结构物振动控制方程多自由度结构抗震在桥梁结构中的应用

第34卷 第1l期 · 308 · 2 0 0 8年 4月 山 西 建 筑 SHA ⅨI V01．34 NO．11 Apr． 2008 文章编号：1009—6825(2008)11—0308 02 结构抗震在桥梁结构中的应用 杨 会 兵 摘 要：在分析结构物振动控制方程的基础上，对现存的结构物抗震方法做 了总结及评述，介绍了结构控制方法在桥梁 设计领域的应用，并展望了未来可能的抗震方法，以满足结构物稳定性的要求。 关键词：结构振动，抗震，稳定性，荷载 中图分类号：U442．55 文献标识码：A 结构物的稳定性，一直是人们关注的重点之一。结构物的稳 定性，不仅影响着结构的使用性能，而且影响着结构的安全性和 使用者的安全性。 影响结构物稳定性的因素主要有 ：结构物的空间特性，结构 物的结构设计，结构物对外力的耦合作用(即强迫振动)。结构物 在强迫振动下的行为特性，更是人们研究的重点。引起结构物强 迫振动的原因主要有地震力、风荷载和雨荷载等。结构物的稳定 性可以从四个方面得到保证：1)合理的空间结构设计；2)合理的 结构设计；3)合理的抗震、抗风和抗雨设计；4)合理的耗能减震设 备的采用。 #

1 结构物的振动控制方程 多自由度结构物的振动控制方程如下 ： [MIX+[C]义+[K]X：[F]。 其中，[M]为结构物的质量矩阵；[C]为结构物的阻尼矩阵； [K]为结构物的刚度矩阵；[F]为外荷载向量 ； ，义，X分别为多 自由度体系的节点位移、速度和加速度向量。 从结构振动控制方程可以看出，结构物受到动荷载作用，则 结构物产生振动。为了保证结构物的使用性能和安全性 ，则必须 限制其振动的幅度。从振动方程看，可以从以下几方面来控制结 构的振动：即分别改善方程中的质量矩阵、阻尼矩阵、刚度矩阵和 外荷载。 从质量矩阵项出发，主要是控制结构物内部各部分结构质量 所产生的加速度，使其具有更大的离散性，从而使整体结构物的 振动得到控制。从阻尼矩阵项出发，主要是控制结构物的阻尼特 性，提高结构物的阻尼比，从而利用耗能原理，达到对结构物的振 动控制。从刚度矩阵项出发 ，主要是控制结构物各组成部分刚度 的分布，使其合理化，从而达到对结构物振动的控制。从外荷载 项出发，则是减少作用在结构物上的外荷载。对于常规的外荷 载，由于荷载已精确知道，故可以有效地控制结构物的振动；但对 于偶然荷载，例如地震力、风、雨、海浪的冲击力、漂浮物的冲击力 等，其不能精确知道其大小、方向和作用点等信息，故难以准确控 制结构物的振动。

2 结构控制方法 结构控制是近年来地震工程领域中研究最多、最受人们关注 的抗震减灾技术。其基本思想是在结构的特定部位，装设某种装 置(如隔震垫等)，或某种机构(如消能支承、消能节点、消能剪力 墙、消能器等)，或某种构筑物(如水箱等)，或施加外力(外部能量 输入)，以改变或调整结构的动力特性或动力作用，使结构在地震 作用下的动力反应(加速度、速度 、位移等)得到合理的控制，从而 保证结构本身以及附属结构处于正常的使用状况，消除或减轻对 生命财产造成的严重危害。结构振动控制按是否需要外部能源 和激励可分为：被动控制、主动控制、半主动控制、混合控制以及 智能控制。 2．1 被 动控 制 被动控制是指人为隔离或消耗输入结构内的地震能量，在结 构内某部位安装弹簧、阻尼器等装置以改变结构体系的动力特 性，在不需外部能源的情况下减少结构地震反应的一种控制方 法。下面简单介绍几种被动控制体系： 1)基础隔震体系：是在上部结构与基础之问设置隔离层，以 减小地震能量向上部的传输，达到减小结构振动的目的。2)消能 减震体系：是把结构的某些非承重构件设计成消能元件 ，或在结 构的某些部位装设阻尼器，在风荷载或小地震时，这些消能构件 与阻尼器处于弹性状态，结构体系具有足够的侧向刚度以满足正 常使用要求；在强风或强震作用下，消能构件或阻尼器先进入非 弹性状态 ，产生较大的阻尼，大量耗散能量，使主体结构的动力反 应减小。 #

