淺談磁流變支座對(duì)橋梁減隔震的影響

徐 祥 趙偉寧

(1.揚(yáng)州大學(xué)建筑科學(xué)與工程學(xué)院 江蘇 揚(yáng)州 225127)(2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)交通科學(xué)與工程學(xué)院 黑龍江 哈爾濱 150001)

一、引言

經(jīng)過(guò)近幾年交通運(yùn)輸業(yè)的發(fā)展，我國(guó)的高速鐵路網(wǎng)已經(jīng)得到初步完善，規(guī)模初步形成。到2012年，我國(guó)的高速鐵路已經(jīng)運(yùn)營(yíng)9356公里的里程，達(dá)到世界首位。高速鐵路戰(zhàn)略的實(shí)施，對(duì)于橋梁的安全性能提出了更高的要求。

許多學(xué)者研究地震激勵(lì)所誘發(fā)的車橋系統(tǒng)的振動(dòng)及行車穩(wěn)定性、地震動(dòng)的空間變異性對(duì)大跨度橋梁的影響時(shí)，發(fā)現(xiàn)地震發(fā)生時(shí)，在橋梁上運(yùn)行的車輛在橋梁振動(dòng)的頻率和振幅的激發(fā)下，產(chǎn)生滾擺振動(dòng)，振幅超過(guò)一定限度就會(huì)發(fā)生脫軌的危險(xiǎn)。地震對(duì)車橋體系振動(dòng)的影響不容忽視。

傳統(tǒng)的橋梁支座無(wú)法調(diào)節(jié)自身橫向剛度、提升強(qiáng)度來(lái)抑制結(jié)構(gòu)在大水平剪切力作用下產(chǎn)生的破壞性位移，也無(wú)法產(chǎn)生更大的形變阻尼耗散瞬間的振動(dòng)能量，缺乏良好的隔振能力，成為結(jié)構(gòu)安全體系中的最薄弱環(huán)節(jié)的。而基于磁流變材料構(gòu)成的磁流變支座(MRB)具有優(yōu)異的磁控性能。因此，利用其制作的隔震支座，結(jié)合合適的控制算法，可以根據(jù)外部的振動(dòng)情況實(shí)時(shí)改變磁場(chǎng)進(jìn)而改變自身的剛度與阻尼特性，具有響應(yīng)快、可逆性好、可控能力強(qiáng)、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，已成為結(jié)構(gòu)抗震減災(zāi)領(lǐng)域的新熱點(diǎn)。

二、減隔震技術(shù)

隔震技術(shù)并不是加固結(jié)構(gòu)而是減小結(jié)構(gòu)對(duì)地震的響應(yīng)。通過(guò)在橋墩和橋梁上部結(jié)構(gòu)之間增設(shè)墊層，增大結(jié)構(gòu)的自振周期來(lái)避開地震的卓越周期。同時(shí)墊層會(huì)增加結(jié)構(gòu)的阻尼耗散地震能減小地震作用下梁部的加速度和變形，從而減少橋梁的破壞。減隔震的方式一般有一下三種：(1)增大阻尼。阻尼是振動(dòng)控制系統(tǒng)能量耗散的直接結(jié)果，具有足夠阻尼的減隔震裝置能夠消耗地震能，減小地震對(duì)結(jié)構(gòu)的瞬時(shí)沖擊，使結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)減小。(2)放大結(jié)構(gòu)的自振周期。隔震裝置水平剛度可變，在強(qiáng)度等級(jí)較小的地震作用下可提供足夠的剛度，減小上部結(jié)構(gòu)在地震作用下的水平位移。當(dāng)?shù)卣饛?qiáng)度等級(jí)較高時(shí)上部結(jié)構(gòu)水平滑移，使橋梁結(jié)構(gòu)變成“柔性”結(jié)構(gòu)擴(kuò)大結(jié)構(gòu)自振周期，降低結(jié)構(gòu)在地震作用下的響應(yīng)。(3)選用遠(yuǎn)小于結(jié)構(gòu)水平剛度的減隔震裝置。此類減隔震裝置可以能夠減小結(jié)構(gòu)在地震作用下響應(yīng)，使結(jié)構(gòu)從激烈的晃動(dòng)降低為緩慢的長(zhǎng)周期的整體平動(dòng)。由大變形轉(zhuǎn)為小變形，保證結(jié)構(gòu)安全。

根據(jù)裝置的控制方式、能源的輸入不同，結(jié)構(gòu)減隔震控制主要分為被動(dòng)、主動(dòng)、半主動(dòng)和混合控制這4種。被動(dòng)控制是一種隨著結(jié)構(gòu)振動(dòng)而自動(dòng)作出回應(yīng)的無(wú)外加能源的控制。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、維護(hù)方便。主動(dòng)控制人為編制結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制算法實(shí)施控制，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本昂貴?；旌峡刂剖窃谝粋€(gè)結(jié)構(gòu)上同時(shí)配置兩種或兩種以上的控制裝置來(lái)控制結(jié)構(gòu)的振動(dòng)反應(yīng)，充分發(fā)揮不同控制裝置的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，從而大幅提高減隔震效果。

三、磁流變支座系統(tǒng)

