基于电磁阻尼器的斜拉索自供能半主动控制研究

Stay cables are critical load-carrying elements in cable-stayed bridges and are often vulnerable to excessive vibration under wind excitations or wind-rain excitations and support excitations. Vibration control of stay cables is required, because vibration can reduce the fatigue life of cables and accelerate the corrosion problem. Now semi-active control has been adopted for cable vibration mitigation in many bridges，however, the requirement of external power is an obstacle for the wide-spread application of semi-active control systems in cable vibration mitigation. This project proposes a self-powered semi-active control system to suppress cable vibration using a novel electromagnetic damper. Electromagnetic damper harvests cable vibration energy to power its control circuit, and control circuit tune the damping coefficient of damper using damper output voltage feedback, thus achieving semi-active damping. The project proposes a theoretical model for electromagnetic damping and energy-harvesting efficiency; derives a closed-form solution of electromagnetic damper output power considering random excitations, and derives the optimal parameters of damper in cable-damper system considering inertial mass effect. A self-powered semi-active control strategy and corresponding techniques will be proposed. A series of tests, including dynamic test of a scaled stay cable and a field test, will be implemented to illustrate the effectiveness of the proposed self-powered semi-active control system. The research will provide fundamental theory and technique for high-efficiency and self-powered semi-active control of cable vibration.

斜拉索是斜拉桥的主要受力构件，其在风荷载或风雨荷载与支座激励的作用下极易发生大幅振动，从而缩短其疲劳寿命并加速其锈蚀，因而需采取措施来控制其过大振动。目前不少斜拉索减振采用半主动控制的方式，但半主动控制对外部能源的依赖却限制了其在实桥中的推广应用。本项目拟研究利用新型电磁阻尼器实现斜拉索自供能半主动控制中的关键问题。通过电磁阻尼器回收斜拉索的振动能量给其控制电路供电，控制电路通过阻尼器输出电压反馈进行在线计算，以实时调节阻尼系数从而达到半主动控制的目标。本项目拟建立电磁阻尼与能量收集效率的理论模型；提出考虑随机荷载作用下斜拉索电磁阻尼器输出功率的理论估算公式；推导考虑惯性质量的斜拉索阻尼器最优阻尼值；提出基于电磁阻尼器电压输出信号的半主动控制算法；最后通过斜拉索缩尺模型实验和实桥试验进一步验证方法的正确性。本项目研究成果可为实现斜拉索高效率减振与自供能半主动控制提供理论基础。

斜拉桥拉索在风（雨）荷载与支座激励作用下极容易发生大幅振动而威胁桥梁的安全，因而斜拉索的减振控制是斜拉桥设计与建造的关键问题之一。近年，我国兴建了多座千米级跨径斜拉桥，并且跨度还有继续增长的趋势，然而传统的减振技术为超长斜拉索提供的模态阻尼比有限。本项目从理论、数值分析与足尺实验三个方面系统研究了基于新型电磁阻尼器的斜拉索减振控制问题。主要研究成果包括：（1）建立了电磁惯性质量阻尼器（EIMD）的非线性本构模型和能量收集效率理论模型；（2）推导了考虑随机激励下斜拉索电磁阻尼器输出功率的理论公式；（3）提出了考虑惯质效应的斜拉索阻尼器最优参数分析方法；（4）进行了基于EIMD的斜拉索缩尺和足尺减振实验，实现了比传统粘滞阻尼减振技术高165%的减振控制效果；（5）首次提出了利用电磁阻尼器回收斜拉索的振动能量，并可给半主动阻尼器供电。本项目的研究成果为自供能半主动控制提供了理论基础与数据支撑。基于EIMD的斜拉索振动控制技术利用惯质效应极大地提升了斜拉索的减振效率。本项目实现了重要的技术突破，为千米级跨径斜拉桥拉索的减振控制提供了新的方法，具有广阔的工程应用前景。通过项目研究发表了8篇学术论文，其中国际一流SCI期刊论文6篇，并多次被他引。项目研究成果获得了2018年湖北省技术发明二等奖和香港第十九届卓越结构大奖研发类提名奖。项目研究成果在大跨度斜拉桥拉索减振控制上得到了实际应用。