具有防落梁和防碰撞功能的减隔震控制方法及结构

摘要

本发明公开了一种具有防落梁和防碰撞功能的减隔震控制方法及结构，属于桥梁的减隔震技术领域，本发明分别利用位于主梁Ⅰ与桥墩、主梁Ⅱ与桥墩之间的测量装置，实时采集数据传输至控制模块；控制模块结合所述采集数据，实时分析判断主梁Ⅰ与桥墩、主梁Ⅱ与桥墩的搭接状态、主梁Ⅰ与主梁Ⅱ的间距状态和搭接长度变化趋势；控制模块根据主梁Ⅰ与桥墩、主梁Ⅱ与桥墩的搭接状态、间距状态和搭接状态变化趋势，分别调节位于主梁Ⅰ与桥墩、主梁Ⅱ与桥墩之间的阻尼装置的输入电压，控制主梁Ⅰ和主梁Ⅱ相对于桥墩的移动。本发明能防止落梁和相邻跨主梁间碰撞灾害的发生，能够较为全面地提高桥梁结构抵御地震风险的能力。

说明书

技术领域

本发明涉及桥梁的减隔震技术领域。

背景技术

强震作用下桥梁结构经常发生落梁和相邻跨主梁间碰撞的灾害，这将导致严重后果。减隔震设计被证明是一种有效的抗震策略，能最大限度减小结构损伤。但是，现有技术中的减隔震设计将导致桥梁结构的位移较大，落梁和相邻跨主梁之间的碰撞风险增加。传统的桥梁减隔震支座不能有效控制这种风险，或者虽然降低了这种风险，但是牺牲了减隔震机制充分发挥所需要的变形能力和耗能能力。

因此，为了较为全面地提高桥梁结构抵御地震风险的能力，如何研发一种既能防止落梁和相邻跨主梁间碰撞灾害的发生，又能充分发挥减隔震设计的优势的具有防落梁和防碰撞功能的减隔震控制方法及其装置，是本领域技术人员亟需解决的技术问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题，是提供一种具有防落梁和防碰撞功能的减隔震控制方法及结构，其既能防止落梁和相邻跨主梁间碰撞灾害的发生，又能充分发挥减隔震设计的优势，能够较为全面地提高桥梁结构抵御地震风险的能力。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：

具有防落梁和防碰撞功能的减隔震控制方法，包括以下步骤：

A1)分别利用位于主梁Ⅰ与桥墩、主梁Ⅱ与桥墩之间的测量装置，实时采集数据传输至控制模块；控制模块结合所述采集数据，实时分析判断主梁Ⅰ与桥墩、主梁Ⅱ与桥墩的搭接状态、主梁Ⅰ与主梁Ⅱ之间的间距状态和搭接长度变化趋势；

A2)控制模块根据主梁Ⅰ与桥墩、主梁Ⅱ与桥墩的搭接状态、主梁Ⅰ与主梁Ⅱ之间的间距状态和搭接状态变化趋势，分别调节位于主梁Ⅰ与桥墩、主梁Ⅱ与桥墩之间的阻尼装置的输入电压，控制主梁Ⅰ和主梁Ⅱ相对于桥墩的移动。

作为优选，所述步骤A1)所述的判断主梁Ⅰ与桥墩、主梁Ⅱ与桥墩的搭接长度变化趋势的一种方法为，

利用测量装置实时获取主梁Ⅰ和主梁Ⅱ与桥墩的相对位移，通过控制模块将主梁Ⅰ和主梁Ⅱ与桥墩的相对位移转换为主梁Ⅰ和主梁Ⅱ与桥墩的搭接长度，并通过控制模块实时记录时间；根据搭接长度并结合时间信息，判断主梁和桥墩的搭接长度变化趋势，具体为：

时，d_i有增大趋势，i＝1,2；

时，d_i有减小趋势，i＝1,2；

其中，d_i和t为当前步记录的搭接长度和记录时间，d_i0和t₀为上一步记录的搭接长度和记录时间；上述方法中的测量装置为位移传感器。

作为优选，所述步骤A1)所述的判断主梁Ⅰ与桥墩、主梁Ⅱ与桥墩的搭接长度变化趋势的一种方法为，

利用测量装置实时获取主梁Ⅰ和主梁Ⅱ与桥墩的相对位移和阻尼装置的阻尼力，通过控制模块将主梁Ⅰ和主梁Ⅱ与桥墩的相对位移转换为主梁Ⅰ和主梁Ⅱ与桥墩的搭接长度，提取阻尼力的正负，进一步判断主梁Ⅰ和主梁Ⅱ与桥墩的搭接长度变化趋势，具体为

对阻尼力F₁和F₂取sign函数，提取阻尼力F₁和F₂的正负sign(F₁)和sign(F₂)，阻尼力拉为正，压为负，提取方法如下：

进一步结合磁流变阻尼器Ⅰ与桥墩和主梁Ⅰ之间、磁流变阻尼器Ⅱ与桥墩和主梁Ⅱ之间的相对连接关系，可根据sign(F₁)和sign(F₂)判断各位移增加或减小的趋势；上述方法中所述测量装置包括位移传感器和力传感器。

