應(yīng)用形狀記憶合金的橋梁結(jié)構(gòu)振動控制研究及發(fā)展_圖文

1、 維普資訊 世 界 地 震 工 程 卷 制成 耗 能器 ， 通過 對該 耗 能器 的性 能研 究 表 明， 常溫 下處 于 馬 氏體 狀 態(tài) 的 耗 能 器 的 耗 能 能 力 和 阻 尼 比， 明顯高 于 常溫 下 處 于 奧 氏體 狀 態(tài) 的 耗 能 器 的耗 能能 力 和 阻尼 比，且 無 論 是 常 溫 下 處 于 馬 氏體 狀 態(tài) 還是 處于 奧 氏體 狀 態(tài) ， 耗 能器 的低 頻 耗 能特 性都 強 于高頻耗 能特 性 。試驗結(jié)果 也證 明，常溫下 馬 氏體狀 態(tài) 的 耗 能器 在 發(fā) 生殘 余 塑性 變 形后 ，對 其加 熱 所產(chǎn) 生 的 回復(fù)力 的大 小 與殘 余 變 形 近

2、似 呈 線性 關(guān) 系。 利 用 和 的形狀 記 憶效 應(yīng) 、超 彈性 效 應(yīng) 和 高阻 尼特 性 ，設(shè) 計 了一 種 板 彈 簧 阻 尼器 用于 橋梁 結(jié) 構(gòu) 的隔震 ，研 究 表 明， 該阻 尼器 常 溫下 處 于 馬 氏體 狀態(tài) 的 形狀 記 憶 合 金 阻 尼器 不 僅 能耗 能 ，而 且 在振 動 結(jié) 束后 ，能利 用 的形 狀記 憶效 應(yīng)使橋 梁 結(jié) 構(gòu)復(fù) 位 。 近 十幾 年 以來 的一 些地 震 ， 特別 是 年 加 州 的 地 震 和 地 震 ， 以及 年 日本 神戶 地震 ，造 成 了大量 的橋 梁 結(jié) 構(gòu) （ 中相 當 多 是作 過抗 震 設(shè) 計 的大 型橋 梁 結(jié) 構(gòu)）

3、塌 或嚴 重毀 壞 ， 其 倒 在 這 些 地 震 破 壞 中， 橋 梁 結(jié) 構(gòu) 連 接 件 的 破 壞 和 失 效 足 引 起 災(zāi) 害 的 主 要 原 因 之 一 。 ） （ ¨ 提 出 了用 “ 能 ” 限位 器 智 限位 器來 取代 傳 統(tǒng) 的 限位 器 ， 以提 高 橋 梁 抗 震 性 能 ， 減 小 橋 梁結(jié) 構(gòu) 的地 震 災(zāi) 害， 限 位器 設(shè) 置 在 多框 架橋 梁 的 中 間伸縮 縫 處 ， 限位 器 有 如 下 種 作 用 ： （） 限制 框 架之 間的相 對 位 移 ， 防止 在伸 縮 縫處 框 架 移位 引起 落 梁 的發(fā) 生 ； （） 小 框 架 之間的橋梁碰

4、 撞造成 的梁體 損 減 壞 ； （） 破 壞 和能 量 耗散 集 中在 將 限 位器 上 ，從 而可 以 降 低 多 框 架 橋 梁 中 對單 榀 框 架 的 要 求 。 分 析 研究 表 明 ， 限位 器 作 為 一 種 被 動 阻 尼 器 ， 能有 效 地 減 小 框 架 之 間 的 相 對 位 移 ， 減 少 梁 體 的碰 撞 破 壞 ，而 且能 夠 適 應(yīng)更 廣泛 的地 面運 動和 橋 梁類 型 。 驅(qū) 動器和 阻尼器在 橋梁 結(jié)構(gòu) 振動控 制 中的應(yīng)用展 望 目前 的橋 梁抗 震 設(shè) 計 理 論大 多 采用 的 是強 度 理 論 和 延 性 抗 震 理 論 ，通 過 塑 性 變 形

5、 儲 存 和 消耗 地 震 能 量 ， 以減小 地 震 響 應(yīng) ，滿 足 結(jié)構(gòu) 的抗震 設(shè) 防要 求 ；通 過 出現(xiàn)塑 性鉸 使 結(jié) 構(gòu)基 本 周期 延 長 ，從 而 減小 地震 所 產(chǎn) 生 的慣性 力 。但 是 顯然 ， 通 過強 度 和延 性來 提 高橋 梁 抗震 能 力 會大 大增 加 其 造 價 ，而 且 ， 由于地 震 的 不 可 預(yù)測 性 和 突發(fā) 性 ，規(guī) 定 抗震 設(shè) 防標 準下 安 全 的橋 梁 ， 當?shù)?震 烈 度 強 于 設(shè) 防烈 度 時 ， 橋 梁 就 不 一 定 安 全 了。從 近 年來 的 地 震 災(zāi) 害來 看 ，橋 梁結(jié) 構(gòu) 的 損壞 仍然 很 嚴重 ，說 明僅

