CN106969895A - 基于磁流变支座‑阻尼器的小尺度三跨桥梁缓冲隔振平台及设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于磁流变支座‑阻尼器的小尺度三跨桥梁缓冲隔振平台及设计方法，该方法具体为：由基于无量纲分析的相似理论，从反映动力学特性的物理量量纲角度出发，推导出刚度、阻尼可调的磁流变支座和磁流变阻尼器原型和模型间的相似关系，以该相似关系为指导设计符合试验需求的小尺度磁流变支座和磁流变阻尼器；推导出三跨桥梁隔振原型系统和小尺度台架模型系统间的相似关系，以该相似关系为基础并采用小尺度磁流变支座和阻尼器，完成台架模型的设计。本发明集桥梁主动隔振、被动隔振与桥梁隔振测控于一体，具有功能多、兼容性强、参考价值高、设计合理等优点，能有效完成基于磁流变材料的桥梁隔振试验，为提高桥梁隔振平台技术提供有力支撑。

Description

基于磁流变支座-阻尼器的小尺度三跨桥梁缓冲隔振平台及 设计方法

技术领域

本发明属于建筑、桥梁隔振技术领域，具体涉及一种基于磁流变支座-阻尼器的小尺度三跨桥梁缓冲隔振平台设计方法及装置。

背景技术

在桥梁冲击防护设计中,通常通过增加结构自身强度或者采用被动橡胶支座提高结构的平面缓冲隔振能力。然而被动橡胶支座在突发的载荷(如地震、平面冲击振动等)作用下，不能调节自身横向刚度、提升强度来降低结构在大水平剪切力作用下产生的破坏性位移，也不能产生更大的形变阻尼来耗散瞬间的冲击能量；而将传统被动支座和阻尼器联合使用的方法，总体上也缺乏良好的抗平面冲击和振动隔离的兼容能力，因而成为结构安全体系中的薄弱环节。

磁流变弹性体(Magneto-rheological Elastomers，MRE)是近年来出现的一种新型智能材料，它是将微米级铁磁颗粒散布在聚合介质(如橡胶)中形成的一种柔性固状混合体，其刚度和阻尼等材料特性可以通过外加磁场来控制，同时兼具传统磁流变液的优点，如可逆性好、响应快、可控能力强等，又克服了其稳定性差、易沉降等缺点。基于MRE材料设计的磁流变支座能克服传统被动橡胶支座的不足，提高系统结构的抗冲防护能力，已成为结构抗震减灾领域的研究热点。同时，磁流变支座结合已有的磁流变阻尼器，可以取得更为优良的缓冲隔振效果。

将刚度和阻尼可调的磁流变支座和磁流变阻尼器一起应用在桥梁隔振系统中的研究鲜有报道且具有重大意义，而对其进行试验研究又是不可或缺的环节。但由于大型工程项目在实验室进行实物研究，具有不易操作、成本高、难以实现等缺点，而简易的几何相似也不能反映出实际工程系统的动力学特征等。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种基于磁流变支座-阻尼器的小尺度三跨桥梁缓冲隔振平台及设计方法。该平台主要由桥梁模拟系统、地震模拟振动台以及控制模块组成，通过这个平台，可以实现不同激励下桥梁缓冲隔振试验并对比传统被动减隔震支座和主动缓冲隔振支座的差别、模拟实际地震中桥梁系统的损耗等功能。

本发明的目的之一是通过以下技术方案来实现的，基于磁流变支座-阻尼器的小尺度三跨桥梁缓冲隔振平台设计方法，其特征在于：该方法具体为：由基于无量纲分析的相似理论，从反映动力学特性的物理量量纲角度出发，推导出刚度、阻尼可调的磁流变支座和磁流变阻尼器原型和模型间的相似关系，以该相似关系为指导设计符合试验需求的小尺度磁流变支座和磁流变阻尼器；进一步推导出三跨桥梁隔振原型系统和小尺度台架模型系统间的相似关系，以该相似关系为基础并采用小尺度磁流变支座和阻尼器，完成台架模型的设计。