作为优选，所述步骤A1)所述的主梁Ⅰ与桥墩、主梁Ⅱ与桥墩的搭接状态和主梁Ⅰ与主梁Ⅱ之间的间距状态的划分原则为，

假设三个变量d、du和dy，其中d为主梁Ⅰ搭接长度d₁、主梁Ⅱ搭接长度d₂、主梁Ⅰ与主梁Ⅱ距离d₃中的任意一个，相应的，du为地震作用下主梁Ⅰ允许的搭接长度最小值du₁、地震作用下主梁Ⅰ允许的搭接长度最小值du₂或地震作用下主梁Ⅰ和主梁Ⅱ允许间距的最小值du₃中相应的变量；dy为地震作用下主梁Ⅰ搭接长度不需要控制的最小值dy₁、地震作用下主梁Ⅱ搭接长度不需要控制的最小值dy₂或地震作用下主梁Ⅰ和主梁Ⅱ间距不需控制的最小值dy₃中相应的变量；将搭接长度d划分为三个区域，分别为：

①自由区域为d∈(dy,+∞)段，此区域预示着结构安全，没有落梁或碰撞的危险，即主梁Ⅰ、主梁Ⅱ与桥墩的搭接长度或主梁Ⅰ与主梁Ⅱ之间的间距处于安全状态；

②控制区域为d∈(du,dy]段，此区域结构虽然没有落梁或碰撞的危险，但是其安全储备较小，需要警惕位移d进一步减小的趋势，即主梁Ⅰ、主梁Ⅱ与桥墩的搭接长度或主梁Ⅰ与主梁Ⅱ之间的间距处于需要控制的状态；

③危险区域为d∈(0,du]段，此区域预示着具有落梁或碰撞的危险，磁流变阻尼器需要全力控制位移d减小，即主梁Ⅰ、主梁Ⅱ与桥墩的搭接长度或主梁Ⅰ与主梁Ⅱ之间的间距处于有落梁或碰撞危险的状态。

作为优选，所述控制模块为PLC智能控制系统，所述阻尼装置为磁流变阻尼器。

一种具有防落梁和防碰撞功能的减隔震结构，包括分别位于主梁Ⅰ与桥墩之间的连接系统Ⅰ、位于主梁Ⅱ与桥墩之间的连接系统Ⅱ、PLC智能控制系统和电源，所述连接系统Ⅰ包括连接主梁Ⅰ与桥墩的磁流变阻尼器Ⅰ、测量主梁Ⅰ与桥墩相对位移的位移传感器Ⅰ和位于主梁Ⅰ与桥墩之间的支座Ⅰ；所述连接系统Ⅱ包括连接主梁Ⅱ与桥墩的磁流变阻尼器Ⅱ、测量主梁Ⅱ与桥墩相对位移的位移传感器Ⅱ和位于主梁Ⅱ与桥墩之间的支座Ⅱ；所述磁流变阻尼器Ⅰ和所述磁流变阻尼器Ⅱ分别通过传输通道Ⅰ和传输通道Ⅲ与PLC智能控制系统连接，所述位移传感器Ⅰ和位移传感器Ⅱ分别通过传输通道Ⅱ和传输通道Ⅳ将相对位移信号传输至PLC智能控制系统；PLC智能控制系统经过分析计算，分别向位移传感器Ⅰ和位移传感器Ⅱ输入工作电压，并分别向磁流变阻尼器Ⅰ和磁流变阻尼器Ⅱ输入控制电压；所述电源与PLC智能控制系统连接。

一种具有防落梁和防碰撞功能的减隔震结构，包括分别位于主梁Ⅰ与桥墩之间的连接系统Ⅰ、位于主梁Ⅱ与桥墩之间的连接系统Ⅱ、PLC智能控制系统和电源，所述连接系统Ⅰ包括连接主梁Ⅰ与桥墩的磁流变阻尼器Ⅰ、位于磁流变阻尼器Ⅰ的端部的力传感器、测量主梁Ⅰ与桥墩相对位移的位移传感器Ⅰ和位于主梁Ⅰ与桥墩之间的支座Ⅰ；所述连接系统Ⅱ包括连接主梁Ⅱ与桥墩的磁流变阻尼器Ⅱ、位于磁流变阻尼器Ⅱ的端部的力传感器、测量主梁Ⅱ与桥墩相对位移的位移传感器Ⅱ和位于主梁Ⅱ与桥墩之间的支座Ⅱ；所述磁流变阻尼器Ⅰ和所述磁流变阻尼器Ⅱ分别通过传输通道Ⅰ和传输通道Ⅲ与PLC智能控制系统连接；所述力传感器Ⅰ和力传感器Ⅱ分别将力信号传输至PLC智能控制系统；所述位移传感器Ⅰ和位移传感器Ⅱ分别通过传输通道Ⅱ和传输通道Ⅳ将相对位移信号传输至PLC智能控制系统；PLC智能控制系统结合由相对位移信号转换的搭接长度信号和力信号经过分析计算，分别向位移传感器Ⅰ和位移传感器Ⅱ输入工作电压，并分别向磁流变阻尼器Ⅰ和磁流变阻尼器Ⅱ输入控制电压；所述电源与PLC智能控制系统连接。