6、僅 從強 度 和延 性 方 面來 保 證 其抗 震 能 力 往往 不 能 奏效 。 對 于 重要 性 的橋 梁 或大 跨 柔性 橋 梁 ， 應(yīng) 該 對 橋 梁 進 行 振 動 控 制 ， 降 低 結(jié) 構(gòu)反 應(yīng) ， 以 滿 足 結(jié)構(gòu) 安 全性 、經(jīng) 濟 性 與適 用 性 的要 求 。 用 于橋 梁 被動 控 制 對 于 目前 橋 梁結(jié) 構(gòu) 振 動控 制 ，合 理 、有 效 、 安全 與 經(jīng)濟 的抗 震 途徑 是 采 用橋 梁 減 震 、 隔震 新 技 術(shù) ， 通 過設(shè) 置 隔震 器 和 阻 尼器 ，達 到增 加 結(jié)構(gòu) 延 性 、降低 結(jié) 構(gòu) 振 動反 應(yīng)和 消 耗地 震 能量 ，把 橋梁 的變

7、形 限制 在 彈 性 范 圍 內(nèi)。 對于 橋梁 結(jié) 構(gòu) 的 隔震 體 系 ，不僅 要 提供 附加 水 平柔 度和 能 量 耗散 ， 同 時必 須 能夠 支撐整 個 結(jié) 構(gòu) 物 。例 如 ， 由于 單 純 的橡 膠 支座 雖 然 能夠增 強橋 梁結(jié) 構(gòu) 的 柔性 ，延 長橋 梁結(jié) 構(gòu) 的周 期 ，但 勢必 使橋 梁 結(jié) 構(gòu) 的 位 移 增 加 ， 這 就 要 求 伸 縮 縫 足 夠 大 。 比如 一 個 高 的 鉛 心 橡 膠 支 座 隔 震 高 架 橋 ， 若 遭 遇 地震 ， 要求 伸 縮 縫 在 實 際 上一 般 橋 梁 伸 縮 縫 只 有 ， 同 時 橋 梁 結(jié) 構(gòu) 的位 移難 以回復(fù)

8、。另 外 ，被 動 控制 方 法 的主 要缺 點 是 對地 震 的頻 域特 性 非 常敏 感 ， 當?shù)?震 超 出減 震 、隔 震 裝 置的設(shè)計烈度 時 ，減震 與隔震 效 果 就 很差 。 而 阻尼 器作 為一 種高 性 能 阻尼 ， 與疊 層橡 膠 支座 共 同工 作 ，可形 成 橋梁 結(jié) 構(gòu) 的 阻 尼 器 一 疊 層 橡 膠 支 座 智 能 隔震 體 系 阻 尼 器 不僅 能 消 耗 地 震 能 量 ， 有 效 減小 地 震 響 應(yīng)， 而 且 振動 結(jié) 束 后， 通過 加 熱 利 用其形狀記憶效 應(yīng)可使橋 梁結(jié)構(gòu)復(fù) 位 ，同時通 過 實 ， 時改 變 的溫 度 ，改 變 其耗 能 能力

9、 ，可 實 現(xiàn) 對 各 種 不 同 頻 率 特 點 的 地 震 波 輸 入 都 具 有 穩(wěn) 定 的 減 震 效果 。 用 于橋 梁 主 動控 制 對于 大跨 度 的 橋梁 結(jié) 構(gòu) ， 如斜 拉橋 （ 結(jié)構(gòu) 柔 ，周 期 長） 在風(fēng) 振 和地 震 作 用下 ， 主 梁和 索 塔 的振 動 問 題 ， 不可忽 視 ，輕 則 影 響運 營 ，重 則引 起橋 梁 局 部或 整體 的破 壞 驅(qū) 動 器 和 阻 尼 器 由 于 性 能 優(yōu) 良、 可 控 性 強 ，可 用 于 以下 幾個 方面 ： （ ） 以用 驅(qū) 動器 實現(xiàn) 橋 梁 結(jié) 構(gòu) 的 主 動 阻 振 通 過 將 可 薄 膜 貼 于 受 控 梁