根据权利要求1所述的基于磁流变支座-阻尼器的小尺度三跨桥梁缓冲隔振平台设计方法，其特征在于：

选取表征原三跨桥系统动力学特性的物理量为：质量m、刚度k、阻尼c、力A_F、频率ω、时间t、位移x、速度加速度以质量M、长度L、时间T作为基本量纲，则所选取的物理量的量纲为：[m]＝M，[k]＝MT^-2，[c]＝MT^-1，[A_F]＝MLT^-2,[ω]＝T^-1，[t]＝T，[x]＝L，设y₁为m的量纲次数，y₂为k的量纲次数，y₃为c的量纲次数，y₄为A_F的量纲次数，y₅为ω的量纲次数，y₆为t的量纲次数，y₇为x的量纲次数，y₈为的量纲次数，y₉为的量纲次数；构造无量纲数π如式(1)所示；

根据量纲齐次原则，写出上式的量纲有：

整理后可得：

同样由量纲其次原则可得：

将式(4)中y₂，y₃，y₄用y₁，y₅，y₆，y₇，y₈，y₉表示可得：

将式(5)带入式(1)可得

设π₁，π₂，π₃，π₄，π₅，π₆为六个无量纲数，在式(6)中，令y₁＝1，y₅＝y₆＝y₇＝y₈＝y₉＝0，则可得到同理令y₅＝1，y₁＝y₆＝y₇＝y₈＝y₉＝0，则可得到令y₆＝1，y₁＝y₅＝y₇＝y₈＝y₉＝0，则可得到令y₇＝1，y₁＝y₅＝y₆＝y₈＝y₉＝0，则可得到令y₈＝1，y₁＝y₅＝y₆＝y₇＝y₉＝0，则可得到令y₉＝1，y₁＝y₅＝y₆＝y₇＝y₈＝0，则可得到

设模型化后的台架系统参数为：质量m_t、刚度k_t、阻尼c_t、力频率ω_t、时间t_t、位移x_t、速度加速度令实际工程系统和台架试验系统的参数比值,即质量相似比P_m，刚度相似比P_k，阻尼相似比P_c，力相似比频率相似比P_ω，时间相似比P_t，位移相似比P_x，速度相似比加速度相似比分别为：

由π₁，π₂，π₃，π₄，π₅，π₆可得模型参数的相似比有如下关系：

由振动学知识可知，因此，令：

将式(8)带入到模型参数的相似比关系中，可得系统的相似关系如式(9)所示

本发明的目的之二是通过以下技术方案来实现的，基于磁流变支座-阻尼器的小尺度三跨桥梁缓冲隔振平台，包括振动台、桥墩模拟体、磁流变支座、桥面模拟平面、位移传感器、加速度传感器、桥台模拟体、控制模块和磁流变阻尼器；其中，桥墩模拟体固定在振动台的台面上，桥台模拟体固定在地面上；桥面模拟平面与桥台模拟体连接；磁流变支座固定在桥面模拟平面与桥墩模拟体之间；位移传感器和加速度传感器固定在桥面模拟平面上；磁流变阻尼器安装在桥台模拟体和桥面模拟平面之间；振动台模拟地震带动整个平台运动；位移传感器和加速度传感器分别检测桥面模拟平面的振动位移和振动加速度，并将检测到的信号传递到控制模块；控制模块对各个信号进行计算得到反馈电流，并输出反馈电流给磁流变支座和磁流变阻尼器，磁流变支座和磁流变阻尼器通过调节刚度和阻尼来降低平台的振动响应。