作为优选，所述磁流变阻尼器Ⅰ的一端与主梁Ⅰ的底端相连，另一端与桥墩的顺桥向侧壁相连，磁流变阻尼器Ⅱ的一端与主梁Ⅱ的底端相连，另一端与桥墩的顺桥向侧壁相连。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：现有技术中的减隔震设计将导致桥梁结构的位移较大，落梁和相邻跨主梁之间的碰撞风险增加，传统的桥梁减隔震支座不能有效控制这种风险，或者虽然降低了这种风险，但是牺牲了减隔震机制充分发挥所需要的变形能力和耗能能力。本发明分别利用位于主梁Ⅰ与桥墩、主梁Ⅱ与桥墩之间的测量装置，实时采集数据传输至控制模块；控制模块结合所述采集数据，实时分析判断主梁Ⅰ与桥墩、主梁Ⅱ与桥墩的搭接状态、主梁Ⅰ与主梁Ⅱ之间的间距状态和搭接长度变化趋势；控制模块根据主梁Ⅰ与桥墩、主梁Ⅱ与桥墩的搭接状态、主梁Ⅰ与主梁Ⅱ之间的间距状态和搭接状态变化趋势，分别调节位于主梁Ⅰ与桥墩、主梁Ⅱ与桥墩之间的阻尼装置的输入电压，控制主梁Ⅰ和主梁Ⅱ相对于桥墩的移动。本发明提供了一种桥梁半主动减隔震控制方法，该方法将主梁的搭接长度和主梁之间的间距分为一些区域，不同的区域采用不同的控制策略，当搭接长度或主梁之间的间距处于自由区域时，阻尼装置的输入电压较小以充分发挥隔震作用；当处于需要控制的区域或危险区域时，根据搭接长度或主梁之间的间距增大或减小的趋势提供不同的输入电压，这种控制方法使结构具有指向主梁的搭接长度增大和主梁之间的间距增大的“磁吸效应”，这种“磁吸效应”能够防止落梁和相邻跨主梁间碰撞灾害的发生，同时减隔震效果能够充分发挥。

本发明提供的减隔震控制方法及结构既能防止落梁和相邻跨主梁间碰撞灾害的发生，又能充分发挥减隔震设计的优势，能够较为全面地提高桥梁结构抵御地震风险的能力。

附图说明

图1为本发明的减隔震结构的实施例一的结构示意图；

图2为本发明的减隔震结构的实施例二的结构示意图；

图3为本发明的主梁Ⅰ和主梁Ⅱ与桥墩相对位移示意图；

图4为本发明的减隔震控制方法的实施例一的流程图；

图5为本发明的减隔震控制方法的实施例二的流程图；

图6为本发明的减隔震控制方法中搭接状态的一种划分示意图；

图7为本发明的减隔震控制方法中搭接状态的一种划分示意图；

各图号名称为：1—磁流变阻尼器Ⅰ，2—力传感器Ⅰ，3—传输通道Ⅰ，4—位移传感器Ⅰ，5—传输通道Ⅱ，6—支座Ⅰ，7—磁流变阻尼器Ⅱ，8—力传感器Ⅱ，9—传输通道Ⅲ，10—位移传感器Ⅱ，11—传输通道Ⅳ，12—支座Ⅱ，13—智能控制系统，14—电源，15—主梁Ⅰ，16—主梁Ⅱ，17—桥墩。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步详细的说明。

实施例一

如图1、图3所示，本发明包括分别位于主梁Ⅰ15与桥墩17之间的连接系统Ⅰ、位于主梁Ⅱ16与桥墩17之间的连接系统Ⅱ、PLC智能控制系统13和电源14，所述连接系统Ⅰ包括连接主梁Ⅰ15与桥墩17的磁流变阻尼器Ⅰ1、测量主梁Ⅰ15与桥墩17相对位移的位移传感器Ⅰ4和位于主梁Ⅰ15与桥墩17之间的支座Ⅰ6；所述连接系统Ⅱ包括连接主梁Ⅱ16与桥墩17的磁流变阻尼器Ⅱ7、测量主梁Ⅱ16与桥墩17相对位移的位移传感器Ⅱ10和位于主梁Ⅱ16与桥墩17之间的支座Ⅱ12；所述磁流变阻尼器Ⅰ1和所述磁流变阻尼器Ⅱ7分别通过传输通道Ⅰ3和传输通道Ⅲ9与PLC智能控制系统13连接，所述位移传感器Ⅰ4和位移传感器Ⅱ10分别通过传输通道Ⅱ5和传输通道Ⅳ11将相对位移信号传输至PLC智能控制系统13；PLC智能控制系统13经过分析计算，分别向位移传感器Ⅰ4和位移传感器Ⅱ10输入工作电压，并分别向磁流变阻尼器Ⅰ1和磁流变阻尼器Ⅱ7输入控制电压；所述电源14与PLC智能控制系统13连接。

进一步的，所述磁流变阻尼器Ⅰ1的一端与主梁Ⅰ15的底端相连，另一端与桥墩17的顺桥向侧壁相连，磁流变阻尼器Ⅱ7的一端与主梁Ⅱ16的底端相连，另一端与桥墩17的顺桥向侧壁相连。

