具有自复位功能的减隔震控制方法及结构技术领域
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将发生桥墩与主梁相对位移过大的灾害，这将对桥面
构造设施或线路结构造成破坏，并给灾后修复增加难度。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，但是减隔震设计将导致桥梁
结构的位移较大。如果减隔震系统在地震过程中具有自复位功能，将减小地震
发生时和地震发生后主梁与桥墩的相对变形，这具有重要的实用价值。现有技
术中的桥梁减隔震支座中的摩擦摆支座因为支座球摆在曲面上的重力作用而具
有自复位功能，但是，这将导致主梁的升高，桥面构造设施或线路结构可能因
此而破坏；现有技术中的其它传统的桥梁减隔震系统一般不具备自复位功能，
地震发生时和震后变形较大。
因此，如何研发一种既能防止地震发生时和地震发生后较大墩梁相对位移
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
地震风险的能力的具有自复位功能的减隔震控制方法及结构，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，是提供一种具有自复位功能的减隔震控制方法
及结构，其既能防止地震发生时和地震发生后较大墩梁相对位移的发生，能够
自动减轻或消除地震危害，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：
具有自复位功能的减隔震控制方法，包括以下步骤：
A1)利用位于主梁和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，实时分析判断主梁和桥墩的相对位移状态和相对位
移变化趋势；
A2)控制模块根据主梁和桥墩的实时相对位移状态和相对位移变化趋势，调节
位于主梁和桥墩之间的阻尼装置的输入电压，控制主梁相对于桥墩的移动。
作为优选，所述步骤A1)所述的判断相对位移变化趋势的一种方法为，
利用测量装置实时获取主梁和桥墩的相对位移，并通过控制模块实时记录时间；
根据相对位移并结合时间信息，判断主梁和桥墩的相对位移变化趋势，具体为：
![]()
时，d有增大趋势；
![]()
时，d有减小趋势；
其中，d和t为当前步记录的搭接长度和记录时间，d0和t0为上一步记录的搭接
长度和记录时间；所述测量装置为位移传感器。
作为优选，所述步骤A1)所述的判断相对位移变化趋势的一种方法为，
利用测量装置实时获取主梁和桥墩的相对位移和阻尼装置的阻尼力，提取阻尼
力的正负，进一步判断主梁和桥墩的相对位移变化趋势，具体为
对阻尼力F取sign函数，提取阻尼力F的正负sign(F)，阻尼力拉为正，压为
负，提取方法如下：
s
i
g
n
(
F
)
=
+
1
,
F
>
0
0
,
F
=
0
-
1
,
F
<
0
]]>
结合确定的当前相对位移状态和磁流变阻尼器与桥墩和主梁之间的相对连接关
系，根据sign(F)的取值判断主梁和桥墩的相对位移增加或减小的趋势；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)中所述主梁和桥墩的相对位移状态的划分原则为，
假设变量dy和du，dy表示地震作用下桥墩和主梁相对位移绝对值不需要控制
的最大值，du表示地震作用下桥墩和主梁相对位移绝对值的最大允许值，根据
相对位移d的取值可以分为6种状态，分别为：
状态1：d∈(-∞,-du]，称为禁止区域(－)；
状态2：d∈(-du,-dy]，称为控制区域(－)；
状态3：d∈(-dy,0)，称为自由区域(－)；
状态4：d∈[0,dy)，称为自由区域(+)；
状态5：d∈[dy,du)，称为控制区域(+)；
状态6：d∈[du,+∞)，称为禁止区域(+)。
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。
一种具有自复位功能的减隔震结构，包括磁流变阻尼器、位移传感器、支
座、PLC智能控制系统和电源，所述磁流变阻尼器位于主梁和桥墩之间，用于