进一步，所述磁流变阻尼器可拆卸且能变换位置。

由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点：

针对大型工程项目在实验室中的试验难以进行，本发明设计了刚度和阻尼可调的小尺度磁流变支座和磁流变阻尼器并进一步设计了小尺度三跨桥梁模拟系统；同时通过加速度传感器和位移传感器以及控制模块，组成了一个完整的桥梁主动缓冲隔振测控系统。因此，本平台集桥梁主动隔振、被动隔振与桥梁隔振测控于一体，具有功能多、兼容性强、可参考价值高、设计合理等优点，能有效完成基于磁流变材料的桥梁隔振试验，可为提高桥梁隔振平台技术提供有力支撑。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的俯视图；

图3为本发明的侧视图；

图4为本发明桥梁缓冲隔振测试、控制、评价结构框图。

其中：1为振动台、2为桥墩模拟体、3为磁流变支座、4为桥面模拟平面、5为位移传感器、6为加速度传感器、7为桥台模拟体、8为控制模块、9为磁流变阻尼器。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述；应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。

本发明涉及一种基于磁流变支座-阻尼器的小尺度桥梁缓冲隔振平台设计方法及装置，其设计方法为：选取表征原三跨桥系统动力学特性的相关物理量为：质量m、刚度k、阻尼c、力A_F、频率ω、时间t、位移x、速度加速度以质量(M)、长度(L)、时间(T)作为基本量纲，则所选取的物理量的量纲为：[m]＝M，[k]＝MT^-2，[c]＝MT^-1，[A_F]＝MLT^-2,[ω]＝T^-1，[t]＝T，[x]＝L，设y₁为m的量纲次数，y₂为k的量纲次数，y₃为c的量纲次数，y₄为A_F的量纲次数，y₅为ω的量纲次数，y₆为t的量纲次数，y₇为x的量纲次数，y₈为的量纲次数，y₉为的量纲次数；构造无量纲数π如式(1)所示。

根据量纲齐次原则，写出上式的量纲有：

整理后可得：

同样由量纲其次原则可得：

将式(4)中y₂，y₃，y₄用y₁，y₅，y₆，y₇，y₈，y₉表示可得：

将式(5)带入式(1)可得

设π₁，π₂，π₃，π₄，π₅，π₆为六个无量纲数，在式(6)中，令y₁＝1，y₅＝y₆＝y₇＝y₈＝y₉＝0，则可得到同理令y₅＝1，y₁＝y₆＝y₇＝y₈＝y₉＝0，则可得到令y₆＝1，y₁＝y₅＝y₇＝y₈＝y₉＝0，则可得到令y₇＝1，y₁＝y₅＝y₆＝y₈＝y₉＝0，则可得到令y₈＝1，y₁＝y₅＝y₆＝y₇＝y₉＝0，则可得到令y₉＝1，y₁＝y₅＝y₆＝y₇＝y₈＝0，则可得到

设模型化后的台架系统参数为：质量m_t、刚度k_t、阻尼c_t、力频率ω_t、时间t_t、位移x_t、速度加速度令实际工程系统和台架试验系统的参数比值(即质量相似比P_m，刚度相似比P_k，阻尼相似比P_c，力相似比频率相似比P_ω，时间相似比P_t，位移相似比P_x，速度相似比加速度相似比)分别为：

由π₁，π₂，π₃，π₄，π₅，π₆可得模型参数的相似比有如下关系：

由振动学现有知识可知，因此，令：

将式(8)带入到模型参数的相似比关系中，可得系统的相似关系如式(9)所示

式(9)为理论计算出的相似关系，实际操作过程中由于影响结构参数的因素很多，保持原型和模型间的完全相似是很难达到的。尤其是模型比例较小的情况下，由于技术、经济等多方面的原因和模型参数之间的相互影响，一般很难做到模型与实物完全相似，结合已有的振动知识，在平台搭建的过程中，着重考虑磁流变支座和磁流变阻尼器的刚度与阻尼的相似，兼顾桥墩的弹性模量、质量和桥面的长度、质量等的相似，弱化各部件其他属性如密度、强度等的相似关系，确定符合实际需求的相似关系。

