地震行波输入下大跨连续刚构桥梁半主动控制效应分析

振!动!与!冲!击

第"#卷第"期

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地震行波输入下大跨连续刚构桥梁半主动控制效应分析

亓兴军;"!李小军""!申永刚@

#;‘山东建筑工程学院土木工程系"济南"<8;8;%"‘中国地震局工程力学研究所"哈尔滨;<88>8%

@‘浙江大学交通工程研究所"杭州@;88"9$

!!摘!要!给出了地震行波输入下大跨度桥梁的半主动控制分析方法"对一座四跨连续刚构桥梁进行了具有不同视

波速的行波输入下的半主动控制计算分析"并与地震动一致输入下的计算结果进行比较&结果表明"行波效应对该大跨连续刚构桥梁的地震反应和减震效果影响显著"对主梁和桥墩均会在较低视波速地震行波输入时表现出不利影响&为此"建议在确定半主动控制系统的参数时应考虑地震行波效应的影响以确保控震效果&

关键词!行波效应"半主动控制"连续刚构桥梁"一致地震输入中图分类号!/,@#!!!文献标识码!)

!!典型的梁式桥由主梁,支座,桥墩组成"最简单而

实用的桥梁减震控制模型是将主梁视为刚体"质量集中在支座顶端"将桥墩视为弹性体"质量集中在桥墩顶部"组成一个两自由度系统&这种模型对相邻墩,支座具有相同特性的桥梁具有很好的近似"对认识桥梁的地震响应控制特性有较好的工程意义’@(&但是对于全面认识整体桥梁的地震反应控制规律具有很大的局限性"特别是对于大跨桥梁"将无法考虑地震动多点输入的影响&因此"有必要对整体桥梁建立全桥计算模型"进行全桥多点输入下的地震反应半主动控制&地震行波效应会对无控制大跨连续刚构桥梁的主梁产生不利影响’=("且半主动控制可以有效地控制受到多点激励的大跨度斜拉桥地震反应’<"?("行波效应对大跨度斜拉桥半主动控制地震反应的控制效果影响明显"其中顺桥向位移响应更加减小"主跨跨中竖向位移会有所增加’#(&而对于行波效应对大跨连续刚构桥梁半主动控制减震效果影响的研究"却相对较少&所以"有必要对行波输入下的大跨连续刚构桥梁半主动控制进行较为详细的计算分析"以对该类桥梁减震半主动控制系统的设计提供有意义的建议&

本文针对一座大跨连续刚构桥梁"考虑地震波以不同的入射角入射"即具有不同水平视波速的行波输入"建立全桥模型进行桥梁地震反应的半主动控制计算分析"探讨行波效应对连续刚构桥梁半主动控制的影响&

作动器三部分&其计算方法包含两个方面"一是主动最优控制力的确定%二是半主动控制装置阻尼力的实施规则"通常也称为半主动控制律&

地震动多点输入下的结构半主动控制系统运动方程为!

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式#;$中"E为结构位移矩阵"L为控制力矩阵&下标#

表示桥梁结构非支承节点"W表示桥梁结构支承节点&

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结构总反应-可分为准静力反应#和动力反

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两部分!

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式#"$中"EW为支承节点的地震动位移"由式#;$,#"$

可得结构非支承结点的运动方程为!

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初始条件为!

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结构非支承结点的准静力反应为!

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--

!"地震动多点输入下桥梁半主动控制计算

方法

!!桥梁结构半主动控制系统包括传感器,控制器和

基金项目!国家自然科学基金资助重点项目#<8=@?8@8$收稿日期!"88<:;;:8"!修改稿收到日期!"88<:8":;@

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引入状态向量KU

[E]"则结构非支承结点的运动方

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程可以表示为以下形式的状态方程!

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-

万方数据第一作者亓兴军男"博士生";?9=年生

;;>振动与冲击!!!!!!!!!!!!!!!!!!"889年第"#卷

K#-K8$U8

其中"

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$#$"桥梁半主动控制

!!为了衡量半主动控制系统的减震效果"引入减震率的概念"其值根据桥梁结构地震反应的大小来定义!

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<%#-$YLZ式中!<6#-$和<9#-$分别为未设置阻尼器以及设置阻%%

尼器时结构第%个自由度的地震反应"‘K个自%为第%由度的减震率&

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!#!"主动最优控制力的确定

!!采用全状态反馈的JF5经典最优控制算法"定义系统的二次型性能指标为

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r"-’K/FKCL/

5L(_-#9$8

其中"F和5为权矩阵&可以求得主动最优控制力向

量为L

#-$U:SK#-$"式中"SU5:;Q/

>是状态反馈增益矩阵"其中>由以下’OCCLDO矩阵代数方程求解!

