连续体系桥梁的主动及混合控制抗震性能评价

曹 猛 张复明 刘晓珊

(湖北省交通规划设计院股份有限公司，湖北 武汉 430051)



连续体系桥梁的主动及混合控制抗震性能评价

曹 猛 张复明 刘晓珊

(湖北省交通规划设计院股份有限公司，湖北 武汉 430051)

对某4×50 m单向预应力混凝土桥进行了主动及混合控制抗震性能测试，通过MATLAB编程搭建了元模型，利用地震仿真平台进行施力与数据监测，并采用滤波器搭建模型，分析了墩底弯矩和支座的剪力—位移曲线，研究发现，主动控制抗震法明显降低了墩底弯矩，混合控制抗震法则不能减小连续体系桥梁的墩底弯矩。

连续桥梁，主动控制，混合控制，抗震性能

连续体系桥梁因具有节约材料等优势在当今桥梁建设中被广泛应用。一般的连续体系桥梁具有隔震的抗震设计，这种抗震模式往往只能针对固定类型或级别的地震产生抵抗效果，但是在发生高强度地震的情况下，由于连续体系桥梁的延性设计，会造成一定的塑性破坏，给桥梁整体稳定性能带来很大影响[1]。在隔震性能的基础上，采用主动控制抗震法则能够有效避免该不足情况，然而眼观当下国内文献，这种混合控制抗震法的研究很少针对连续体系桥梁建设，研究对象大多为具有悬索结构的桥梁吊桥一类，联系体系桥梁不能获得高效的抗震性能，因此，对连续体系桥梁的主动及混合控制抗震性能的研究具有一定的价值与积极意义。本文在对混凝土桥的抗震性能研究上，通过对主动控制参数进行控制变量，在施力器、控制对象参数上进行调整，研究抗震高效性，同时考虑支座非线性影响，进而提出改进措施。

1 连续体系桥梁的主动与混合控制抗震性能研究

1.1 连续体系桥梁工程基本信息与参数

本文抗震性能研究对象为4×50 m单向预应力混凝土桥，高2.8 m，宽15 m，桥梁整体结构如图1所示，几何截面特性参考表1。

表1 截面主要特性

部位截面积A/m2横桥向弯矩lx顺桥向弯矩ly延米自重/kN·m-1主梁6.9987.375.28200桥墩4.257.460.69105

在保持其他参数一定的情况下，对墩梁刚构与连续桥梁进行研究，墩梁刚构的主梁边界为上部两种普通支座连续桥台，下部为固结的形式；而连续桥梁则是5个双向隔震支架分别位于桥墩与桥台。通过对墩梁刚构桥采用主动控制抗震法，对连续桥梁采用混合抗震法，分别研究桥梁抗震性能。具体的研究方法中，针对两种桥梁分别在支座安装2个以及5个主动控制施力器，图2为主动控制施力器、传感器与混合控制施力器、传感器的具体安装位置信息。

1.2 元模型搭建

通过运用美国商业数学编程软件MATLAB对桥梁进行部分元模型的搭建，三维立体元模型如图3所示。

该元模型中，对箱梁、支座、桥墩、墩身等分别采用弹性梁模拟、双折线模拟、非线性空间模拟、截面特性模拟等，并对节点运用相应的刚域模拟，同时在模型搭建中，为避免误差带来的性能评测影响，采取了统一质量的矩阵。

本文通过对五种类型的地震进行参数输入，将控制效果进行分析对比，发现North Palm Springs等五种地震参数输入后的控制效果基本一致，因此，在文中将列举North Palm Springs作为主要的地震仿真模拟。

1.3 主动与混合控制抗震性能研究

通过主动控制施力器的作用，对元模型进行施力，为保证仿真试验的最优化，防止其他因素对研究结果产生较大影响，本文还运用了模型缩减技术，并建立滤波器控制模型，做到最大程度的参数优化，减少误差。

图4为抗震仿真平台模块，由图4可知，在该模块中，首先将实测输出与传感器进行连接，接着ym在传感器的转化下变为电压模拟信号ys，控制器再将施力器在控制器的作用下产生力，施力器则会根据控制器的信息输出对桥梁进行力的施加，进而达到主动控制力的桥梁抗震测试效果[3]。在该模块中，ye的作用是对算法效果的输出，而传感器的输出是横桥向的绝对加速度、支座位移、施力器位移等参数的输出，控制器是对参数yr的输出。墩底刚构桥梁元模型中的施力器设置于两个桥台与箱梁之间，而连续桥梁设置于桥台、桥墩与箱梁之间。