进一步的，所述支座Ⅰ6和支座Ⅱ12为常规支座或减隔震支座。

进一步的，所述位移传感器Ⅰ4和位移传感器Ⅱ10采用拉线式位移传感器或红外位移传感器。

如图4所示，上述结构的减隔震控制方法包括以下步骤：

A1)分别利用位于主梁Ⅰ15与桥墩17之间的位移传感器Ⅰ4、主梁Ⅱ16与桥墩17之间位移传感器Ⅱ10，实时测量主梁Ⅰ15和主梁Ⅱ16与桥墩17之间相对位移x₁和x₂；并将位移信号通过PLC智能控制系统13，转换为主梁Ⅰ15和主梁Ⅱ16与桥墩17之间搭接长度d₁和d₂，计算公式为d₁＝b₁+x₁，d₂＝b₂-x₂，b₁为主梁Ⅰ15与桥墩17的初始搭接长度、b₂为主梁Ⅱ16与桥墩17的初始搭接长度；根据已知的桥墩沿顺桥向的宽度a计算主梁Ⅰ15和主梁Ⅱ16的相对距离d₃，计算公式如为d₃＝a-d₁-d₂；PLC智能控制系统13结合自身实时记录的时间t，实时分析判断主梁Ⅰ15与桥墩17、主梁Ⅱ16与桥墩17的搭接状态、主梁Ⅰ15与主梁Ⅱ16之间的间距状态和搭接长度变化趋势。

主梁Ⅰ15与桥墩17、主梁Ⅱ16与桥墩17的搭接长度变化趋势判断方法为，

时，d_i有增大趋势，i＝1,2；

时，d_i有减小趋势，i＝1,2；

其中，d_i和t为当前步记录的搭接长度和记录时间，d_i0和t₀为上一步记录的搭接长度和记录时间。

主梁Ⅰ15与桥墩17、主梁Ⅱ16与桥墩17的搭接状态和主梁Ⅰ15与主梁Ⅱ16之间的间距状态的划分原则为，

如图6所示，直线1至直线6、坐标轴d₁的正半轴和坐标轴d₂的正半轴将以d₁和d₂组成的坐标系的第一象限划分为19个区域。各直线的含义为：

①坐标轴d₁的正半轴表示主梁Ⅱ16的搭接长度d₂＝0，将发生落梁，实际不允许发生；

②坐标轴d₂的正半轴表示主梁Ⅱ16的搭接长度d₁＝0，实际不允许发生；

③直线1方程为d₁＝du₁，du₁表示地震作用下主梁Ⅰ15允许的搭接长度最小值，当d₁＜du₁时，主梁Ⅰ15将发生落梁危险；

④直线2方程为d₁＝dy₁，dy₁表示地震作用下主梁Ⅰ15搭接长度不需要控制的最小值，即当d₁≤dy₁时，磁流变阻尼器需要控制主梁Ⅰ15搭接长度变小的趋势；

⑤直线3方程为d₂＝dy₂，dy₂表示地震作用下主梁Ⅱ16搭接长度不需要控制的最小值，即当d₂≤dy₂时，磁流变阻尼器需要控制主梁Ⅱ16搭接长度变小的趋势；

⑥直线4方程为d₂＝du₂，du₂表示地震作用下主梁Ⅱ16允许的搭接长度最小值，当d₂＜du₂时，主梁Ⅱ16将发生落梁危险；

⑦直线5方程为d₃＝a-d₁-d₂＝dy₃，dy₃表示地震作用下主梁Ⅰ15和主梁Ⅱ16间距不需控制的最小值，即当d₃≤dy₃，磁流变阻尼器需要控制主梁Ⅰ15和主梁Ⅱ16间距变小的趋势；

⑧直线6方程为d₃＝a-d₁-d₂＝du₃，du₃表示地震作用下主梁Ⅰ15和主梁Ⅱ16允许间距的最小值，当d₃＜du₃时，主梁Ⅰ15与主梁Ⅱ16将发生碰撞危险；

需要特别指出的是，对于主梁Ⅰ15与主梁Ⅱ16，显然满足

0＜du_i＜dy_i＜d0_i,i＝1,2

其中d0_i(i＝1,2)为地震发生前主梁Ⅰ15或主梁Ⅱ16的搭接长度。这说明直线2在直线1的右侧，直线3在直线4的上侧。主梁Ⅰ15和主梁Ⅱ16允许间距的最小值du₃和主梁Ⅰ15和主梁Ⅱ16间距不需控制的最小值dy₃满足

0＜du₃＜dy₃＜d0₃

其中d0₃为地震发生前主梁Ⅰ15与主梁Ⅱ16的间距，这说明直线6在直线5的右侧。另外，通常情况下

d₃＝a-dy₁-dy₂＞dy₃

这表明直线2与直线3的交点在直线5的下侧。以上限制条件决定了直线1至直线6、坐标轴d₁的正半轴和坐标轴d₂的正半轴必然将以d₁和d₂组成的坐标系的第一象限划分为如图6所示的19个区域。

