应用形状记忆合金的桥梁结构振动控制研究及发展_图文

1、 维普资讯 世 界 地 震 工 程 卷 制成 耗 能器 ， 通过 对该 耗 能器 的性 能研 究 表 明， 常温 下处 于 马 氏体 状 态 的 耗 能 器 的 耗 能 能 力 和 阻 尼 比， 明显高 于 常温 下 处 于 奥 氏体 状 态 的 耗 能 器 的耗 能能 力 和 阻尼 比，且 无 论 是 常 温 下 处 于 马 氏体 状 态 还是 处于 奥 氏体 状 态 ， 耗 能器 的低 频 耗 能特 性都 强 于高频耗 能特 性 。试验结果 也证 明，常温下 马 氏体状 态 的 耗 能器 在 发 生残 余 塑性 变 形后 ，对 其加 热 所产 生 的 回复力 的大 小 与残 余 变 形 近

2、似 呈 线性 关 系。 利 用 和 的形状 记 忆效 应 、超 弹性 效 应 和 高阻 尼特 性 ，设 计 了一 种 板 弹 簧 阻 尼器 用于 桥梁 结 构 的隔震 ，研 究 表 明， 该阻 尼器 常 温下 处 于 马 氏体 状态 的 形状 记 忆 合 金 阻 尼器 不 仅 能耗 能 ，而 且 在振 动 结 束后 ，能利 用 的形 状记 忆效 应使桥 梁 结 构复 位 。 近 十几 年 以来 的一 些地 震 ， 特别 是 年 加 州 的 地 震 和 地 震 ， 以及 年 日本 神户 地震 ，造 成 了大量 的桥 梁 结 构 （ 中相 当 多 是作 过抗 震 设 计 的大 型桥 梁 结 构）

3、塌 或严 重毁 坏 ， 其 倒 在 这 些 地 震 破 坏 中， 桥 梁 结 构 连 接 件 的 破 坏 和 失 效 足 引 起 灾 害 的 主 要 原 因 之 一 。 ） （ ¨ 提 出 了用 “ 能 ” 限位 器 智 限位 器来 取代 传 统 的 限位 器 ， 以提 高 桥 梁 抗 震 性 能 ， 减 小 桥 梁结 构 的地 震 灾 害， 限 位器 设 置 在 多框 架桥 梁 的 中 间伸缩 缝 处 ， 限位 器 有 如 下 种 作 用 ： （） 限制 框 架之 间的相 对 位 移 ， 防止 在伸 缩 缝处 框 架 移位 引起 落 梁 的发 生 ； （） 小 框 架 之间的桥梁碰

4、 撞造成 的梁体 损 减 坏 ； （） 破 坏 和能 量 耗散 集 中在 将 限 位器 上 ，从 而可 以 降 低 多 框 架 桥 梁 中 对单 榀 框 架 的 要 求 。 分 析 研究 表 明 ， 限位 器 作 为 一 种 被 动 阻 尼 器 ， 能有 效 地 减 小 框 架 之 间 的 相 对 位 移 ， 减 少 梁 体 的碰 撞 破 坏 ，而 且能 够 适 应更 广泛 的地 面运 动和 桥 梁类 型 。 驱 动器和 阻尼器在 桥梁 结构 振动控 制 中的应用展 望 目前 的桥 梁抗 震 设 计 理 论大 多 采用 的 是强 度 理 论 和 延 性 抗 震 理 论 ，通 过 塑 性 变 形

5、 储 存 和 消耗 地 震 能 量 ， 以减小 地 震 响 应 ，满 足 结构 的抗震 设 防要 求 ；通 过 出现塑 性铰 使 结 构基 本 周期 延 长 ，从 而 减小 地震 所 产 生 的惯性 力 。但 是 显然 ， 通 过强 度 和延 性来 提 高桥 梁 抗震 能 力 会大 大增 加 其 造 价 ，而 且 ， 由于地 震 的 不 可 预测 性 和 突发 性 ，规 定 抗震 设 防标 准下 安 全 的桥 梁 ， 当地 震 烈 度 强 于 设 防烈 度 时 ， 桥 梁 就 不 一 定 安 全 了。从 近 年来 的 地 震 灾 害来 看 ，桥 梁结 构 的 损坏 仍然 很 严重 ，说 明仅