3)质量调谐体系：这种体系是在建筑结构的某部位(如 屋顶)设置一种控制装置，该装置由弹簧、阻尼器、质量块组成。 利用质量块的惯性力使主体结构的动力特性发生改变，从而减小 结构的地震反应，达到结构减震的目的。 2．2 结构主动控制 结构主动控制是指在结构受到地震干扰的振动过程中，利用 外部能源，按照一定的控制规律，通过 自动控制系统瞬间改变结 构的刚度、阻尼或质量，或者施加控制力以衰减结构地震反应的 控制方法。 结构主动控制装置系统包括传感器、控制器和作动器。控制 器通过传感器测量的结构振动状态，按一定的控制律计算所需控 制力 ，再通过作动器施加给结构，因为结构的振动状态是连续变 化的，因此，这一过程是一个连续的反馈控制过程，反馈控制的实 质，是改变结构的参数(如刚度、阻尼等)，从而使结构的响应受到 合适的控制。 3 结构控制方法在桥梁设计领域的应用 桥梁结构不同于其他的构筑物，由于其所处地的特性和本身 的结构特性，其抗震和抗风尤为重要。一般情况，由于水面 比较 宽阔，风力比较大。特别是海上桥梁，其一般为大跨径桥梁，横向 刚度较小，故抗风尤为重要。而处于冰冻地区的河流，河面浮冰 的存在，对于桥墩存在着重大的危害。

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目前桥梁工程中发展相对成熟、实际应用广泛的减隔震技术 就属于被动控制技术的一种。尽管大跨度桥梁(斜拉桥)的主动 控制在20世纪70年代末就已经被提出来，但对它的研究仍是大 大落后于对高耸结构的主动控制。只是因为最近十年来桥梁使用抗震钢筋，破坏性 收稿日期：2007．12．28 作者简介：~ (1973一)，男，工程师，铜陵市规划勘测设计研究院市政所，安徽 铜陵 维普资讯第34卷 第11期 2 0 0 8年 4月 山 西 建 筑 V01．34 No．11 Apr． 2008 ·309 · 文章编号：1009．6825(2008)11．0309 02 长大隧道施工通风消烟除尘新技术 赵 应 华 摘 要：结合我国隧道工程建设的现状，分析了隧道通风空气动力原理，详细地探讨了目前隧道施工中常采用的通风方 法，介绍了长大隧道施工通风消烟除尘的新技术，即湿式除尘技术，为长大隧道的快速施工提供了有利保障。 关键词：长大隧道，施工，通风，湿式除尘技术 中图分类号：U455 文献标识码 ：A 1 施工现状 随着我国经济建设的发展，隧道建设项目将会更多，带来隧 道的快速发展，独头掘进的隧道越来越长，而建设的周期将会更 短。 #