所划分的19个区域与19个状态一一对应，区域或状态划分标准为：

区域1：与状态1对应；

区域2：与状态2对应；

区域3：与状态3对应；

区域4：与状态4对应；

区域5：与状态5对应；

区域6：与状态6对应；

区域7：与状态7对应；

区域8：与状态8对应；

区域9：与状态9对应；

区域10：与状态10对应；

区域11：与状态11对应；

区域12：与状态12对应；

区域13：与状态13对应；

区域14：与状态14对应；

区域15：与状态15对应；

区域16：与状态16对应；

区域17：与状态17对应；

区域18：与状态18对应；

区域19：与状态19对应。

A2)PLC智能控制系统13根据主梁Ⅰ15与桥墩17、主梁Ⅱ16与桥墩17的搭接状态、主梁Ⅰ15与主梁Ⅱ15之间的间距状态和搭接状态变化趋势，分别调节位于主梁Ⅰ15与桥墩17、主梁Ⅱ16与桥墩17之间的磁流变阻尼器Ⅰ1和磁流变阻尼器Ⅱ7的输入电压，控制主梁Ⅰ15和主梁Ⅱ16相对于桥墩的移动，实现减隔震半主动控制，并达到防落梁和防碰撞的目的。

以图1所示磁流变阻尼器与桥墩和主梁之间的相对连接关系，各状态的控制策略如下表所示：

上表中，U₁和U₂分别为磁流变阻尼器Ⅰ和磁流变阻尼器Ⅱ的控制输入电压，U_1,min和U_1,maxU_2,min和U_2,max分别为磁流变阻尼器Ⅰ1和磁流变阻尼器Ⅱ7的根据线路参数、磁流变阻尼器规格参数、结构控制目标等设定的最小、最大电压值。

从叙述本方法实质的方便考虑，步骤A1)中判断主梁Ⅰ15与主梁Ⅱ16的位移状态还可以采用下述方法：假设三个变量d、du和dy，其中d代表主梁Ⅰ15搭接长度d₁、主梁Ⅱ16搭接长度d₂、主梁Ⅰ15与主梁Ⅱ16距离d₃中的任意一个，相应的，du为地震作用下主梁Ⅰ15允许的搭接长度最小值du₁、地震作用下主梁Ⅰ15允许的搭接长度最小值du₂或地震作用下主梁Ⅰ15和主梁Ⅱ16允许间距的最小值du₃中相应的变量；dy为地震作用下主梁Ⅰ15搭接长度不需要控制的最小值dy₁、地震作用下主梁Ⅰ15搭接长度不需要控制的最小值dy₂或地震作用下主梁Ⅰ15和主梁Ⅱ16间距不需控制的最小值dy₃中相应的变量。如图7所示，本发明中将位移d划分为三个区域，分别为：

①自由区域为d∈(dy,+∞)段。此区域预示着结构安全，没有落梁或碰撞的危险，即主梁Ⅰ15、主梁Ⅱ16与桥墩17的搭接长度和主梁Ⅰ15与主梁Ⅱ16之间的间距处于安全状态。此阶段磁流变阻尼器提供最小限度的位移控制，即控制电压值U取最小值U_min。此阶段刚度较小，能最大限度发挥隔震效果；

②控制区域为d∈(du,dy]段。此区域结构虽然没有落梁或碰撞的危险，但是其安全储备较小，需要警惕位移d进一步减小的趋势，即主梁Ⅰ15、主梁Ⅱ16与桥墩17的搭接长度和主梁Ⅰ15与主梁Ⅱ16之间的间距处于需要控制的状态。因此，当或时，d有减小趋势，危险概率增加，控制电压值U取最小值U_min与最大值U_max之间的某值；当或时，d有增大趋势，结构趋于安全，控制电压值U取最小值U_min。此阶段可以同时发挥阻尼耗能的减震效果和柔性支承的隔震效果；

③危险区域为d∈(0,du]段。此区域预示着具有落梁或碰撞的危险，磁流变阻尼器需要全力控制位移d减小，即主梁Ⅰ15、主梁Ⅱ16与桥墩17的搭接长度和主梁Ⅰ15与主梁Ⅱ16之间的间距处于有落梁危险的状态。当或时，d有减小趋势，危险概率增加，控制电压值U取最大值U_max；当或时，d有增大趋势，结构趋于安全，控制电压值U取最小值U_min。

在控制区域和危险区域，相同的位移值d因为具有不同的趋势而具有不同的输入电压，结构具有偏向于安全的“磁吸效应”。如图7所示将位移d划分为三个区域，当然可以引入更多的变量划分更多的区域，并且磁流变阻尼器的输入电压控制策略还可以有其它形式。

本发明的有益效果在于：本发明提供了一种桥梁半主动减隔震控制方法，充分利用磁流变阻尼器能够实现毫秒级快速反应和不超过36伏的控制电压的特点，该方法将主梁的搭接长度和主梁之间的间距分为一些区域，进一步将结构区分为19中状态，不同的状态采用不同的控制策略。当搭接长度或主梁之间的间距处于自由区域时，磁流变阻尼器的输入电压较小以充分发挥隔震作用；当处于需要控制的区域或危险区域时，根据搭接长度或主梁之间的间距增大或减小的趋势提供不同的输入电压，这种控制方法具有指向主梁的搭接长度增大和主梁之间的间距增大的“磁吸效应”，这种“磁吸效应”能够防止落梁和相邻跨主梁间碰撞灾害的发生，同时减隔震效果能够充分发挥。