地震发生时阻挡主梁相对于桥墩发生相对移动，所述位移传感器位于主梁和桥
墩之间，用于测量主梁与桥墩之间的相对位移；所述支座位于主梁和桥墩之间，
桥墩通过支座对主梁进行支撑；所述磁流变阻尼器Ⅰ通过传输通道与PLC智能
控制系统连接，传输通道Ⅰ向磁流变阻尼器输入控制电压；所述位移传感器通
过传输通道Ⅱ与PLC智能控制系统连接，传输通道Ⅱ向PLC智能控制系统传输
位移信号，并向位移传感器输入工作电压。
一种具有自复位功能的减隔震结构，包括磁流变阻尼器、力传感器、位移
传感器、支座、PLC智能控制系统和电源，所述磁流变阻尼器位于主梁和桥墩
之间，用于地震发生时阻挡主梁相对于桥墩发生相对移动，在磁流变阻尼器的
端部设有力传感器，所述位移传感器位于主梁和桥墩之间，用于测量主梁与桥
墩之间的相对位移；所述支座位于主梁和桥墩之间，桥墩通过支座对主梁进行
支撑；所述磁流变阻尼器和力传感器通过传输通道Ⅰ与PLC智能控制系统连接，
传输通道Ⅰ向PLC智能控制系统传输力信号，并向磁流变阻尼器输入控制电压；
所述位移传感器通过传输通道Ⅱ与PLC智能控制系统连接，传输通道Ⅱ向PLC
智能控制系统传输位移信号，并向位移传感器输入工作电压。
作为优选，所述磁流变阻尼器的一端与主梁的底端相连，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，桥墩与主梁之间过大的相对位移将对桥面构造设施或
线路结构造成破坏，并给震后快速修复带来困难，传统的桥梁减隔震系统一般
不具备自复位功能，地震发生时和地震发生后变形较大。本发明在主梁与桥墩
之间设置测量装置和阻尼装置，测量装置和阻尼装置与控制模块连接，通过测
量装置实时采集数据传输信号至控制模块，实时分析判断主梁和桥墩的相对位
移状态和相对位移变化趋势，控制模块根据主梁和桥墩的实时相对位移状态和
相对位移变化趋势，调节位于主梁和桥墩之间的阻尼装置的输入电压，控制主
梁相对于桥墩的移动。本发明提供了一种桥梁半主动减隔震控制方法，该方法
将主梁与桥墩之间的相对位移分为一些区域，不同的区域采用不同的控制策略；
当主梁与桥墩相对位移处于自由区域时，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禁止区域时，根据主梁与桥墩相对位
移增大或减小的趋势提供不同的输入电压。这种控制思想使结构具有指向较小
主梁与桥墩相对位移的“磁吸效应”，这种“磁吸效应”使结构具有偏向于较
小主梁与桥墩相对位移的自复位功能，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其结构既能防止震后较大主梁与桥墩相对
位移的发生，又能充分发挥减隔震设计的优势，能够自动减轻或消除地震危害，
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位移状态区域的一种划分示意图；
各图号名称为：1—磁流变阻尼器，2—力传感器，3—传输通道Ⅰ，4—位移传
感器，5—传输通道Ⅱ，6—支座，7—PLC智能控制系统，8—电源，9—主梁，
10—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，本发明的减隔震结构包括磁流变阻尼器1、位移传感器
4、支座6、PLC智能控制系统7和电源8，所述磁流变阻尼器1位于主梁9和
桥墩10之间，用于地震发生时阻挡主梁9相对于桥墩10发生相对移动，所述
位移传感器4位于主梁9和桥墩10之间，用于测量主梁9与桥墩10之间的相
对位移；所述支座6位于主梁9和桥墩10之间，桥墩10通过支座6对主梁9
进行支撑；所述磁流变阻尼器1通过传输通道Ⅰ3与PLC智能控制系统7连接，
传输通道Ⅰ3向磁流变阻尼器1输入控制电压；所述位移传感器4通过传输通
道Ⅱ5与PLC智能控制系统7连接，传输通道Ⅱ5向PLC智能控制系统7传输位
移信号，并向位移传感器4输入工作电压。
进一步的，所述磁流变阻尼器1的端部与主梁9的底端相连，另一端与桥
墩10的顺桥向侧壁相连。
进一步的，所述支座6为常规支座或减隔震支座。
