自供电MR阻尼器对斜拉索减振的试验研究

汪志昊　陈政清　赵洋　吴泽玉

摘要：为简化磁流变（MR）阻尼器斜拉索减振系统，同时提高可靠性，基于电磁式振动能量回收技术构建了具有自供电特性的MR阻尼器斜拉索减振系统。其主要由分别安装在拉索较低、较高位置的电流调节式MR阻尼器、旋转式永磁发电机构成，采用链条一链轮机构进行斜拉索面内往复直线运动与电机转子旋转运动的转化，将电机回收的振动能量直接作为MR阻尼器的电源。模型斜拉索减振试验结果表明：相对外供电MR阻尼器最优被动控制，自供电MR阻尼器除斜拉索第1阶模态减振效果基本相当外，自供电MR阻尼器对斜拉索第2～4阶模态减振效果突出，相应的模态阻尼比分别提高了31.8%、37.4%与43.O%；随着斜拉索模态阶次的逐渐增大，自供电MR阻尼器的负刚度控制特性越加凸显，从而显著提高了自供电MR阻尼器对斜拉索高阶模态的减振效果。

关键词：斜拉索；振动控制；自供電MR阻尼器；振动能量回收；负刚度

引言

斜拉索的有效减振技术，对斜拉桥的安全运营至关重要。理论分析与工程实践均表明，在斜拉索两端安装外置式阻尼器是一种较为有效的减振方式。被动阻尼器对斜拉索的振动控制，由于强烈受阻尼器安装高度的限制，且无法同时对拉索多阶模态实现最优控制，因此减振效果往往受限。近年来，基于MR阻尼器的拉索半主动控制逐渐兴起。

在MR阻尼器的斜拉索被动控制方面：何旭辉等、周海俊等分别开展了实桥斜拉索人工激振作用下的减振效果试验；王浩等开展了台风激励下斜拉索减振效果实测，证实了苏通大桥斜拉索减振系统的有效性。在MR阻尼器的拉索半主动控制理论研究方面：王修勇等、周强等与Huang等分别提出了神经网络、平衡逻辑与模态阻尼比实时最大化等控制算法；在MR阻尼器的斜拉索半主动控制试验研究方面：Duan等、李惠等、christenson等、禹见达等与weber等分别验证了状态微分反馈控制、限界最优控制、LQG-Clipped最优控制、位移延时反馈控制、负刚度控制等算法的减振效果。上述理论与试验研究均表明：MR阻尼器半主动控制对斜拉索振动具有更优越的减振效果。

现有MR阻尼器均为电磁调节式，需要配置可靠的供电系统，制约了其在桥梁工程中的广泛应用。回收结构的振动能量作为结构振动控制的能量源，是一种极富前景的解决途径。Kim等、sapiflski与蒋学争等分别基于直线电机原理集成了自供电MR阻尼器；关新春等则采用压电能量回收技术构建了自适应MR阻尼器控制系统。

本文在前期自供电MR阻尼器研制的基础上，开展了自供电MR阻尼器对模型斜拉索的减振效果试验，并阐述了自供电MR阻尼器对斜拉索的减振机理以及相对现有斜拉索减振技术的优越性。

1.自供电MR阻尼器拉索减振系统

前期自供电MR阻尼器试验结果与定性分析表明：基于旋转式电机振动能量回收技术集成的自供电MR阻尼器被动控制性能优越，兼具速度反馈与离复位控制特性，体现出智能控制的特点。进一步的斜拉索减振仿真分析结果表明：只有当MR阻尼器与电机安装在不同位置（激振源不同）时，MR阻尼器的位移与输入电压才会存在趋于同相位的趋势，此时自供电MR阻尼器方可体现出负刚度特性。另有研究表明：负刚度特性是MR阻尼器等半主动控制装置往往能够实现主动控制装置减振效果的重要原因，也是增强MR阻尼器拉索减振效果的重要途径。因此，本文构建的自供电MR阻尼器斜拉索减振系统将MR阻尼器与能量回收电机安装在拉索的不同位置，以期望实现自供电MR阻尼器的负刚度控制。