基于智能磁流变阻尼器的千米级斜拉桥超长斜拉索振动控制研究

有效控制斜拉索的振动，对斜拉桥的结构安全至关重要。斜拉桥已进入千米级时代，斜拉索长度已接近600米。超长斜拉索的振动控制尤为困难，被动控制不能提供足够阻尼，主动控制所需能量太大。本项目研究基于智能磁流变阻尼器的半主动开环、闭环振动控制。对开环振动控制，基于复模态理论，考虑斜拉索和阻尼器各参数以及锚固端橡胶阻尼套靴影响，对单双端（梁端、塔端）、面内外设置阻尼器的拉索-阻尼器系统给出设计公式、控制策略和专用磁流变阻尼器及控制器；对面内闭环振动控制，研发自阻尼自监测智能磁流变阻尼器，结合加速度易测和只提供耗散力的特点，研究状态微分反馈控制方法；对面内外闭环控制，提出一体化智能磁流变阻尼器，基于面内外耦合振动理论，发展闭环控制设计方法及系统。经实验验证和实桥实索现场测试，给出基于智能磁流变阻尼器的千米级斜拉桥超长斜拉索振动控制设计方法，为我国千米级斜拉桥的振动控制技术发展提供理论基础和技术支持。

有效控制斜拉索的振动，对斜拉桥的结构安全至关重要。斜拉桥已进入千米级时代，斜拉索长度已接近600米。超长斜拉索的振动控制尤为困难，被动控制不能提供足够阻尼，主动控制所需能量太大。本项目通过理论分析、数值仿真、软硬件系统研发、实验验证、工程应用、设计方法凝练等环节，研究了基于智能磁流变阻尼器的半主动开环和闭环振动控制,为我国千米级斜拉桥超长斜拉索的振动控制技术发展提供了研究基础。. 按计划完成了：(1) 基于智能磁流变阻尼器的开环振动控制研究，包括：① 基于复模态理论推导了斜拉索－阻尼器系统阻尼比统一公式；② 以苏通大桥(主跨1088m)的最长斜拉索（577m）为原型，搭建了1 : 30缩尺模型索，通过实验验证，获得可直接被工程师应用的实用设计公式；（2）基于智能磁流变阻尼器的闭环振动控制研究，包括：①研发了状态微分反馈控制策略, ②研发了自监测自阻尼磁流变阻尼器和电流控制器，③研发了基于DSP芯片的拉索振动控制系统；（3）基于智能磁流变阻尼器的斜拉索振动控制工程应用，将研发的拉索振动控制系统应用于浙江省椒江二桥；（4）千米级斜拉桥拉索振动控制设计方法研究,包括：① 面向工程应用的斜拉索外置式阻尼器简化设计方法；② 超长斜拉索的振动控制设计方法。. 研究成果54项，包括：出版专著作1部，申请中、美、日、韩、欧等国家发明专利6项（3项已授权）；发表研究论文36篇（SCI 9 篇、EI 3 篇、核心期刊4篇、国际会议论文20篇，含邀请报告7篇），参编交通运输部通“斜拉索外置式粘滞阻尼器标准（JT2010-61）”，培养博士生2人、硕士生8人。. 本项目的主要性贡献在于：(1) 获得了计算斜拉索－阻尼器系统阻尼的统一公式，既可用于拉索开环振动控制的阻尼器选型设计，又可用于评价阻尼器对拉索产生的系统阻尼，为抑制斜拉索的有害振动（特别是风雨振）提供科学依据。更重要的是，所获得的实用设计公式可直接被工程师应用，对于推广半主动开环控制技术具有重要的意义；(2) 所研发的状态微分反馈控制算法、自监测自阻尼的磁流变阻尼器和控制器，以及基于DSP芯片的拉索控制系统，为千米级斜拉桥超长斜拉索的闭环振动控制提供了软硬件基础。