P/>C>PD>Q5

D;Q/>CFB8#>$于是"调整性能目标权函数F和5"经过多次试算可以

求得主动最优控制力L#-$"并使半主动控制最大控制力等于主动控制最大控制力&!#$"半主动控制律的实施方法

!!半主动变阻尼控制装置是被动地依赖于控制装置的相对变形来实现期望的控制力"并且只能实现阻止控制装置所在位置相对运动的控制力&半主动控制力6%##-$与半主动阻尼力@%<#-$的关系为6%##-

$U:@-

%<#-$%线性粘滞阻尼器的阻尼力为@%<#-$U9%<,%##-$"其中9-

%<是线性粘滞阻尼器的可变阻尼系数",%#

#-$是结构半主动变阻尼控制系统相应于阻尼器所在位置的相对速度&对于线性粘滞阻尼器"半主动界限2Q5dLD最

优控制算法#GAYO

$可以表示为@-

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$"连续刚构桥梁地震反应半主动控制

!!首先建立全桥的有限元计算模型"在两端桥台处

分别设置一组线性粘滞阻尼器"采用半主动控制算法"各桥墩处输入考虑行波效应的纵桥向地震动时程"进行桥梁结构半主动控制计算&$#!"桥梁计算模型

!!某高墩大跨连续刚构桥"其跨度组合为;;8YV"

]"88YV;;8Y

"主梁截面形式为单箱单室截面"桥墩为双肢空心薄壁墩"墩高分别为!;号墩高度<8Y""号

墩高度;88Y

"@号墩高度?8Y"两端桥台处设置盆式橡胶活动支座;所示&

万方数据

&该连续刚构桥梁的有限元计算模型如图

图;!连续刚构桥梁有限元计算模型

在桥梁左右两端桥台的支座位置处各设置一个半

主动控制阻尼器"阻尼器安装示意图如图"所示&两个阻尼器阻尼力最大值分别为978E(#左桥台$和

>78E(#右桥台$"采用半主动控制律GAYO

"计算桥梁在地震动一致输入下的半主动控制地震反应"保持半主动控制系统的设计参数不变化"计算地震行波输入下的桥梁半主动控制地震反应&

图"!阻尼器安装示意图

%"计算及结果分析

!!本文中地震动输入采用T*3AJDQ5#(1"ELI";>"

;?=8$地震动时程"假定桥梁各个桥墩处的地震动时程输入相同"但依次滞后一段时间"为了探讨行波输入对半主动控制的影响"假设平面行波以不同的入射角入

射"地震波地面视波速分别取为#888YbG,@888YbG,

"888YbG,;888YbG,><8YbG,988YbG,#88YbG,<88YbG,=88YbG,@88YbG,"88YbG

"根据相邻桥墩之间的距离"计算得到各桥墩地震动输入的时间延迟量&一般情况下"桥梁工程场地地震行波对应的地表视波速数值取大于<88YbG较为合适"但本文为了能适当考虑深厚覆盖土层的特殊情况下桥基地震输入受浅土层的影响作用"将地表视波速数值取到了"88YbG"即对应于土层波速小于"88YbG而以大角度入射地震波的较为极端情况&

通过该桥地震动一致输入下未加控制的地震反应计算分析可知"该桥第一,二个桥墩墩顶纵向位移_Z;,

第"期!!!!!!!!!!!亓兴军等!地震行波输入下大跨连续刚构桥梁半主动控制效应分析;;?

_Z"和第一,二跨跨中竖向位移_I;,_I"数值较大"同时第一,二跨跨中弯矩E;,E@和;,"号桥墩墩底弯矩E",E=数值较大"所以取以上_Z;,_Z",_I;,_I",E;,

表!