磁流變彈性體(MRE)是一種新型材料，為提出一種能夠控制剛度阻尼的新型隔震裝置提供了可能[1]。其可以通過(guò)改變外加磁場(chǎng)，根據(jù)結(jié)構(gòu)的實(shí)時(shí)響應(yīng)進(jìn)行控制，改變隔震結(jié)構(gòu)的基本周期，避免與地震周期的重合，從而減輕過(guò)度的結(jié)構(gòu)振動(dòng)。磁流變彈性體憑借其剪切模量可通過(guò)外加磁場(chǎng)控制，成為目前比較有前景的新型智能材料。目前，已經(jīng)設(shè)計(jì)出可通過(guò)改變線圈的電流大小，智能調(diào)節(jié)支座的水平等效剛度和等效阻尼比的磁流變彈性體智能隔振支座。

其主要有橋梁連接機(jī)構(gòu)、疊層支撐機(jī)構(gòu)、勵(lì)磁機(jī)構(gòu)、安裝環(huán)四部分組成。疊層機(jī)構(gòu)是由導(dǎo)磁鋼板和磁流變彈性體交替堆疊在一起的。勵(lì)磁機(jī)構(gòu)主要由線圈控制電流大小產(chǎn)生電磁；豎向荷載主要由鐵芯、鋼盤、疊層共同承受。

值得一提的是，根據(jù)重慶大學(xué)徐彥青[2]試驗(yàn)所得的磁流變支座的參數(shù)可知，實(shí)際試驗(yàn)通電線圈中的電流超過(guò)3A時(shí)，支座會(huì)出現(xiàn)磁飽和現(xiàn)象，這可能是大電流會(huì)使線圈溫度升高，支座的磁性能受溫度影響明顯所致。如果繼續(xù)增大電流的話，支座的剛度和阻尼不會(huì)繼續(xù)增加，甚至?xí)p小。后續(xù)研究者對(duì)此現(xiàn)象還需注意。

四、高速鐵路橋梁減隔震設(shè)計(jì)方法

高速鐵路橋梁抗設(shè)計(jì)方法已經(jīng)經(jīng)過(guò)多年的研究，并取得許多寶貴的經(jīng)驗(yàn)。起初，通過(guò)靜力學(xué)方法探究地震動(dòng)特性完善了靜力學(xué)理論。該理論假設(shè)結(jié)構(gòu)振動(dòng)與地震動(dòng)相似，將總質(zhì)量與地震動(dòng)的乘積簡(jiǎn)化為慣性力，用慣性力直接擬作作用在結(jié)構(gòu)上的靜力來(lái)模擬地震效應(yīng)。這種簡(jiǎn)化的優(yōu)點(diǎn)在于對(duì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的建筑效果顯著，對(duì)于一些復(fù)雜建筑具有很大的局限性。地震動(dòng)主要有三個(gè)基本的要素：持續(xù)時(shí)間，振幅，頻譜。

五、影響因素和減震效果

大量的磁流變彈性體隔震支座資料顯示影響磁流變彈性體支座隔震效果的因素很多，從支座的力學(xué)性能角度出發(fā)，隔震支座的特征強(qiáng)度、屈服前剛度，屈服后剛度，直接影響支座的隔震效果。

研究表明高速鐵路橋梁磁流變彈性體隔振支座后，從整體角度看橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)均有減小[2]。梁體跨中位移、墩頂位移、墩頂加速度、墩底彎矩減震效果明顯，減震控制幅度可超過(guò)35%[3]，而梁體跨中加速度、墩底剪力減震效果稍弱。高速鐵路橫向位移控制是保證列車安全舒適性、軌道穩(wěn)定性、橋梁結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵。隨著支座電流的增加，梁體跨中橫向位移、墩頂橫向位移不斷減小，位移的減小是由于阻尼增加和結(jié)構(gòu)周期減小，都能降低位移反應(yīng)。磁流變彈性體隔振支座能夠有效地降低梁體跨中橫向位移、墩頂橫向位移，從而保證橋梁結(jié)構(gòu)和列車的安全。

六、結(jié)語(yǔ)

從目前已知的磁流變隔震支座的研究來(lái)看，隔震效果較為理想，尤其是梁體跨中位移、墩頂位移、墩頂加速度、墩底彎矩減震效果明顯，減震控制幅度可超過(guò)35%，而梁體跨中加速度、墩底剪力減震效果稍弱。高速鐵路橫向位移控制是保證列車安全舒適性、軌道穩(wěn)定性的關(guān)鍵，隨著支座電流的增加，梁體跨中橫向位移、墩頂橫向位移不斷減小，表明磁流變彈性體隔振支座工作電流的增加能夠有效地降低梁體跨中橫向位移和墩頂橫向位移，驗(yàn)證了支座的有效性。但是，由于缺乏成品磁流變支座參數(shù)和高速鐵路設(shè)計(jì)細(xì)則等，許多問(wèn)題有待于解決。此外如何智能調(diào)節(jié)電流的大小也需要進(jìn)一步的研究。但不可否認(rèn)的是，磁流變隔震支座為橋梁減隔震技術(shù)的發(fā)展提供了新的可能。