本发明提供的减隔震控制方法及结构既能防止落梁和相邻跨主梁间碰撞灾害的发生，又能充分发挥减隔震设计的优势，能够较为全面地提高桥梁结构抵御地震风险的能力。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所做的举例，并非对本发明的实施方式的限定。对于所述领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

实施例二

如图2、图4所示，本发明包括分别位于主梁Ⅰ15与桥墩17之间的连接系统Ⅰ、位于主梁Ⅱ16与桥墩17之间的连接系统Ⅱ、PLC智能控制系统13和电源14，所述连接系统Ⅰ包括连接主梁Ⅰ15与桥墩17的磁流变阻尼器Ⅰ1、位于磁流变阻尼器Ⅰ1的端部的力传感器2、测量主梁Ⅰ15与桥墩17相对位移的位移传感器Ⅰ4和位于主梁Ⅰ15与桥墩17之间的支座Ⅰ6；所述连接系统Ⅱ包括连接主梁Ⅱ16与桥墩17的磁流变阻尼器Ⅱ7、位于磁流变阻尼器Ⅱ7的端部的力传感器8、测量主梁Ⅱ16与桥墩17相对位移的位移传感器Ⅱ10和位于主梁Ⅱ16与桥墩17之间的支座Ⅱ12；所述磁流变阻尼器Ⅰ1和所述磁流变阻尼器Ⅱ7分别通过传输通道Ⅰ3和传输通道Ⅲ9与PLC智能控制系统13连接；所述力传感器Ⅰ2和力传感器Ⅱ8分别将力信号传输至PLC智能控制系统13；所述位移传感器Ⅰ4和位移传感器Ⅱ10分别通过传输通道Ⅱ5和传输通道Ⅳ11将相对位移信号传输至PLC智能控制系统13；PLC智能控制系统13结合由相对位移信号转换的搭接长度信号和力信号经过分析计算，分别向位移传感器Ⅰ4和位移传感器Ⅱ10输入工作电压，并分别向磁流变阻尼器Ⅰ1和磁流变阻尼器Ⅱ7输入控制电压；所述电源14与PLC智能控制系统13连接。

进一步的，所述磁流变阻尼器Ⅰ1的一端与主梁Ⅰ15的底端相连，另一端与桥墩17的顺桥向侧壁相连，磁流变阻尼器Ⅱ7的一端与主梁Ⅱ16的底端相连，另一端与桥墩17的顺桥向侧壁相连。

进一步的，所述支座Ⅰ6和支座Ⅱ12为常规支座或减隔震支座。

进一步的，所述位移传感器Ⅰ4和位移传感器Ⅱ10采用拉线式位移传感器或红外位移传感器。

进一步的，所述力传感器Ⅰ2与磁流变阻尼器Ⅰ1串联连接，所述力传感器Ⅱ8与磁流变阻尼器Ⅱ7串联连接，所述力传感器Ⅰ2和力传感器Ⅱ8分别通过传输通道Ⅰ3传输通道Ⅲ9与PLC智能控制系统13连接。

如图5所示，上述减隔震结构的减隔震控制方法包括以下步骤：

A1)分别利用位于主梁Ⅰ15与桥墩17之间的位移传感器Ⅰ4、主梁Ⅱ16与桥墩17之间位移传感器Ⅱ10，实时测量主梁Ⅰ15和主梁Ⅱ16与桥墩17之间相对位移x₁和x₂；并将位移信号通过PLC智能控制系统13，转换为主梁Ⅰ15和主梁Ⅱ16与桥墩17之间搭接长度d₁和d₂，计算公式为d₁＝b₁+x₁，d₂＝b₂-x₂，b₁为主梁Ⅰ15与桥墩17的初始搭接长度、b₂为主梁Ⅱ16与桥墩17的初始搭接长度；根据已知的桥墩沿顺桥向的宽度a计算主梁Ⅰ15和主梁Ⅱ16的相对距离d₃，计算公式如为d₃＝a-d₁-d₂；利用力传感器Ⅰ2和力传感器Ⅱ8，分别实时获取磁流变阻尼器Ⅰ1的阻尼力F₁和磁流变阻尼器Ⅱ7的阻尼力F₂，提取阻尼力的正负，实时分析判断主梁Ⅰ15与桥墩17、主梁Ⅱ16与桥墩17的搭接状态、主梁Ⅰ15与主梁Ⅱ16之间的间距状态和搭接长度变化趋势。

主梁Ⅰ15与桥墩17、主梁Ⅱ16与桥墩17的搭接长度变化趋势判断方法为，对阻尼力F₁和F₂取sign函数，提取阻尼力F₁和F₂的正负sign(F₁)和sign(F₂)，阻尼力拉为正，压为负，提取方法如下：