6、仅 从强 度 和延 性 方 面来 保 证 其抗 震 能 力 往往 不 能 奏效 。 对 于 重要 性 的桥 梁 或大 跨 柔性 桥 梁 ， 应 该 对 桥 梁 进 行 振 动 控 制 ， 降 低 结 构反 应 ， 以 满 足 结构 安 全性 、经 济 性 与适 用 性 的要 求 。 用 于桥 梁 被动 控 制 对 于 目前 桥 梁结 构 振 动控 制 ，合 理 、有 效 、 安全 与 经济 的抗 震 途径 是 采 用桥 梁 减 震 、 隔震 新 技 术 ， 通 过设 置 隔震 器 和 阻 尼器 ，达 到增 加 结构 延 性 、降低 结 构 振 动反 应和 消 耗地 震 能量 ，把 桥梁 的变

7、形 限制 在 弹 性 范 围 内。 对于 桥梁 结 构 的 隔震 体 系 ，不仅 要 提供 附加 水 平柔 度和 能 量 耗散 ， 同 时必 须 能够 支撑整 个 结 构 物 。例 如 ， 由于 单 纯 的橡 胶 支座 虽 然 能够增 强桥 梁结 构 的 柔性 ，延 长桥 梁结 构 的周 期 ，但 势必 使桥 梁 结 构 的 位 移 增 加 ， 这 就 要 求 伸 缩 缝 足 够 大 。 比如 一 个 高 的 铅 心 橡 胶 支 座 隔 震 高 架 桥 ， 若 遭 遇 地震 ， 要求 伸 缩 缝 在 实 际 上一 般 桥 梁 伸 缩 缝 只 有 ， 同 时 桥 梁 结 构 的位 移难 以回复

8、。另 外 ，被 动 控制 方 法 的主 要缺 点 是 对地 震 的频 域特 性 非 常敏 感 ， 当地 震 超 出减 震 、隔 震 装 置的设计烈度 时 ，减震 与隔震 效 果 就 很差 。 而 阻尼 器作 为一 种高 性 能 阻尼 ， 与叠 层橡 胶 支座 共 同工 作 ，可形 成 桥梁 结 构 的 阻 尼 器 一 叠 层 橡 胶 支 座 智 能 隔震 体 系 阻 尼 器 不仅 能 消 耗 地 震 能 量 ， 有 效 减小 地 震 响 应， 而 且 振动 结 束 后， 通过 加 热 利 用其形状记忆效 应可使桥 梁结构复 位 ，同时通 过 实 ， 时改 变 的温 度 ，改 变 其耗 能 能力

9、 ，可 实 现 对 各 种 不 同 频 率 特 点 的 地 震 波 输 入 都 具 有 稳 定 的 减 震 效果 。 用 于桥 梁 主 动控 制 对于 大跨 度 的 桥梁 结 构 ， 如斜 拉桥 （ 结构 柔 ，周 期 长） 在风 振 和地 震 作 用下 ， 主 梁和 索 塔 的振 动 问 题 ， 不可忽 视 ，轻 则 影 响运 营 ，重 则引 起桥 梁 局 部或 整体 的破 坏 驱 动 器 和 阻 尼 器 由 于 性 能 优 良、 可 控 性 强 ，可 用 于 以下 几个 方面 ： （ ） 以用 驱 动器 实现 桥 梁 结 构 的 主 动 阻 振 通 过 将 可 薄 膜 贴 于 受 控 梁