根据前文所述相似关系，设计出小尺度磁流变支座和磁流变阻尼器并进一步设计出小尺度三跨桥梁缓冲隔振平台如图1所示，本发明提供的一种基于磁流变支座的桥梁缓冲隔振平台的装置，包括1、振动台2、桥墩模拟体3、磁流变支座4、桥面模拟平面5、位移传感器6、加速度传感器、桥台模拟体8、控制模块9、磁流变阻尼器。桥墩模拟体2固定在振动台1的台面上，桥台模拟体7固定在地面上；桥面模拟平面4与桥台模拟体7连接；磁流变支座3固定在桥面模拟平面4与桥墩模拟体2之间；位移传感器5和加速度传感器7固定在桥面模拟平面4上；磁流变阻尼器9安装在桥台模拟体7和桥面模拟平面4之间；控制模块8通过磁流变支座3控制桥面模拟平面4的振动情况。(图1为本发明的结构示意图，图2为本发明的俯视图，图3为本发明的侧视图。)

进一步，在设计出隔振平台的基础上对平台进行控制，其控制流程如图4所示，运行时调整所述振动台1的输入，振动激励带动整个平台的振动；位移传感器6和加速度传感器把检测采集到桥面模拟平面5的位移和加速度信号传递给控制模块8；控制模块8根据采集到的信号，确定反馈电流并将电流通给磁流变支座3和磁流变阻尼器10；磁流变支座3和磁流变阻尼器9通电流后，刚度和阻尼会发生变化进而降低桥面模拟平面4的振动位移和振动加速度，以此达到缓冲隔振的目的。(图4为本发明的控制流程。)

同时，磁流变支座3和磁流变阻尼器9在未加电流的时候，支座的刚度和阻尼不变，当施加一个一定范围内的电流后，支座和阻尼器的刚度和阻尼会因为磁流变效应产生改变。在一定范围内电流越大，磁流变支座和阻尼器的刚度和阻尼越大，因而通过控制电流的大小就能控制磁流变支座3和磁流变阻尼器9的刚度和阻尼。另外，不通电流的时候，磁流变支座3等效于被动隔振支座，因此本发明可以进行多种被动隔振、主动隔振的隔振性能的对比试验。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (4)

1.基于磁流变支座-阻尼器的小尺度三跨桥梁缓冲隔振平台设计方法，其特征在于：该方法具体为：由基于无量纲分析的相似理论，从反映动力学特性的物理量量纲角度出发，推导出刚度、阻尼可调的磁流变支座和磁流变阻尼器原型和模型间的相似关系，以该相似关系为指导设计符合试验需求的小尺度磁流变支座和磁流变阻尼器；进一步推导出三跨桥梁隔振原型系统和小尺度台架模型系统间的相似关系，以该相似关系为基础并采用小尺度磁流变支座和阻尼器，完成台架模型的设计。

2.根据权利要求1所述的基于磁流变支座-阻尼器的小尺度三跨桥梁缓冲隔振平台设计方法，其特征在于：

选取表征原三跨桥系统动力学特性的物理量为：质量m、刚度k、阻尼c、力A_F、频率ω、时间t、位移x、速度加速度以质量M、长度L、时间T作为基本量纲，则所选取的物理量的量纲为：[m]＝M，[k]＝MT^-2，[c]＝MT^-1，[A_F]＝MLT^-2,[ω]＝T^-1，[t]＝T，[x]＝L，设y₁为m的量纲次数，y₂为k的量纲次数，y₃为c的量纲次数，y₄为A_F的量纲次数，y₅为ω的量纲次数，y₆为t的量纲次数，y₇为x的量纲次数，y₈为的量纲次数，y₉为的量纲次数；构造无量纲数π如式(1)所示；