视波速#YbG$

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$ibCYOFJ纵向位

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竖向位FJ移_I;GAYO

$ib#C$YOFJ竖向位

移_I"GAYO

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$ib#E$(7YOFJ墩底

"GAYO弯矩E

$ib#E(7Y$O

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E",E@,E=的数值作为该桥地震反应结果输出&

表;为不同视波速行波输入下未加控制#FJ$和半

$的桥梁最大地震反应计算结果&主动控制#GAYO

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地震动行波输入下桥梁最大地震反应

!!图@:图;8为未加控制#FJ$和半主动控制#GAYO$的最大地震反应随不同视波速的变化曲线&

图<!第;跨中竖向位移_I;行波效应曲线

图@!第;墩顶纵向位移_Z;行波效应曲线

图#!第"跨中竖向位移_I"行波效应曲线

图=!第"墩顶纵向位移_Z"行波效应曲线万方数据

图9!第;跨中弯矩E;行波效应曲线

图>!第;墩底弯矩E"行波效应曲线

图?!第"跨中弯矩E@行波效应曲线

图;8!第"墩底弯矩E=行波效应曲线

图;;:图;"为各最大地震反应的减震率随不同

视波速的变化曲线&

分析计算结果可以得到以下结论万方数据

!

图;;!位移减震率行波效应曲线

图;"!弯矩减震率行波效应曲线

;$行波效应对该连续刚构桥梁地震反应影响较大"

且无控制与半主动控制的地震反应随视波速的变化趋势基本相同&较低视波速的行波输入会降低;,"号桥墩墩顶纵向位移,第;跨跨中竖向位移和弯矩,;号桥墩墩底弯矩"但是会增大第"跨跨中竖向位移和弯矩"并且"号桥墩墩底弯矩也在视波速为"88YbG时显著增大&

"$行波输入对该桥各地震反应的减震率具有显著影响"各地震反应的减震率在低视波速时表现出明显的震荡现象"且均在视波速为<88YbG左右时减震率最低&这可能与半主动控制系统参数的设计有关"本文的参数是依据地震动一致输入时主动控制地震反应为基础设计的"为了提高减震效果"可以选择合理视波速#例如<88YbG$的行波输入作为依据来设计半主动控制系统参数&

@$地震行波效应引起的桥梁地震反应包括准静力反应和动力反应两部分"半主动控制只能对桥梁动力反应实施控制"而不能控制桥梁的准静力反应部分"这也是该桥半主动控制在低视波速时减震效果变差的重要原因&

("结"论

!!本文建立了行波输入下大跨度桥梁地震反应半主动控制的分析方法"对一座四跨连续刚构桥梁进行了不同视波速行波输入下的半主动控制数值模拟"并与地震动一致输入下的半主动控制地震反应作了比较"从而得出以下结论!

"下转第!’!页#

车维修""88""#7

陈燕虹"刘宏伟"雷海蓉7半主动空气悬架的参数自调整模

(7吉林大学学报""88@"@@!<)>7糊控制仿真’$

$OAlOL55R_LJ/74F6LK5gGKB716O_OJPY5_AC5JDQ565BLCDOdA".GFGMAJGO5JB5QDQLJGODNFGAGNLGA_5JLJ5dA6LOQGMQOJPY5_A6

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aQ5CAA_OJPG5BDRA"88;-TTTOJDAYLDO5JL635JBAQAJCA’$(75J35JDQ56)MM6OCLDO5JG1AMDAYNAQ""88;"<)97ELGLGROSLGF_L"/LKLRO_A%GLKL"ELGL5-KA_L7+AA_B5QgLQ_C5JDQ565BLdONQLDO5JOG56LDO5JGIGDAYB5Q_OGDFQNLJCAGFMMQAGf

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赵志苏"尹力明7磁悬浮列车空气悬架系统研究’$液压(7与传动""88@";"!"@)"<7周艳琼"子!荫7电控空气悬架的性能及检修’$商用汽(7

’=;(’="(

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朱德库等7空气弹簧及其控制系统’E(7山东科学技术出版社";?>?7杨!松7空气弹簧悬架的发展历史及应用’$商用汽车"(7"88@"@!#")#;7

甄龙信"张文明"王国彪"油气悬架综述’$有色金属"(7"88="<#!@#)==7薛晓红7空气弹簧在振动实验设备中的应用和设计改进

机械制造""88@"=;!@;)@"7’$(7

郑红霞"谢基龙"王文静张治国7高速客车空气弹簧垂向特性的非线性有限元仿真’$北方交通大学学报""88="=!(7?@)?97

叶珍霞"朱海潮"陈纯"唐春峰7用有限元法分析胶囊对空

(7噪声与振动控制""88<""<气弹簧垂向特性的影响’$

#@$!"")"<7

(7季!光7客车空气悬架的使用和维护’$商用汽车"

