磁流变阻尼器在渡槽抗震中的应用研究

　　1 引言

　　磁流变液（MR）最早是美国国家标准局Rabinow 于 1948 年发明和研制的，它主要由非导磁性液体和均匀分散于其中的高磁导率、低磁滞性的微小软磁性颗粒组成。在磁场的作用下，MR 阻尼器可以在 ms 级的时间内快速、可逆地由流动性良好的牛顿流体变成高黏度、低流动的 Bingham 塑性固体。磁流变阻尼器控制装置机构简单、响应快、动范围大、耐久性好、阻尼力连续可调、并可方便地与微机控制结合，即使在控制系统失效的情况下仍然可充当被动控制器，具有很强的可靠性，己经成为土木工程结构新一代的高性能和智能化的半主动控制装置，并己经在土木工程结构振动控制方面得到了初步的应用，展现出了良好的前景[1]。

　　渡槽结构作为南水北调输水工程中的重要组成部分，是南水北调中线工程上应用较多的主要交叉建筑物之一，其中中线工程的输水线路穿我国地震高烈度区域，线路许多区段的抗震设防烈度达到 8 度，整个工程输水总干渠共有渡槽 49 座，累计长度达到 5520m，流量达 500m³/s，一旦发生地震，全线输水将会中断，且其邻近有京广、京九等重要铁路干线，可能导致严重的次生灾害，因此输水工程的抗震安全性非常重要[2]。此外，在我国磁性材料及器件2008 年汶川地震中，多座渡槽被破坏，导致所处灌区农田水利工程发生瘫痪，造成较大损失，因此利用磁流变阻尼器对渡槽结构进行减振控制研究是很有意义的。

　　2 磁流变阻尼器力学模型

　　MR 阻尼器的特点是通过控制磁场使磁流变体在毫秒级内实现自由流动的粘滞流体和半固体之间的可逆变化，具有动态范围宽、构造简单、响应快、阻尼力大、屈服强度可任意控制且连续顺逆可调等优良性能。更为突出的是 MR 阻尼器所需功率低(<50W)，其工作电压只需 2~25V。这一点非常重要，因为地震时电力很可能中断，而此时的MR 阻尼器仍可用作被动耗能装置而继续发挥减振作用[1]。

　　以美国Lord 公 司 的 产 品 RD-1005 和Yang(2001，2002)[3]试制的大型磁流变阻尼器为研究对象，其外形及结构示意如图 1 所示。

　　目前常用的磁流变阻尼器的力学模型有Bingliam 模型、改进的 Bingham 粘性弹性-塑性模型、Bouc-Wen 模型和 spencer 模型等，本文选用比较适合大型工程使用的 spencer 模型[4,5]进行模拟。

　　磁流变阻尼器的阻尼力以下式进行计算

　　式中：k1为磁流变阻尼器的蓄能器刚度，k0为高速时的控制刚度，x0为弹簧 k的初始位移，c0为速度较大时的粘滞阻尼系数，c1为粘性元件，用来产生力－速度关系中低速时的衰减，A，β，γ，n 为常数，取值由磁流变阻尼器结构特性决定。