簡述橋梁結(jié)構(gòu)的風(fēng)振控制
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論文導(dǎo)讀：現(xiàn)代橋梁結(jié)構(gòu)趨于輕、柔的特點(diǎn)給結(jié)構(gòu)本身抗風(fēng)抗震性能提出了考驗(yàn)。由此可見，通過對大跨度橋梁的抗風(fēng)問題進(jìn)行理論研究，采取有效的措施把風(fēng)對橋梁的危害控制在容許范圍內(nèi)，具有十分重要的理論價(jià)值和實(shí)際意義。上世紀(jì)80年代以來，橋梁風(fēng)振控制理論研究發(fā)展迅速，并且得到了實(shí)際應(yīng)用。
關(guān)鍵詞：橋梁結(jié)構(gòu)，風(fēng)振，控制
1引言
隨著大跨度橋梁的普遍興建和高效能建橋材料的廣泛應(yīng)用，現(xiàn)代橋梁的結(jié)構(gòu)形態(tài)逐漸向大跨、輕、柔方向發(fā)展。雖然這對于美觀及經(jīng)濟(jì)性方面是有益的，但是卻給結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工甚至運(yùn)營提出了更高更嚴(yán)格的要求。大跨度橋梁作為生命線工程的重要組成部分，在政治、經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域占據(jù)著重要的地位，對于它們的安全性應(yīng)給予格外的重視�，F(xiàn)代橋梁結(jié)構(gòu)趨于輕、柔的特點(diǎn)給結(jié)構(gòu)本身抗風(fēng)抗震性能提出了考驗(yàn)。隨著大跨度柔性橋梁的出現(xiàn)，風(fēng)荷載往往成為結(jié)構(gòu)上的支配性荷載。風(fēng)是空氣從氣壓大的地方向氣壓小的地方流動(dòng)而形成的。風(fēng)在行進(jìn)中遇到結(jié)構(gòu)，就形成風(fēng)壓力，使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生振動(dòng)和變形。橋梁受風(fēng)力的作用后，結(jié)構(gòu)物振動(dòng)與風(fēng)場間產(chǎn)生的互制現(xiàn)象—空氣彈力效應(yīng)所引起的氣動(dòng)力不穩(wěn)定現(xiàn)象機(jī)率大為增加，強(qiáng)風(fēng)、弱風(fēng)都有可能使之整體或局部產(chǎn)生損壞。例如，1940年11月7日，美國華盛頓州建成才4個(gè)月的老塔科馬(Tacoma)懸索橋(主跨853m)僅在8級大風(fēng)作用下就發(fā)生強(qiáng)烈的風(fēng)致振動(dòng)而破壞的嚴(yán)重事故。該事件促使了橋梁工程界對結(jié)構(gòu)風(fēng)致振動(dòng)的研究，并由此發(fā)展了一門新的學(xué)科—橋梁風(fēng)工程學(xué)。近幾年來，隨著我國大跨度橋梁的建設(shè)，橋梁風(fēng)害也時(shí)有發(fā)生，江西九江長江公鐵兩用鋼拱橋吊桿的渦激共振；上海楊浦大橋斜拉索的渦振和雨振損壞套索等。由此可見，通過對大跨度橋梁的抗風(fēng)問題進(jìn)行理論研究，采取有效的措施把風(fēng)對橋梁的危害控制在容許范圍內(nèi)，具有十分重要的理論價(jià)值和實(shí)際意義。
2橋梁結(jié)構(gòu)的風(fēng)致振動(dòng)
橋梁結(jié)構(gòu)風(fēng)致振動(dòng)可分為兩大類：一類為限幅振動(dòng)，主要包括抖振和渦激振；另一類為發(fā)散性振動(dòng)，主要包括馳振和顫振。
橋梁的抖振是指橋梁結(jié)構(gòu)在紊流場作用下的隨機(jī)性強(qiáng)迫振動(dòng)。根據(jù)現(xiàn)有研究成果，抖振雖然并不像顫振那樣引起災(zāi)難性的失穩(wěn)破壞，但是過大的抖振響應(yīng)在橋梁施工期間可能危及施工人員和機(jī)械的安全，在成橋運(yùn)營階段則會(huì)帶來結(jié)構(gòu)剛度問題而影響行人和車輛的舒適性以及引起交變應(yīng)力縮短構(gòu)件的疲勞壽命。
