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

199 9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