特性和地震响应的简化计算方法。通过数值模拟比较,系统地分析了各种影响因素及其对曲线梁桥动力响应的影响规律和计算图表,可以在抗震初步设计中参考使用。2006年，亓兴军，李小军等对曲线桥梁弯扭耦合减震半主动控制作了分析，理论研究与震害经验表明,地震时曲线桥梁会产生弯扭耦合振动。为了减少弯扭耦合的地震反应,提出了利用压电摩擦阻尼器进行曲线桥梁地震反应半主动控制的方法,建立曲线桥梁空间有限元模型,在桥台支座部位设置半主动控制阻尼器,在不同地震波入射角情况下分析了半主动控制算法的减震效果。结果表明,半主动控制界限Hrovat最优控制算法能有效地减小曲线桥梁地震反应,其控制效果优于简单Bang-bang控制算法,而始终提供最大阻尼力的被动控制方法会增大桥梁地震反应,并不是被动控制阻尼力越大越好。2011年，亓兴军、吴玉华通过曲线连续梁桥的磁流变阻尼器减震控制研究，建立双支承曲线连续梁桥的空间有限元模型和减震控制动力仿真模型,根据连续梁桥的支座布置在各活动支座的切向设置8组磁流变阻尼器,在纵桥向输入3种不
同频谱特点的地震动,计算分析了曲线连续梁桥地震反应主动控制、半主动控制和被动控制方法的减震效果。结果表明了磁流变阻尼器能够有效地减小曲线梁桥的主梁切向位移和固定墩墩底的弯矩与扭矩。不同频谱特点地震动输入下磁流变阻尼器减震效果的差别较大,在设计曲线梁桥减震参数时需要合理选择地震动输入。总体上看,磁流变阻尼器主动控制、半主动控制和被动控制3种减震控制方法对于曲线连续梁桥大部分地震反应减震效果的差别较小,这可为简单易行的阻尼器耗能被动控制方法在曲线梁桥抗震减震设计中的广泛应用提供理论依据。2012陈树刚，亓兴军做了关于曲率半径变化对曲线梁桥粘滞阻尼器减震效果影响的研究。为了减少双支承曲线梁桥的地震破坏效应,亓兴军等在2012年提出了利用液体粘滞阻尼器进行曲线梁桥减震控制的方法,建立曲线连续梁桥的空间有限元模型和动力仿真模型,在桥梁墩台活动支座部位设置切向和径向液体粘滞减震装置,输入三维地震动计算分析了桥梁主动控制、半主动控制和被动控制三种减震方法的减震效果。结果表明,曲线梁桥的地震反应表现出显著的纵桥向与横桥向的耦合特性,在减震控制计算时必须同时输入三维地震动并设置纵横向减震装置。粘滞阻尼器能够控制曲线梁桥内外墩的内力趋于接近,三种减震控制方法均能有效地减小曲线梁桥的梁端位移和固定墩墩底内力,且三种方法的减震效果和地震反应时程的差别均相对较小,主动控制和半主动控制没有表现出明显的优越性,建议在实际曲线梁桥的抗震减震设计中应用粘滞阻尼器被动控制。
2011年，北京交通大学的高飞以小半径曲线梁桥为研究对象,针对其弯扭耦合的受力特点,研究了其在地震作用下的响应以及利用TMD阻尼器对曲线梁桥进行振动控制的研究，探索合理有效的抗震措施以减轻或避免曲线梁桥在地震作用下的破坏。同年，山东建筑大学的刘奕做了关于曲线连续梁桥耗能减震方面的的方法研究，分析曲线梁桥的全桥空间地震响应特点,研究不同类型被动耗能减震方法对曲线梁桥地震反应的减振效果。这些研究文献都对本课题的展开提供很大的帮助。
3.本论文重点研究磁流变阻尼器对曲线梁桥的半主动控制，主要内容为
4. 研究方式及技术路线：
1.在充分调研基础上，作深入的理论研究如智能被动控制理论、智能半主动控制理论、模糊控制理论；
2.与厂家协作，做一些阻尼器的物理力学试验研究；
。
5. 拟解决的关键技术问题：
1.MR阻尼器的力学模型仿真。
2.智能控制的迟时问题（我们对车辆荷载尤其是超重车辆作用下，需对车辆上桥前提前实行自动识别，并通过称重、传感等手段，提前对桥梁施加智能控制，以解决迟时问题）。
6.总结：
对于此研究的可行性：第一，对磁流变阻尼器以及桥梁减隔振进行了一定的学习，并掌握了一定的理论知识。通过大量的文献阅读，能够对有关基于磁流变阻尼器的结构振动控制的研究有所认识；第二，随着地震的频繁发生，结构抗震，特别是桥梁结构的减隔振是土木工程界研究的热点问题之一，对桥梁抗震有着广泛的工程背景，有大量的文献可参考；第三，大型工程软件的开发应用，有限元技术不断改进，繁杂的数值计算理论得以实现，大规模的参数分析解决了许多现实问题。下面从客观条件方面来分析此项研究是可行的：
客
7.参考文献
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