氣流繞過物體時(shí)，在物體兩側(cè)會(huì)形成不對稱脫落的漩渦，從而形成交替作用在物體上的橫風(fēng)向的渦激力或力矩，結(jié)構(gòu)在這種類似簡諧力的作用下，就會(huì)發(fā)生橫風(fēng)向或扭轉(zhuǎn)的渦激振動(dòng)，并且在漩渦脫落頻率與結(jié)構(gòu)的自振頻率一致時(shí)將發(fā)生渦激共振。對橋梁結(jié)構(gòu)而言，除透風(fēng)率大于50%的桁架主梁可以不考慮渦激振動(dòng)外，一般均需對主梁整體的渦激振動(dòng)。此外，大跨度系桿拱橋的吊桿、斜拉橋的斜拉索、懸索橋和斜拉橋在施工階段的獨(dú)塔等也易于發(fā)生渦激振動(dòng)。論文參考網(wǎng)。
浸沒在氣流中的彈性體本身會(huì)發(fā)生變形或振動(dòng)，這種變形或振動(dòng)相當(dāng)于氣體邊界條件的改變，從而引起氣流力的變化，氣流力的變化又會(huì)使彈性體產(chǎn)生新的變形或振動(dòng)，這種氣流力與結(jié)構(gòu)相互作用的現(xiàn)象稱為氣動(dòng)彈性現(xiàn)象。氣動(dòng)力不穩(wěn)定是一種典型的氣動(dòng)彈性現(xiàn)象。氣流中的結(jié)構(gòu)在某種力的作用下?lián)锨駝?dòng)，這種初始撓曲又相繼引起一系列具有振蕩或發(fā)散特點(diǎn)的撓曲，這就是氣動(dòng)彈性不穩(wěn)定。一切氣動(dòng)彈性不穩(wěn)定現(xiàn)象都必含有因物體運(yùn)動(dòng)而作用在物體上的氣動(dòng)力，這種氣動(dòng)力就是自激力。橋梁結(jié)構(gòu)的馳振與顫振是兩種最主要的氣動(dòng)彈性不穩(wěn)定現(xiàn)象，并可能造成嚴(yán)重的災(zāi)難性后果。
3橋梁風(fēng)振的控制方法
對于大跨徑橋梁，風(fēng)致振動(dòng)的形式多種多樣，各種風(fēng)致振動(dòng)的機(jī)理也不同。單純采用空氣動(dòng)力學(xué)措施并不能兼顧各個(gè)方面。理想的做法是選擇適當(dāng)?shù)目諝鈩?dòng)力學(xué)措施，同時(shí)采用適當(dāng)?shù)恼駝?dòng)控制措施(如增加阻尼器)來進(jìn)一步抑制和減小橋梁結(jié)構(gòu)風(fēng)致振動(dòng)。1972年Yao提出了結(jié)構(gòu)控制的概念，將控制論引入了土木工程結(jié)構(gòu)之中，從而開辟了嶄新的研究領(lǐng)域。論文參考網(wǎng)。上世紀(jì)80年代以來，橋梁風(fēng)振控制理論研究發(fā)展迅速，并且得到了實(shí)際應(yīng)用。就目前技術(shù)水平而言，結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制技術(shù)主要包括基礎(chǔ)隔震、被動(dòng)耗能減振、主動(dòng)控制、半主動(dòng)控制、混合控制及智能控制等。
基礎(chǔ)隔震是在上部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)之間設(shè)置水平柔性層，延長結(jié)構(gòu)側(cè)向振動(dòng)的基本周期，使基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)的基本周期遠(yuǎn)離地震動(dòng)的卓越周期，使上部結(jié)構(gòu)的地震作用、橫向剪力大幅度減小。同時(shí)，結(jié)構(gòu)在地震反應(yīng)過程中大變形主要集中在基礎(chǔ)隔震層處，而結(jié)構(gòu)本身的相對變形很少，此時(shí)可近似認(rèn)為上部結(jié)構(gòu)是一個(gè)剛體，從而為建筑物的提供良好的安全保障。