$\mathrm{\π}=m^{y_1}{k}^{y_2}{c}^{y_3}{A}_F^{y_4}{\mathrm{\ω}}^{y_5}{t}^{y_6}{x}^{y_7}{\stackrel{\·}{x}}^{y_8}{\stackrel{\·\·}{x}}^{y_9}---\left(1\right)$

根据量纲齐次原则，写出上式的量纲有：

$\[1\]={\[M\]}^{y_1}{\[{\mathrm{MT}}^{-2}\]}^{y_2}{\[{\mathrm{MT}}^{-1}\]}^{y_3}{\[{\mathrm{MLT}}^{-2}\]}^{y_4}{\[T^{-1}\]}^{y_5}{\[T^{-1}\]}^{y_6}{\[T\]}^{y_7}{\[{\mathrm{LT}}^{-1}\]}^{y_8}{\[{\mathrm{LT}}^{-2}\]}^{y_9}---\left(2\right)$

整理后可得：

$\[1\]={\[M\]}^{y_1+y_2+y_3+y_4}{\[T\]}^{-2y_2-y_3-2y_4-y_5+y_6+y_7-y_8-2y_9}{\[L\]}^{y_4+y_7+y_8+y_9}---\left(3\right)$

同样由量纲其次原则可得：

$\left\{\begin{array}{c}{y}_1+y_2+y_3+y_4=0\\ -2y_2-y_3-2y_4-y_5+y_6+y_7-y_8-2y_9=0\\ y_4+y_7+y_8+y_9=0\end{array}\right.---\left(4\right)$

将式(4)中y₂，y₃，y₄用y₁，y₅，y₆，y₇，y₈，y₉表示可得：

$\left\{\begin{array}{c}{y}_2=y_1-y_5+y_6+2y_7-y_9\\ y_3=-2y_1+y_5-y_6-y_7+y_8+2y_9\\ y_4=-y_7-y_8-y_9\end{array}\right.---\left(5\right)$

将式(5)带入式(1)可得

$\begin{array}{c}\mathrm{\π}=m^{y_1}{k}^{y_1-y_5+y_6+2y_7-y_9}{c}^{-2y_1+y_5-y_6-y_7+y_8+2y_9}{A}_F^{-y_7-y_8-y_9}{\mathrm{\ω}}^{y_5}{t}^{y_6}{x}^{y_7}{\stackrel{\·}{x}}^{y_8}{\stackrel{\·\·}{x}}^{y_9}\\ ={\[\frac{mk}{c^2}\]}^{y_1}{\[\frac{c\mathrm{\ω}}{k}\]}^{y_5}{\[\frac{kt}{c}\]}^{y_6}{\[\frac{k^{2}x}{{\mathrm{cA}}_F}\]}^{y_7}{\[\frac{c\stackrel{\·}{x}}{A_F}\]}^{y_8}{\[\frac{c^2\stackrel{\·\·}{x}}{{\mathrm{kA}}_F}\]}^{y_9}\end{array}---\left(6\right)$

设π₁，π₂，π₃，π₄，π₅，π₆为六个无量纲数，在式(6)中，令y₁＝1，y₅＝y₆＝y₇＝y₈＝y₉＝0，则可得到同理令y₅＝1，y₁＝y₆＝y₇＝y₈＝y₉＝0，则可得到令y₆＝1，y₁＝y₅＝y₇＝y₈＝y₉＝0，则可得到令y₇＝1，y₁＝y₅＝y₆＝y₈＝y₉＝0，则可得到令y₈＝1，y₁＝y₅＝y₆＝y₇＝y₉＝0，则可得到令y₉＝1，y₁＝y₅＝y₆＝y₇＝y₈＝0，则可得到

设模型化后的台架系统参数为：质量m_t、刚度k_t、阻尼c_t、力频率ω_t、时间t_t、位移x_t、速度加速度令实际工程系统和台架试验系统的参数比值,即质量相似比P_m，刚度相似比P_k，阻尼相似比P_c，力相似比频率相似比P_ω，时间相似比P_t，位移相似比P_x，速度相似比加速度相似比分别为：