10、、塔 上 ，根 据 传 感器 拾 得 的振 动信 号 ， 调 节 驱 动 器 薄 膜 的 温 度 ， 产 生 一 个 与震 动 速 度 成 正 比 的 控 制 力 作 为阻 尼 维普资讯 期 陈海泉等 ：应用形状记 忆合金的桥梁结 构振动控制研究 及发展 一 力，提高受控对象的模态 阻尼 比，消耗系统的振动能量，达到降低结构反应 的目的 。 （） 由于 高温 下 奥 氏体 的弹 性 模量 是 低 温马 氏体 的 倍 ， 因 而 可 以 利 用 该特 性来 改 变 粱、 塔 的局部 或 整 体 刚度 ，达 到避 开共 振 的 目的， 实 现 对 桥 塔 或 主 梁 的 主 动 控 制 ， 降 低

11、 结 构 的 动 荷 载 反应 。 （） 时应 用 同 的 弹 性 模 量 温 度 变 化 特 性 和 形 状 记 忆效 应 ， 将 常 温 下 为 马 氏 体状 态 的 预 变 形 ，埋 人 梁 或主 塔 中 或者 与其有 限离 散 点连 接 。 当结构 振 动 时 ， 由于 高温 下 奥 氏体 状态 的弹性 模 量 是低 温 马 氏体 的 倍 ，通 过加 热改 变结 构 局 部或 整 体 的刚 度及 其 振 动特 性 ； 同 时，利 用 高 温 下 产 生 的 回复力 改 变结 构 内部 的应 力状 态 ， 改 变结 构 的 自振 频率 ，从 而 避 开共 振 ， 降低 结 构 的反 应

12、。 （） 接 利 用 驱 动器 施 加 控 制力 于 振动 结 构 ，消 耗振 动 能量 ， 达 到 降低 结 构反 应 的 目的。 直 用 于拉 索振 动 控 制 对于大 跨 度 斜拉 桥 和 悬索 桥 结 构 ，拉 索是 主要 的承 力体 系 ，是 斜 拉 桥 和 悬 索桥 的 生 命 线 ， 其 振 动 特 性 直 接 影 响 整 个 桥 梁 结 构 的 动 力 特 性 。拉 索 的振 动 比较 复 杂 ， 拉 索 振 动 控 制 问 题 一 直 是 大 跨 度 斜 拉桥 和 悬索 桥 振 动控 制 的 关键 问 题 之 一 。 目前 所 采 用 的拉 索 控 制 方 法 大 概 有 种

13、： 耗 能 减 震 方 式 ；（） 用 减 震 副 索：（ ） 用 专 门 的 阻 尼 减 震 （） 采 采 器。 由于 阻 尼 器具 有 形 状 记忆 效应 和 高 效阻 尼 性 能 ， 故 可 用来 控 制 拉索 的振 动 ， 实现 对 拉索 的智 能 控制 ， 如 图 示 。 利 用 阻 尼 所 器 作 为减震 副 索 也是 值 得 探索 的。 到 目前 为止 ， 具体 在 桥 梁结 构 振 动 控 制 中 的 应 用 研 究 还 非 常 少 ， 由于材 料 技 术 和加 工 技术 等 方 面 的原 因 ， 目前 的 材料 性 能和 造 价使 得 在大 型 桥 梁 结 构 上 实 现 这

14、 些 应用 还有 一 定 难度 ，还 需要 进 行 大量 的应用 研 究 。 图 基于 阻尼器的拉索 振 动 控 制 示 意 图 结 语 尽管 在 土木 工 程 结构 振 动控 制 中 的应 用研 究 已经 取 得 一 些 成 果 ，但 是 在 桥 梁 尤 其 大 跨 度 桥 梁结 构 振 动 控 制 中 的 应 用 研 究 还 很 有 限 ， 制 约 在 桥 梁结 构 振 动 控 制 研 究 中 应 用 的 关键 技 术 是 ： （ ） 驱 动 器作 动 频 率低 、驱 动力 小：（） 现 形 状记 忆效 应 的 热 交换 速 度 慢（ ） 与其 它 材 实 料 的复 合技 术 。 因此 ，