进一步结合磁流变阻尼器Ⅰ1与桥墩17和主梁Ⅰ15之间、磁流变阻尼器Ⅱ7与桥墩17和主梁Ⅱ16之间的相对连接关系，可根据sign(F₁)和sign(F₂)判断各位移增加或减小的趋势。

主梁Ⅰ15与桥墩17、主梁Ⅱ16与桥墩17的搭接状态和主梁Ⅰ15与主梁Ⅱ16之间的间距状态的划分原则为，

如图6所示，直线1至直线6、坐标轴d₁的正半轴和坐标轴d₂的正半轴将以d₁和d₂组成的坐标系的第一象限划分为19个区域。各直线的含义为：

①坐标轴d₁的正半轴表示主梁Ⅱ16的搭接长度d₂＝0，将发生落梁，实际不允许发生；

②坐标轴d₂的正半轴表示主梁Ⅱ16的搭接长度d₁＝0，实际不允许发生；

③直线1方程为d₁＝du₁，du₁表示地震作用下主梁Ⅰ15允许的搭接长度最小值，当d₁＜du₁时，主梁Ⅰ15将发生落梁危险；

④直线2方程为d₁＝dy₁，dy₁表示地震作用下主梁Ⅰ15搭接长度不需要控制的最小值，即当d₁≤dy₁时，磁流变阻尼器需要控制主梁Ⅰ15搭接长度变小的趋势；

⑤直线3方程为d₂＝dy₂，dy₂表示地震作用下主梁Ⅱ16搭接长度不需要控制的最小值，即当d₂≤dy₂时，磁流变阻尼器需要控制主梁Ⅱ16搭接长度变小的趋势；

⑥直线4方程为d₂＝du₂，du₂表示地震作用下主梁Ⅱ16允许的搭接长度最小值，当d₂＜du₂时，主梁Ⅱ16将发生落梁危险；

⑦直线5方程为d₃＝a-d₁-d₂＝dy₃，dy₃表示地震作用下主梁Ⅰ15和主梁Ⅱ16间距不需控制的最小值，即当d₃≤dy₃，磁流变阻尼器需要控制主梁Ⅰ15和主梁Ⅱ16间距变小的趋势；

⑧直线6方程为d₃＝a-d₁-d₂＝du₃，du₃表示地震作用下主梁Ⅰ15和主梁Ⅱ16允许间距的最小值，当d₃＜du₃时，主梁Ⅰ15与主梁Ⅱ16将发生碰撞危险。

需要特别指出的是，对于主梁Ⅰ15与主梁Ⅱ16，显然满足

0＜du_i＜dy_i＜d0_i,i＝1,2

其中d0_i(i＝1,2)为地震发生前主梁Ⅰ15或主梁Ⅱ16的搭接长度。这说明直线2在直线1的右侧，直线3在直线4的上侧。主梁Ⅰ15和主梁Ⅱ16允许间距的最小值du₃和主梁Ⅰ15和主梁Ⅱ16间距不需控制的最小值dy₃满足

0＜du₃＜dy₃＜d0₃

其中d0₃为地震发生前主梁Ⅰ15与主梁Ⅱ16的间距，这说明直线6在直线5的右侧。另外，通常情况下

d₃＝a-dy₁-dy₂＞dy₃

这表明直线2与直线3的交点在直线5的下侧。以上限制条件决定了直线1至直线6、坐标轴d₁的正半轴和坐标轴d₂的正半轴必然将以d₁和d₂组成的坐标系的第一象限划分为如图6所示的19个区域。

所划分的19个区域与19个状态一一对应，区域或状态划分标准为：

区域1：与状态1对应；

区域2：与状态2对应；

区域3：与状态3对应；

区域4：与状态4对应；

区域5：与状态5对应；

区域6：与状态6对应；

区域7：与状态7对应；

区域8：与状态8对应；

区域9：与状态9对应；

区域10：与状态10对应；

区域11：与状态11对应；

区域12：与状态12对应；

区域13：与状态13对应；

区域14：与状态14对应；

区域15：与状态15对应；

区域16：与状态16对应；

区域17：与状态17对应；

区域18：与状态18对应；

区域19：与状态19对应。

A2)PLC智能控制系统13根据主梁Ⅰ15与桥墩17、主梁Ⅱ16与桥墩17的搭接状态、主梁Ⅰ15与主梁Ⅱ15之间的间距状态和搭接状态变化趋势，分别调节位于主梁Ⅰ15与桥墩17、主梁Ⅱ16与桥墩17之间的磁流变阻尼器Ⅰ1和磁流变阻尼器Ⅱ7的输入电压，控制主梁Ⅰ15和主梁Ⅱ16相对于桥墩的移动，实现减隔震半主动控制，并达到防落梁和防碰撞的目的。以图2所示磁流变阻尼器与桥墩和主梁之间的相对连接关系，各状态的控制策略如下表所示：

上表中，U₁和U₂分别为磁流变阻尼器Ⅰ和磁流变阻尼器Ⅱ的控制输入电压，U_1,min和U_1,maxU_2,min和U_2,max分别为磁流变阻尼器Ⅰ1和磁流变阻尼器Ⅱ7的根据线路参数、磁流变阻尼器规格参数、结构控制目标等设定的最小、最大电压值。