隧道通风是长大隧道施工不容忽视的重要问题，随着人们对 环境认识的提高，通风和施工之间的矛盾日益突出。为了改善洞 内施工环境 ，降低通风费用，提高通风效果，迅速将洞内施工区域 内的有害烟尘排出洞内。 2 隧道通风空气动力原理和施工常用通风方法 2．1 有害气体和粉尘主要来源 掌子面放炮是造成有害气体和粉尘的主要来源 ，其爆炸后产 生的有害物体主要是一氧化碳、氧化氮，微量硫化氢、二氧化硫， 岩尘；喷射混凝土施工主要产生水泥尘、烟尘等。 2．2 隧道通风空气动力原理 一 般隧道距离在一定范围内，相对大地来说距离很短，可不 考虑大气压变化，只有温度效应和风效。 L T ， 根据理想气体状态方程R ，其中，R为常量，温度越高， 地震的频繁发生，使人们重新认识到桥梁控制的重要性，其研究 才重新受到重视，在理论和模型试验方面开展了一些工作。 目前，全桥模型主动控制地震动力分析方法的研究还很少， 已有的研究大多也局限于单 自由度的简单模型或仅对桥梁 的某 一 部分(如索、桥面板 、桥墩等)单独进行控制研究。研究主要集 中在主动调谐质量阻尼器(AT-MD)和主动联杆控制( Ten )。 #

4 展望 结构振动控制进入当前这一时期，各种控制手段均向智能化 发展。自适应结构、智能粘弹性阻尼器、主动控制伺服设备的智 能化，将是以后的发展重点。因而控制将进入到主动控制与被动 控制并行繁荣的新阶段。人们抵抗偶然外荷载 的能力将大大增 加，大跨度桥梁、高体型建筑物将会以出乎人们预料的速度发展， 土木技术将进入一个崭新的时代。 参考文献： 体积越大，密度越小。隧道内空气运动与洞内温度及环境温度变 化及空气流速有关。所以夏季洞内温度较低，洞外温度较高，洞内 空气不好排；冬季洞内温度较高，洞外温度较低，洞内空气好排。 2．3 常用通风方法 1)压人式通风。利用洞外的大功率风机，将洞外的新鲜空气 经通风管道送人掌子面，使洞内空气压力增高，自动向洞外流动， 从而降低有害气体和粉尘浓度，并逐步将有害烟尘带出洞外，达 到改善工作环境的目的。优点：掘进工作面较干净，便于设备安 装，不需移动主机，只需加长管道。缺点：除掘进面以外的其他工 作面污染严重，如果是上坡洞或夏季，由于靠空气压力排出，使在 掘进 1 000 ITI以上将在洞口300 m左右往洞内将形成一条烟带， 能见度低，效率很低。 2)吸出式通风。 #

利用洞内大功率风机，通过风管将掌子面附 近的污浊空气吸出洞外桥梁使用抗震钢筋，使洞内空气压力降低，洞外新鲜空气 自 动补充，达到改善工作环境的目的。优点：能将有害烟尘直接排 出洞外，效果优于压人式通风。缺点 ：常需随隧道掘进移动风机 位置，接长风管，通风断断续续，为防止爆破飞石，一般风机安装在 [1]钱培风 结构抗震分析[M] 北京：地震出版社，1983 [2]张 海，阎 石，焦 莉 桥 梁结构振动控制发展综述[J] 沈 阳建筑工程学院学报(自然科学版)，2002，18(1)：15 18． [3]刘保东，朱 唏 桥梁抗震主动控制的稳定性研究[J] 中国安 全科学学报，2002，12(3)：67—70． [4]黄晓敏 用粘性阻尼器解决悬索桥的抗震问题 [J]．国外桥梁， 2000(1)：76—78． [5]史志利，周立志 大跨度桥梁抗震设计和振动控制的研究与应 用现状[J] 城市道桥与防洪，2002(4)：7—12． [6]周建春 ，刘光栋．大跨度公路桥 梁抗震分析研究[J] 桥梁建 设，1998(1)：5-9． [7]张 骏，阎贵平．减隔震支座对梁式桥抗震性能的影响[J]．中 国公路学报，2002，15(1)：38—43． [8]秦永刚．浅议桥梁结构抗震设计方法[J]．山西建筑，2006，32 (23)：87—88． of the quake-proof in the YANG Hui-bing ：On the base of the to the ，it and the quake-proof ， the of the in the field，and the quake-proof meth— ods in the ．which will need the of ． Key words： ，quake-proof，，load 收稿日期：2007—12．17 作者简介：赵应华(1972．)，男，工程师，中铁二十二局集团第一工程公司，北京 维普资讯 #