結(jié)構(gòu)耗能減振就是把結(jié)構(gòu)的某些非承重構(gòu)件(如支撐、剪力墻、連接件等)設(shè)計(jì)成耗能元件，或在結(jié)構(gòu)的某些部位(層間空間、節(jié)點(diǎn)、連接縫等)裝設(shè)耗能裝置。在小幅振動(dòng)時(shí)，這些耗能元件或耗能裝置具有足夠的初始剛度，處于彈性狀態(tài)，結(jié)構(gòu)仍具有足夠的側(cè)向剛度以滿足使用要求。當(dāng)出現(xiàn)大幅振動(dòng)時(shí)，隨著結(jié)構(gòu)側(cè)向變形的增大，耗能元件或耗能裝置率先進(jìn)入非彈性狀態(tài)，產(chǎn)生較大阻尼，大量消耗輸入結(jié)構(gòu)的地震或風(fēng)振能量。
結(jié)構(gòu)主動(dòng)控制是在結(jié)構(gòu)受到外部激勵(lì)而發(fā)生振動(dòng)的過程中，利用外部能源瞬時(shí)施加控制力或瞬時(shí)改變結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性，以迅速衰減和控制結(jié)構(gòu)振動(dòng)反應(yīng)的一種減振控制技術(shù)。結(jié)構(gòu)主動(dòng)控制需要實(shí)時(shí)測量結(jié)構(gòu)反應(yīng)或環(huán)境干擾，采用現(xiàn)代控制理論的主動(dòng)控制算法在精確的結(jié)構(gòu)模型上運(yùn)算和決策最優(yōu)控制力，最后作動(dòng)器在很大的外部能量輸入下實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制力。在結(jié)構(gòu)反應(yīng)觀測基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的主動(dòng)控制成為反饋控制，而結(jié)構(gòu)環(huán)境干擾觀測基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的主動(dòng)控制則稱為前饋控制。
結(jié)構(gòu)半主動(dòng)控制是在主動(dòng)控制的基礎(chǔ)上提出的，是一種以參數(shù)控制為主的結(jié)構(gòu)控制技術(shù)。它是根據(jù)控制系統(tǒng)的輸入輸出要求，利用控制機(jī)構(gòu)來實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)內(nèi)部的參數(shù)，使結(jié)構(gòu)參數(shù)處于最優(yōu)狀態(tài)。結(jié)構(gòu)半主動(dòng)控制的原理與結(jié)構(gòu)主動(dòng)控制的基本相同，只是實(shí)施控制力的作動(dòng)器需要少量的能量調(diào)節(jié)以便使其主動(dòng)地甚至可以說是巧妙地利用結(jié)構(gòu)振動(dòng)的往復(fù)相對變形或相對速度，盡可能地實(shí)現(xiàn)主動(dòng)最優(yōu)控制力。因此，半主動(dòng)控制作動(dòng)器通常是被動(dòng)的剛度或阻尼裝置與機(jī)械式主動(dòng)調(diào)節(jié)器復(fù)合的控制系統(tǒng)。
混合控制是主動(dòng)控制和被動(dòng)控制的聯(lián)合應(yīng)用，使其協(xié)調(diào)起來共同工作。這種控制系統(tǒng)充分利用了被動(dòng)控制與主動(dòng)控制各自的優(yōu)點(diǎn)，它既可以通過被動(dòng)控制系統(tǒng)大量耗散振動(dòng)能量，又可以利用主動(dòng)控制系統(tǒng)來保證控制效果，比單純的主動(dòng)控制能節(jié)省大量的能量，因此有著良好的工程應(yīng)用價(jià)值。