15、对 于应 用 的桥 梁结 构抗 震抗 风智 能 控制 研 究 ， 亟待 开展 的研 究 工 作 主 要 包括 以下 几个 方 面 ： 研 究 和 开发 出作 动 频 率 高、 驱动 力大 的 （） 驱 动 器 ， 以实 现 对大 跨度 桥 梁 结 构 地 震 或 风 致振 动 的控 制 ； 对于 大 跨 度斜 拉 桥 或悬 索桥 ，应用 （） 改变 桥塔 或 主 梁 的 刚度 或 阻 尼 ， 减 小 桥 塔 或 主 梁 的振 动 反应 ； 研究 和开 发 实现 （） 形 状 记忆 效 应 的快 速加 热 和 冷却 的 热 交换 系 统 ； 研 究 和 开 发 （） 适 用 于大 跨度 斜 拉

16、桥 或悬 索 桥 拉索 振 动控 制 的 控制 器 ； 建 立 控 制 器 与 其 它 智 能 材 料 控 制 器 （） （ 压 电陶 瓷 、磁 流 变 、 电流 变等 控 制器 ） 耦 合 的 如 相 昆合控 制 ； 建立 基 于 控 制 器 的桥 梁 结 构 振 动 控 （） 制 的控 制算 法及 优 化设 计 ； 基 于 （） 的桥 梁 结 构 隔 震 系 统 和 主 动 控 制 系 统 的 昆合 控 制 系 统 ； 基 于 （） 的桥 梁结 构 健 康监 测 与诊 断 。 大 跨 桥梁 结 构 ，结 构 柔 、振 动 周期 长、振 动 能量 高 ，从 控 制 器 的性 能 特性 来 看

17、 ， 控 制器 非 常适 合应 用 于桥 梁 结 构 的振 动控 制 ， 随着 材 料性 能 的 提 高， 其在 桥 梁结 构 振 动控 制 中的 优 良性 能 一 定 越来 越 突 出 ， 因此 ，基 于 的桥 梁结 构 振动 控制 应 用研 究 具有 极 其 重要 的理 论意 义 和 广 阔 的 工程 应 用前 景 。 参考 文 献 ： 【】 ， ， 一 【 ， ， ： 维普资讯 世 界 地 震 工 程 卷 ， ， ： （） ， 一 ： ， ， ， ： ： ， （） ， （ ） ： 【 ， ， ： （） 【 ， ： ， ， （ ） 【 】 王健 ， 沈 亚 鹏 王 社 良 状 记 忆 合

18、金 的 本 构 关 系 【】 形 上 海 力 学 ， ，（） ： 【 杨 杰 吴 月 华 状 记 忆 合 金 及 其 应 用 【 】 肥 ： 中 国 科 技 大 学 出 版 社 】 形 合 【 舟久保 ，熙康 ， 】 形状 记忆合金【 】日本产 业图书株式会社 【 】 ， （ ） ： 【 ， ： 【 ， ， ： ， ： （） 【 ， ： 【 ： 】 （） 【 ， 【 ， ， ， ： 一 【 】 ， ： ， ， ， ， 】 ： 【 】 ： ， ： 【 】 （： ） ， （ ） ： ， ， ， ， 维普资讯 期 陈 海 泉 等 ： 应 用 形 状 记 忆 合 金 的 桥 梁 结 构 振 动 控 制 研 究 及 发 展 【 （） ： 【 【 】 】 ， 。： ， 【 ， ， ， ， ： 【 ， ， ： ： 【 】 ， ， ， 【 ， 】 ， 】 ， ， 一 ， ： 桥 世 ： 【 张 俊 平 李