本研究中，主动控制法最主要是为了算得最高效的控制力f，从而得出最佳控制性能。yr的输出是表达最佳控制性能指标的参数，主动控制法确定权矩阵后再进行变量计算，最终得到其他的参数。滤波器的作用是进行桥梁反应状态的判断，滤波器与控制器中的反馈系数是相互独立的；模型压缩器的作用是将原有的196个桥梁模型状态缩小为30个，在保证元模型主要特性的情况下，减少了控制器中的计算量，降低误差。

1.4 主动与混合控制抗震性能结果评价

该研究发现，主动与混合控制在刚构与连续桥中的表现具有共同点，即两种桥梁中2号桥墩的受力最大，在性能评价中，主要对2号桥墩受力结果以及墩底横桥向弯矩曲线进行分析，其曲线如图5所示。

由图5可知：

1)连续桥梁中的2号桥墩最大弯矩为9 900 kN·m，刚构桥的2号桥墩最大弯矩为17 000 kN·m。研究发现，连续桥梁主动控制抗震方法中，桥墩弯矩相比混合控制法降低了42%，效果显著。

2)对混合控制抗震效益的不足进行分析研究发现，其2号墩底弯矩之所以没有显著降低是因为支座刚度非线性变化，并且在研究中发现，其余四种地震类型产生的结果全部类似，由此可见，基于隔震性能的主动控制法并不适用于桥梁地震抗性的应用。

3)为更准确地探究连续体系桥梁的主动与混合控制抗震性能，对墩底刚构桥梁采用主动控制法，结果发现，2号桥墩的最大弯矩相较于之前的混合控制法减少了5 700 kN·m，通过对其余四种地震类型的参数输入研究后发现，2号桥墩的最大弯矩相较于混合控制法均有较大的减少，说明主动控制抗震法能够有效降低墩底刚构桥梁桥墩的横桥向最大弯矩，即对刚构桥的抗震性能具有明显提升。

2 基于连续体系桥梁的混合控制抗震性能改进

本次研究中，在基于原有的隔震性能下，通过元模型的构建与地震仿真模拟施力发现，主动控制法中的控制器不能够有效降低桥梁墩底最大弯矩，抗震性能明显较低，往往遇到高强度地震时，这种支座会进入非弹性的状态，产生塑性变化，影响桥梁整体结构的稳定性。在支座初始的刚度下进行主动控制不能够提升混合控制抗震的性能，为了改进不足，本文提出了主动控制器的刚度变化自动适应策略，采用能够自动适应刚度变化的主动控制器，进而提供合适的参数变化，在滤波器观察与反馈中，不仅要对非线性进行判断，同时要考虑刚度矩阵的状态，这样一来才能够确定主动控制器的合适参数，通过这种改进方法的运用后，连续桥梁墩底的弯矩时程曲线振幅明显降低，2号墩底最大弯矩变化为6 850 kN·m，整体抗震性能趋于稳定状态。

3 结语

通过对连续体系桥梁的刚构桥与连续梁桥采用数学编程进行部分元模型搭建，在保障参数性能最优化的情况下，运用滤波器与模型压缩器进行观察与信息反馈，进而保证MATLAB程序的正常运作。研究通过地震仿真参数的输入，利用主动控制器向桥梁提供地震参数力，对受力影响最大的桥墩墩底横桥向弯矩曲线进行分析，发现主动控制抗震方法能够明显提升桥梁抗震性能，对混合控制法提出了增加主动控制器的自动适应性能方案，这种改进起到了显著的效果。

[1] 王克海，李 茜.桥梁抗震的研究进展[J].工程力学，2015，24(S2):75-82.

[2] 朱军涛.连续体系桥梁的主动及混合控制抗震研究[J].桥梁建设，2016,46(3):45-50.

[3] 曹新建，袁万城，高 永，等.大跨度连续梁拱组合体系桥梁减震设计[J].工程抗震与加固改造，2014，32(3):30-35.

The seismic performance evaluation of active and hybrid control for continuous system bridges

Cao Meng Zhang Fuming Liu Xiaoshan

(Hubei Communication Planning and Design Institute Limited Company by Share, Wuhan 430051, China)

This paper made active and hybrid control seismic performance test of a 4×50 m single pre-stressed concrete bridge, through the MATLAB programming constructed the element model, using the seismic simulation platform made force and data monitoring, and used the filter to build a model, analyzed the shear force-displacement curve of pier bottom bending moment and support, the research found that the active control seismic method obviously reduced the pier bottom seismic moment, the hybrid control method could not decrease the pier bottom bending moment of continuous system bridges.

continuous bridge, active control, hybrid control, seismic performance

1009-6825(2017)12-0147-02

2017-02-15

曹 猛(1989- )，男，硕士，助理工程师； 张复明(1986- )，男，硕士，助理工程师； 刘晓珊(1988- )，女，硕士，助理工程师

U442.55

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