把經(jīng)驗(yàn)和直覺推理、綜合判斷等人類生物技能應(yīng)用于一般控制之中，使結(jié)構(gòu)具有感知、辨識(shí)、優(yōu)化和自我控制等功能的控制稱為智能控制。論文參考網(wǎng)。結(jié)構(gòu)振動(dòng)的智能控制是國際振動(dòng)控制研究的前沿領(lǐng)域，主要涉及智能材料、人工智能、自動(dòng)控制、力學(xué)、電學(xué)、機(jī)械和計(jì)算機(jī)等多門學(xué)科。結(jié)構(gòu)智能控制主要包括兩類：一類是利用智能材料研制的智能減振控制裝置對結(jié)構(gòu)實(shí)施的局部振動(dòng)控制；另一類是將模糊邏輯控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制和遺傳算法等智能控制算法應(yīng)用于結(jié)構(gòu)的振動(dòng)控制。由智能材料制成的智能可調(diào)阻尼器和智能材料驅(qū)動(dòng)器等智能減振控制裝置構(gòu)造簡單、調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)容易、能耗小、反應(yīng)迅速、時(shí)滯小，在結(jié)構(gòu)主動(dòng)控制、半主動(dòng)控制、被動(dòng)控制中有廣闊的應(yīng)用前景。
對于橋梁結(jié)構(gòu)的風(fēng)振控制，應(yīng)依據(jù)不同的部位，采取響應(yīng)的振動(dòng)控制措施。例如，對于橋梁主體的風(fēng)振控制目前主要采用減振技術(shù)。比較成熟的控制裝置有調(diào)諧質(zhì)量阻尼器（TMD）、調(diào)諧液體阻尼器（TLD）等，其中以TMD應(yīng)用最為廣泛。對于斜拉橋、懸索橋的索塔風(fēng)振控制裝置多采用主動(dòng)質(zhì)量驅(qū)動(dòng)器（AMD）及懸掛式TMD。對于拉索振動(dòng)控制，由于其振動(dòng)機(jī)理比較復(fù)雜，因而拉索控制方式的探索也較活躍。大致有三種：其一，耗能減振方式，即采用高阻尼橡膠做成膠圈，安裝在拉索的鋼導(dǎo)管中。其二，采用專門的阻尼減振器，即在拉索與橋面相交處設(shè)置一對阻尼器，用以減小拉索自由長度，反饋拉索振動(dòng)時(shí)的相對位移和相對速度。其三，采用減振副索，即用不銹鋼絲繩將斜拉索連起來，借以增強(qiáng)拉索間的互相約束，增大附加阻尼。
4重點(diǎn)研究方向
鑒于橋梁風(fēng)致振動(dòng)控制當(dāng)前存在的不足，應(yīng)對其成橋后和施工狀態(tài)下的風(fēng)振理論及控制進(jìn)行進(jìn)一步的研究，主要有：空氣振動(dòng)的控制理論、控制措施、裝置及相應(yīng)的試驗(yàn)研究；數(shù)值模擬風(fēng)洞及空氣的動(dòng)力穩(wěn)定性計(jì)算的計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)研究；大跨度橋梁結(jié)構(gòu)體系的空氣動(dòng)力穩(wěn)定性研究及相應(yīng)的全橋模型實(shí)驗(yàn)；施工階段空氣動(dòng)力穩(wěn)定性研究及相應(yīng)試驗(yàn)；空氣動(dòng)力參數(shù)的識(shí)別方法、評價(jià)及相應(yīng)的風(fēng)洞試驗(yàn)。以上問題的研究和解決勢必為橋梁的建造產(chǎn)生直接的指導(dǎo)作用，使橋梁的振動(dòng)控制研究更加科學(xué)、經(jīng)濟(jì)、可靠。
5結(jié)語
經(jīng)過國內(nèi)外學(xué)者、工程界人士的不斷探索和實(shí)踐，橋梁結(jié)構(gòu)風(fēng)振控制取得了豐富的研究成果和巨大的進(jìn)展。雖然目前橋梁風(fēng)振控制技術(shù)在工程中的應(yīng)用還剛剛起步，還有許多問題尚未解決。但是相信隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，有關(guān)各種技術(shù)難題會(huì)逐步得到完善，橋梁結(jié)構(gòu)風(fēng)振控制技術(shù)必將會(huì)被更廣泛的應(yīng)用到實(shí)際工程當(dāng)中。