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张忠平"王文生"丁国宾"刘志华7空气弹簧漏风故障的调

(7查分析和研究’$铁道机车车辆""88=""=!#;)#@7

徐!伟"何!琳7空气弹簧强度分析7海军工程大学学报""88<";9!?@)?#7赵!昕"李!杰7非线性参数结构系统的参数识别’$振(7动与冲击""88=""@#;$!;;@);;>7张立军"陈学文7车辆非线性随机响应的统计线性化研究

振动与冲击""88=""@#@$!@@)@97’$(7

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"上接第!$=页#

!!;$行波效应对该大跨连续刚构桥梁半主动控制制方法时"应该根据桥梁的具体结构参数和桥址处工地震反应和减震效果均具有显著影响"且无控制与半程场地地震安全性评价工作等进行详细的计算分析"主动控制的地震反应随视波速的变化趋势基本相同&确保所采用的减震控制方法安全有效&

参考文献对于主梁和桥墩"都存在某一较低数值的视波速使行

’;(欧进萍7(7结构振动控制)))主动,半主动和智能控制’E波输入下的地震反应大于一致输入下的地震反应&各

北京!科学出版社""88@7关键控制量地震反应的减震率均在低视波速时表现出

’"(胡聿贤7地震工程学’E(7北京!地震出版社";?>>7

震荡现象"都存在某一较低数值的视波速使减震率大

高架桥梁地震响应磁流变阻尼器#E’’@(陈水生7$半主动控

大降低&所以行波效应对该桥主梁和桥墩均会表现出制’$长安大学学报#自然科学版$""88@""@##$!(7不利影响"并不是只对主梁具有不利影响"在进行半主=8)=@7动控制系统参数设计时应该重视行波效应的影响以确行波激励下大跨度连续刚构桥的地震反’=(李忠献"史志利7

地震工程与工程振动""88@""@#"$!#>)9#7应分析’$(7保控制系统的减震效果&

)-iANOJPFLJP$OJHROJP25JPZOL71AYOfLCDOdAC5Jf’<(0"2"hL"$半主动控制装置只能对该大跨桥梁的动力反

DQ565BLCLN6A:GDLIA_NQO_PAFJ_AQYF6DOM6AfGFMM5QDAZCODLf

应实施控制"而不能控制桥梁的准静力反应部分"这是

5FQJL65BiRAmOLJP&JOdAQGODI13-T(3TDO5JG’$(7$""88="<

该桥半主动控制在低视波速时减震效果变差的重要

#@$!@;9)@"<7

原因&’#(王成博"史志利"李忠献7大跨度斜拉桥地震反应E’阻尼

@$地震行波效应对大跨桥梁地震反应具有严重(7天津大学学报""88<"@>#"$!?<);8;7器半主动控制’$

’9(范立础7(7桥梁抗震’E上海!同济大学出版社";??97影响的根本原因仍然是一个地震动输入问题"无论是

’>(金!江"刘红梅"洪俊青7利用1E)进行桅杆振动控制的否采用减震控制方法"都没有改变大跨桥梁不同支承

(7振动与冲击""88=""@#@$!;8@);;87研究’$

处的地震动输入"即减震控制方法并没有改变行波效

’?(代泽兵"黄金枝"王红霞7基于智能阻尼器的大跨度斜拉桥

应对桥梁地震反应具有严重影响的根本条件"而只是

(7振动与冲击""88<""=#"$!多支承激励地震振动控制’$

消耗了地震动输入桥梁结构的部分能量&同时"地震##)987动多点输入对桥梁地震反应的影响非常复杂"且与桥’;8(邹立华"赵人达7(7组合隔震结构的振动控制研究’$振动梁结构参数密切相关&因此"在应用桥梁结构振动控与冲击""88<""=#"$!>8)>@7

万方数据

地震行波输入下大跨连续刚构桥梁半主动控制效应分析

作者：作者单位：

亓兴军， 李小军， 申永刚， QI Xing-jun， LI Xiao-jun， SHEN Yong-gang

亓兴军,QI Xing-jun(山东建筑工程学院土木工程系,济南,250101)， 李小军,LI Xiao-jun(中国地震局工程力学研究所,哈尔滨150080)， 申永刚,SHEN Yong-gang(浙江大学交通工程研究所,杭州310027)

振动与冲击

JOURNAL OF VIBRATION AND SHOCK2007,26(2)1次

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本文链接：/Periodical_zdycj200702029.aspx

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