$\left\{\begin{array}{c}{P}_m=\frac{m}{m_t},P_k=\frac{k}{k_t},P_c=\frac{c}{c_t}\\ P_{A_F}=\frac{A_F}{A_{F_t}},P_{\mathrm{\ω}}=\frac{\mathrm{\ω}}{{\mathrm{\ω}}_t},P_t=\frac{t}{t_t}\\ P_x=\frac{x}{x_t},P_{\stackrel{\·}{x}}=\frac{\stackrel{\·}{x}}{{\stackrel{\·}{x}}_t},P_{\stackrel{\·\·}{x}}=\frac{\stackrel{\·\·}{x}}{{\stackrel{\·\·}{x}}_t}\end{array}\right.---\left(7\right)$

由π₁，π₂，π₃，π₄，π₅，π₆可得模型参数的相似比有如下关系：

$\frac{P_m{P}_k}{{P_c}^2}=1,\frac{P_c{P}_{\mathrm{\ω}}}{P_k}=1,\frac{P_k{P}_t}{P_c}=1,\frac{{P_k}^2{P}_x}{P_c{P}_{A_F}}=1,\frac{P_c{P}_{\stackrel{\·}{x}}}{P_{A_F}}=1,\frac{P_{c^2}{P}_{\stackrel{\·\·}{x}}}{P_k{P}_{A_F}}=1$

由振动学知识可知，因此，令：

$\left\{\begin{array}{c}{P}_{\mathrm{\ω}}=\mathrm{\ξ}\\ P_m=\mathrm{\λ}\\ P_x=\mathrm{\δ}\end{array}\right.---\left(8\right)$

将式(8)带入到模型参数的相似比关系中，可得系统的相似关系如式(9)所示

$\left\{\begin{array}{ccc}{P}_t={\mathrm{\ξ}}^{-1}& P_c=\mathrm{\ξ}\mathrm{\λ}& P_k={\mathrm{\ξ}}^2\mathrm{\λ}\\ P_{A_F}={\mathrm{\ξ}}^3\mathrm{\λ}& P_{\stackrel{\·}{x}}={\mathrm{\ξ}}^2\mathrm{\δ}& P_{\stackrel{\·\·}{x}}={\mathrm{\ξ}}^3\mathrm{\δ}\end{array}\right.---\left(9\right).$

3.基于磁流变支座-阻尼器的小尺度三跨桥梁缓冲隔振平台，其特征在于：包括振动台(1)、桥墩模拟体(2)、磁流变支座(3)、桥面模拟平面(4)、位移传感器(5)、加速度传感器(6)、桥台模拟体(7)、控制模块(8)和磁流变阻尼器(9)；其中，桥墩模拟体(2)固定在振动台(1)的台面上，桥台模拟体(7)固定在地面上；桥面模拟平面(4)与桥台模拟体(7)连接；磁流变支座(3)固定在桥面模拟平面(4)与桥墩模拟体(2)之间；位移传感器(5)和加速度传感器固定在桥面模拟平面(4)上；磁流变阻尼器(9)安装在桥台模拟体(7)和桥面模拟平面(4)之间；振动台模拟地震带动整个平台运动；位移传感器和加速度传感器分别检测桥面模拟平面的振动位移和振动加速度，并将检测到的信号传递到控制模块；控制模块对各个信号进行计算得到反馈电流，并输出反馈电流给磁流变支座和磁流变阻尼器，磁流变支座和磁流变阻尼器通过调节刚度和阻尼来降低平台的振动响应。

4.根据权利要求3所述的基于磁流变支座-阻尼器的小尺度三跨桥梁缓冲隔振平台，其特征在于：所述磁流变阻尼器(9)可拆卸且能变换位置。