10、、塔 上 ，根 據(jù) 傳 感器 拾 得 的振 動信 號 ， 調(diào) 節(jié) 驅(qū) 動 器 薄 膜 的 溫 度 ， 產(chǎn) 生 一 個 與震 動 速 度 成 正 比 的 控 制 力 作 為阻 尼 維普資訊 期 陳海泉等 ：應(yīng)用形狀記 憶合金的橋梁結(jié) 構(gòu)振動控制研究 及發(fā)展 一 力，提高受控對象的模態(tài) 阻尼 比，消耗系統(tǒng)的振動能量，達到降低結(jié)構(gòu)反應(yīng) 的目的 。 （） 由于 高溫 下 奧 氏體 的彈 性 模量 是 低 溫馬 氏體 的 倍 ， 因 而 可 以 利 用 該特 性來 改 變 粱、 塔 的局部 或 整 體 剛度 ，達 到避 開共 振 的 目的， 實 現(xiàn) 對 橋 塔 或 主 梁 的 主 動 控 制 ， 降 低

11、 結(jié) 構(gòu) 的 動 荷 載 反應(yīng) 。 （） 時應(yīng) 用 同 的 彈 性 模 量 溫 度 變 化 特 性 和 形 狀 記 憶效 應(yīng) ， 將 常 溫 下 為 馬 氏 體狀 態(tài) 的 預(yù) 變 形 ，埋 人 梁 或主 塔 中 或者 與其有 限離 散 點連 接 。 當結(jié)構(gòu) 振 動 時 ， 由于 高溫 下 奧 氏體 狀態(tài) 的彈性 模 量 是低 溫 馬 氏體 的 倍 ，通 過加 熱改 變結(jié) 構(gòu) 局 部或 整 體 的剛 度及 其 振 動特 性 ； 同 時，利 用 高 溫 下 產(chǎn) 生 的 回復(fù)力 改 變結(jié) 構(gòu) 內(nèi)部 的應(yīng) 力狀 態(tài) ， 改 變結(jié) 構(gòu) 的 自振 頻率 ，從 而 避 開共 振 ， 降低 結(jié) 構(gòu) 的反 應(yīng)

12、。 （） 接 利 用 驅(qū) 動器 施 加 控 制力 于 振動 結(jié) 構(gòu) ，消 耗振 動 能量 ， 達 到 降低 結(jié) 構(gòu)反 應(yīng) 的 目的。 直 用 于拉 索振 動 控 制 對于大 跨 度 斜拉 橋 和 懸索 橋 結(jié) 構(gòu) ，拉 索是 主要 的承 力體 系 ，是 斜 拉 橋 和 懸 索橋 的 生 命 線 ， 其 振 動 特 性 直 接 影 響 整 個 橋 梁 結(jié) 構(gòu) 的 動 力 特 性 。拉 索 的振 動 比較 復(fù) 雜 ， 拉 索 振 動 控 制 問 題 一 直 是 大 跨 度 斜 拉橋 和 懸索 橋 振 動控 制 的 關(guān)鍵 問 題 之 一 。 目前 所 采 用 的拉 索 控 制 方 法 大 概 有 種

13、： 耗 能 減 震 方 式 ；（） 用 減 震 副 索：（ ） 用 專 門 的 阻 尼 減 震 （） 采 采 器。 由于 阻 尼 器具 有 形 狀 記憶 效應(yīng) 和 高 效阻 尼 性 能 ， 故 可 用來 控 制 拉索 的振 動 ， 實現(xiàn) 對 拉索 的智 能 控制 ， 如 圖 示 。 利 用 阻 尼 所 器 作 為減震 副 索 也是 值 得 探索 的。 到 目前 為止 ， 具體 在 橋 梁結(jié) 構(gòu) 振 動 控 制 中 的 應(yīng) 用 研 究 還 非 常 少 ， 由于材 料 技 術(shù) 和加 工 技術(shù) 等 方 面 的原 因 ， 目前 的 材料 性 能和 造 價使 得 在大 型 橋 梁 結(jié) 構(gòu) 上 實 現(xiàn) 這

14、 些 應(yīng)用 還有 一 定 難度 ，還 需要 進 行 大量 的應(yīng)用 研 究 。 圖 基于 阻尼器的拉索 振 動 控 制 示 意 圖 結(jié) 語 盡管 在 土木 工 程 結(jié)構(gòu) 振 動控 制 中 的應(yīng) 用研 究 已經(jīng) 取 得 一 些 成 果 ，但 是 在 橋 梁 尤 其 大 跨 度 橋 梁結(jié) 構(gòu) 振 動 控 制 中 的 應(yīng) 用 研 究 還 很 有 限 ， 制 約 在 橋 梁結(jié) 構(gòu) 振 動 控 制 研 究 中 應(yīng) 用 的 關(guān)鍵 技 術(shù) 是 ： （ ） 驅(qū) 動 器作 動 頻 率低 、驅(qū) 動力 小：（） 現(xiàn) 形 狀記 憶效 應(yīng) 的 熱 交換 速 度 慢（ ） 與其 它 材 實 料 的復(fù) 合技 術(shù) 。 因此 ，

