[發明專利]一種斜拉索振動控制方法

有效

• 申請號: 201110317341.8
• 申請日: 2011-10-18
• 公開（公告）號: CN102359067A
• 公開（公告）日: 2012-02-22
• 發明（設計）人: 孫利民;王慧萍
• 申請（專利權）人: 同濟大學
• 主分類號: E01D19/16
• 分類號: E01D19/16
• 代理公司: 上海智信專利代理有限公司 31002
• 代理人: 吳林松

技術領域

本發明屬于結構振動控制領域，涉及一種基于非線性摩擦阻尼的可變阻尼器對斜拉索的 控制方法。

背景技術

隨著斜拉橋跨度的不斷增大，斜拉索變得越來越長。斜拉索作為主要承重構件，其柔性 大、自重輕、內阻尼低、固有頻率分布廣，極易在環境激勵(如風雨激振)或支承端的梁塔 位移作用下發生強烈的振動。這種大幅度的振動會引起拉索過早的疲勞破壞；造成拉索與塔 梁連接部分的損壞；使公眾喪失對橋梁的安全信心。

拉索減振最常用的措施是在索端設置阻尼器，近年很多學者對被動粘滯阻尼器的設計方 法進行了研究，形成了較為成熟的理論分析方法。但是被動粘滯阻尼器也有不足之處。首先， 它不能隨振動大小調節阻尼力或阻尼系數。其次被動粘滯阻尼器所獲得的最優模態阻尼比與 阻尼器離索端的距離成正比。在工程實際中，由于景觀和其它因素的限制，阻尼器的安裝位 置往往局限在斜拉索的錨固端附近，一般不超過索長的5％。而現代斜拉橋正朝著超大跨度的 方向發展，隨著斜拉橋跨徑不斷地逼近并超越1000米，斜拉索長度已增加到300～650米， 如香港Stonecutters?Bridge，主跨1018米，最長索長為536米；世界第一跨度的斜拉橋— —蘇通大橋(1088米)，最長的索已達到541.15米。對于如此長的斜拉索，當阻尼器位置到 索端距離很近時(一般為索長的1～3％)將無法提供足夠的阻尼比。第三，固定安裝位置的被 動粘滯阻尼器可以給某一個振型附加最優的阻尼比，給其他振型附加的阻尼比卻不能達到最 優值，這將影響斜拉索多模態振動的減振效果。大量的研究和工程實踐表明，傳統的被動控 制已無法滿足超長斜拉索的減振設計要求，人們把更多的興趣放在了拉索的半主動控制研究 上。

拉索半主動控制(Semi-active?Control)是近年來國際上研究的熱點之一。它是通過結 構反應和外界激勵的信息主動調節控制裝置的參數，使結構的狀態處于最優狀態，所需能源 比主動控制小很多，而控制效果要好于被動控制。由于半主動控制是利用控制機構來調節結 構內部的特性而不是直接給結構施加作用力，所以這種控制方式可以認為是主動控制發展的 第二個階段，從傳統的力控制發展到參數控制。又由于半主動控制系統能夠實現的控制力形 式和方向的有限性，因此需要建立反映半主動控制力特點的控制方法(通常稱為半主動控制 方法)來驅動半主動控制裝置。其易于實現，控制效果好，所需能量少的優點受到國內外廣 大研究者們的青睞，因此半主動控制在實際工程應用中有著廣泛的前景。

在實現半主動控制的裝置中，磁流變阻尼器(MR)引起了人們的廣泛關注，磁流變液是 一種智能材料，在磁場作用下，可在毫秒級時間內從流體變為剪切屈服應力較高的粘塑性體， 這種改變具有連續、可逆、迅速和易于控制的特點，特別適用于制作成半主動控制阻尼器。 MR阻尼器通過對輸入電流的調節，即可控制阻尼力的大小，且阻尼力總是耗散的，因而系 統的魯棒性很好。MR阻尼器所需的能源很低，其工作電壓只需2～25V。即使能源中斷，仍可 作為被動耗能裝置(粘滯阻尼器)而繼續發揮控制作用，因此具有很強的可靠性。常見的MR 阻尼器構造原理圖如圖1所示。

與被動粘滯阻尼器相比，拉索的MR半主動控制具有以下幾個突出優點：(1)同一型號的 MR阻尼器，只需調節輸入電流，就能為每根拉索提供最優或次優的附加阻尼；(2)MR阻尼器 能為同一根拉索的不同振動模態提供最優或次優的附加阻尼；(3)相對于最優被動控制，MR 阻尼器能達到更好的減振效果，即使阻尼器的安裝位置非常靠近拉索錨固端。

關于拉索的半主動控制，國內外的相關研究較多。但其理論成果從研究走向應用的卻極 少，即使有的已在成橋中加以應用，但其控制效果還不如被動最優控制，無法體現可變阻尼 器智能控制的優勢。分析其根本原因還是可變阻尼器對拉索的半主動控制方法上存在缺陷。 本發明針對這些不足設計出一個適用有效、性能穩定、操作簡單的拉索半主動控制方法，且 其控制效果遠遠優于被動最優控制。

發明內容

本發明的目的在于提供一種適用于斜拉索振動控制的實用、簡便和高效的半主動控制方 法。

(1)拉索在索端作用非線性摩擦型阻尼器，自由振動的衰減曲線為直線，在衰減過程