从叙述本方法实质的方便考虑，步骤A1)中判断主梁Ⅰ15与主梁Ⅱ16的位移状态还可以采用下述方法：引入三个变量d、du和dy，其中d为主梁Ⅰ15搭接长度d₁、主梁Ⅱ16搭接长度d₂、主梁Ⅰ15与主梁Ⅱ16距离d₃中的任意一个，相应的，du为地震作用下主梁Ⅰ15允许的搭接长度最小值du₁、地震作用下主梁Ⅰ15允许的搭接长度最小值du₂或地震作用下主梁Ⅰ15和主梁Ⅱ16允许间距的最小值du₃中相应的变量；dy为地震作用下主梁Ⅰ15搭接长度不需要控制的最小值dy₁、地震作用下主梁Ⅰ15搭接长度不需要控制的最小值dy₂或地震作用下主梁Ⅰ15和主梁Ⅱ16间距不需控制的最小值dy₃中相应的变量。如图7所示，本发明中将位移d划分为三个区域，分别为：

①自由区域为d∈(dy,+∞)段。此区域预示着结构安全，没有落梁或碰撞的危险，即主梁Ⅰ15、主梁Ⅱ16与桥墩17的搭接长度和主梁Ⅰ15与主梁Ⅱ16之间的间距处于安全状态。此阶段磁流变阻尼器提供最小限度的位移控制，即控制电压值U取最小值U_min。此阶段刚度较小，能最大限度发挥隔震效果；

②控制区域为d∈(du,dy]段。此区域结构虽然没有落梁或碰撞的危险，但是其安全储备较小，需要警惕位移d进一步减小的趋势，即主梁Ⅰ15、主梁Ⅱ16与桥墩17的搭接长度和主梁Ⅰ15与主梁Ⅱ16之间的间距处于需要控制的状态。因此，当sign(F₁)≥0或sign(F₂)≥0时，d有减小趋势，危险概率增加，控制电压值U取最小值U_min与最大值U_max之间的某值；当sign(F₁)＜0或sign(F₂)＜0时，d有增大趋势，结构趋于安全，控制电压值U取最小值U_min。此阶段可以同时发挥阻尼耗能的减震效果和柔性支承的隔震效果；

③危险区域为d∈(0,du]段。此区域预示着具有落梁或碰撞的危险，磁流变阻尼器需要全力控制位移d减小，即主梁Ⅰ15、主梁Ⅱ16与桥墩17的搭接长度和主梁Ⅰ15与主梁Ⅱ16之间的间距处于有落梁危险的状态。当sign(F₁)≥0或sign(F₂)≥0时，d有减小趋势，危险概率增加，控制电压值U取最大值U_max；当sign(F₁)＜0或sign(F₂)＜0时，d有增大趋势，结构趋于安全，控制电压值U取最小值U_min。

在控制区域和危险区域，相同的位移值d因为具有不同的趋势而具有不同的输入电压，结构具有偏向于安全的“磁吸效应”。如图7所示将位移d划分为三个区域，当然可以引入更多的变量划分更多的区域，并且磁流变阻尼器的输入电压控制策略还可以有其它形式。

另外，如图2所示的主梁与桥墩之间连接的磁流变阻尼器承受压力，即sign(F)＜0时，主梁与桥墩的搭接长度有增大趋势，主梁间的距离有减小趋势，承受拉力，即sign(F)≥0时，主梁与桥墩的搭接长度有减小趋势，主梁间的距离有增大趋势。改变磁流变阻尼器与桥墩和主梁之间的相对连接关系，可能出现这种情况：磁流变承受压力，即sign(F)＜0时，主梁与桥墩的搭接长度有减小趋势，主梁间的距离有增大趋势，承受拉力，即sign(F)≥0时，主梁与桥墩的搭接长度有增大趋势，主梁间的距离有减小趋势。

另外，需要指出，本发明中的F指的是F₁或F₂，主梁指的是主梁Ⅰ15或主梁Ⅱ16。

本发明的有益效果在于：本发明提供了一种桥梁半主动减隔震控制方法，充分利用磁流变阻尼器能够实现毫秒级快速反应和不超过36伏的控制电压的特点，该方法将主梁的搭接长度和主梁之间的间距分为一些区域，进一步将结构区分为19中状态，不同的状态采用不同的控制策略。当搭接长度或主梁之间的间距处于自由区域时，磁流变阻尼器的输入电压较小以充分发挥隔震作用；当处于需要控制的区域或危险区域时，根据搭接长度或主梁之间的间距增大或减小的趋势提供不同的输入电压，这种控制方法具有指向主梁的搭接长度增大和主梁之间的间距增大的“磁吸效应”，这种“磁吸效应”能够防止落梁和相邻跨主梁间碰撞灾害的发生，同时减隔震效果能够充分发挥。

本发明提供的减隔震控制方法及结构既能防止落梁和相邻跨主梁间碰撞灾害的发生，又能充分发挥减隔震设计的优势，能够较为全面地提高桥梁结构抵御地震风险的能力。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所做的举例，并非对本发明的实施方式的限定。对于所述领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。