15、對 于應(yīng) 用 的橋 梁結(jié) 構(gòu)抗 震抗 風(fēng)智 能 控制 研 究 ， 亟待 開展 的研 究 工 作 主 要 包括 以下 幾個 方 面 ： 研 究 和 開發(fā) 出作 動 頻 率 高、 驅(qū)動 力大 的 （） 驅(qū) 動 器 ， 以實 現(xiàn) 對大 跨度 橋 梁 結(jié) 構(gòu) 地 震 或 風(fēng) 致振 動 的控 制 ； 對于 大 跨 度斜 拉 橋 或懸 索橋 ，應(yīng)用 （） 改變 橋塔 或 主 梁 的 剛度 或 阻 尼 ， 減 小 橋 塔 或 主 梁 的振 動 反應(yīng) ； 研究 和開 發(fā) 實現(xiàn) （） 形 狀 記憶 效 應(yīng) 的快 速加 熱 和 冷卻 的 熱 交換 系 統(tǒng) ； 研 究 和 開 發(fā) （） 適 用 于大 跨度 斜 拉

16、橋 或懸 索 橋 拉索 振 動控 制 的 控制 器 ； 建 立 控 制 器 與 其 它 智 能 材 料 控 制 器 （） （ 壓 電陶 瓷 、磁 流 變 、 電流 變等 控 制器 ） 耦 合 的 如 相 昆合控 制 ； 建立 基 于 控 制 器 的橋 梁 結(jié) 構(gòu) 振 動 控 （） 制 的控 制算 法及 優(yōu) 化設(shè) 計 ； 基 于 （） 的橋 梁 結(jié) 構(gòu) 隔 震 系 統(tǒng) 和 主 動 控 制 系 統(tǒng) 的 昆合 控 制 系 統(tǒng) ； 基 于 （） 的橋 梁結(jié) 構(gòu) 健 康監(jiān) 測 與診 斷 。 大 跨 橋梁 結(jié) 構(gòu) ，結(jié) 構(gòu) 柔 、振 動 周期 長、振 動 能量 高 ，從 控 制 器 的性 能 特性 來 看

17、 ， 控 制器 非 常適 合應(yīng) 用 于橋 梁 結(jié) 構(gòu) 的振 動控 制 ， 隨著 材 料性 能 的 提 高， 其在 橋 梁結(jié) 構(gòu) 振 動控 制 中的 優(yōu) 良性 能 一 定 越來 越 突 出 ， 因此 ，基 于 的橋 梁結(jié) 構(gòu) 振動 控制 應(yīng) 用研 究 具有 極 其 重要 的理 論意 義 和 廣 闊 的 工程 應(yīng) 用前 景 。 參考 文 獻 ： 【】 ， ， 一 【 ， ， ： 維普資訊 世 界 地 震 工 程 卷 ， ， ： （） ， 一 ： ， ， ， ： ： ， （） ， （ ） ： 【 ， ， ： （） 【 ， ： ， ， （ ） 【 】 王健 ， 沈 亞 鵬 王 社 良 狀 記 憶 合

18、金 的 本 構(gòu) 關(guān) 系 【】 形 上 海 力 學(xué) ， ，（） ： 【 楊 杰 吳 月 華 狀 記 憶 合 金 及 其 應(yīng) 用 【 】 肥 ： 中 國 科 技 大 學(xué) 出 版 社 】 形 合 【 舟久保 ，熙康 ， 】 形狀 記憶合金【 】日本產(chǎn) 業(yè)圖書株式會社 【 】 ， （ ） ： 【 ， ： 【 ， ， ： ， ： （） 【 ， ： 【 ： 】 （） 【 ， 【 ， ， ， ： 一 【 】 ， ： ， ， ， ， 】 ： 【 】 ： ， ： 【 】 （： ） ， （ ） ： ， ， ， ， 維普資訊 期 陳 海 泉 等 ： 應(yīng) 用 形 狀 記 憶 合 金 的 橋 梁 結(jié) 構(gòu) 振 動 控 制 研 究 及 發(fā) 展 【 （） ： 【 【 】 】 ， 。： ， 【 ， ， ， ， ： 【 ， ， ： ： 【 】 ， ， ， 【 ， 】 ， 】 ， ， 一 ， ： 橋 世 ： 【 張 俊 平 李