大跨连续梁桥半主动控制及抗震可靠性研究

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连续梁桥具有自身结构刚度大、整体性好、材料利用率高,超载能力大、动力性能好等优点,是我国目前应用最多的桥型之一。但是大跨连续梁桥结构形式不利于抗震,因此对其进行减震控制,减小地震对结构造成的危害具有重要的意义。鉴于此,本文开展了大跨连续梁桥的减震控制研究,对传统减震半主动控制方案加以改进,旨在提高控制算法的减震性能,优化作动器的输出,提高连续梁桥的抗震可靠性。具体研究内容、方法及成果如下:(1)提出考虑容错的大跨连续梁桥减震半主动控制算法。利用遗传算法对LQR经典最优控制算法的控制力进行寻优求解,确定了合理的控制参数并得到相应权矩阵,获得了最优主动控制力。以主动控制算法作为半主动控制方案的理论基础。针对控制部位的磁流变阻尼器在运行过程中可能出现失效故障影响正常出力的情况,对作动器的故障模式进行了分析,并基于此将容错控制考虑进半主动控制方案中。通过对故障出力做出增压补偿来达到保持半主动控制方案预期减震效果的目的。(2)建立磁流变阻尼器精确电-力转换动力模型,并以其作为控制装置建立连续梁桥减震控制系统动力分析模型。分析了磁流变液的物理特性以及阻尼器的非线性动力特点,基于此将Spencer模型作为正向模型,将麻雀搜索-BP(back propagation)神经网络模型作为逆向模型,使磁流变阻尼器可以在减震控制中较精确地调整出力。以工程实际桥梁为背景,根据相关参数建立了大跨连续梁桥的有限元动力分析模型。(3)对多种工况下大跨连续梁桥进行确定性地震响应分析,评估了每种工况所应用的减震控制方案。对大跨连续梁桥模型施加两条典型天然地震波,对比了无控制状态、主动控制状态、半主动控制正常工作状态、故障时采取补偿措施状态、故障时无补偿措施状态的连续梁桥地震响应。采用减震率作为评价指标,对比各控制方案的减震效果,结果表明考虑容错的半主动控制方案是有效且必要的。(4)基于随机振动理论,结合概率密度演化方法,对大跨连续梁桥进行随机地震响应分析及抗震可靠性分析。以连续梁桥桥墩墩顶位移响应为例,通过对无控制状态、故障时采取补偿措施状态、故障时无补偿措施状态三种工况下,结构在0.6g随机地震波作用下的动力可靠度进行对比分析,得出连续梁桥的抗震可靠性随着失效阈值的减小而加速下降。在同一失效阈值指标下,考虑容错的半主动控制方案的抗震可靠度最高。分析结果进一步说明考虑容错的半主动控制方案在控制系统存在故障时仍可以对连续梁桥达到预期的控制效果。
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