进一步的，所述位移传感器4采用拉线式位移传感器或红外位移传感器。
如图4所示，上述减隔震结构的减隔震控制方法包括以下步骤：
A1)利用位于主梁9和桥墩10之间的位移传感器4，实时测量主梁9和桥
墩10之间的相对位移d，传输至PLC智能控制系统7；PLC智能控制系统7结
合自身实时记录的时间t，实时分析判断主梁和桥墩的相对位移状态和相对位移
变化趋势。
相对位移变化趋势判断方法为，
![]()
时，d有增大趋势；
![]()
时，d有减小趋势；
其中，d和t为当前步记录的搭接长度和记录时间，d0和t0为上一步记录的搭接
长度和记录时间；所述测量装置为位移传感器。
所述步骤A1)中所述的主梁和桥墩的相对位移状态的划分原则为，
假设变量dy和du，dy表示地震作用下桥墩和主梁相对位移绝对值不需要控制
的最大值，du表示地震作用下桥墩和主梁相对位移绝对值的最大允许值，根据
相对位移d的取值可以分为6种状态，分别为：
状态1：d∈(-∞,-du]，称为禁止区域(－)；
状态2：d∈(-du,-dy]，称为控制区域(－)；
状态3：d∈(-dy,0)，称为自由区域(－)；
状态4：d∈[0,dy)，称为自由区域(+)；
状态5：d∈[dy,du)，称为控制区域(+)；
状态6：d∈[du,+∞)，称为禁止区域(+)。
A2)PLC智能控制系统7根据主梁9和桥墩10的实时相对位移状态和相对
位移变化趋势，调节位于主梁9和桥墩10之间的述磁流变阻尼器1的输入电压，
控制主梁9相对于桥墩10的移动，实现减隔震半主动控制，并达到自复位的目
的。以图1所示磁流变阻尼器1与桥墩10和主梁9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，U为磁流变阻尼器的控制输入电压，Umin和Umax分别为磁流变阻尼
器的根据线路参数、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。
如图6所示，本发明中将相对位移d划分的6个状态与6个区域分别对应，
分别为：
状态1，对应禁止区域(－)；
状态2，对应控制区域(－)；
状态3，对应自由区域(－)；
状态4，对应自由区域(+)；
状态5，对应控制区域(+)；
状态6，对应禁止区域(+)。
当d处于状态1或状态6，即位于禁止区域(－)或禁止区域(+)时，
主梁9与桥墩10相对位移绝对值已达到或超过最大允许值du，桥梁主体结构
性能、桥面系或附属设施等不能满足对应设防目标的要求。当d的绝对值有增
大趋势时，危险概率增加，控制电压值U取最大值Umax；当d的绝对值有减小趋
势时，结构趋于安全，控制电压值U取最小值Umin。
当d处于状态2或状态5，即位于控制区域(－)或控制区域(+)时，
主梁9与桥墩10相对位移尚未达到最大允许值du，虽能满足对应设防目标的
要求，但是需要警惕d的绝对值增大的趋势；当d的绝对值有增大趋势时，危
险概率增加，控制电压值U取最小值Umin与最大值Umax之间的某值；当d的绝对
值有减小趋势时，结构趋于安全，控制电压值U取最小值Umin，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。
当d处于状态3或状态4，即位于自由区域(－)或自由区域(+)时，
满足对应设防目标的要求，主梁9与桥墩10相对位移较小，不需要控制，此时
磁流变阻尼器1提供最小限度的位移控制，即控制电压值U取最小值Umin，此
阶段刚度较小，能最大限度发挥隔震效果。
在控制区域和禁止区域，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6所示将位移d划分
为6个区域，以上仅是区域划分的一种方法，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1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：其提供了一种桥梁半主动减隔震控制方法，该方
法将主梁于桥墩之间的相对位移分为一些区域，不同的区域采用不同的控制策
略；当主梁与桥墩相对位移处于自由区域时，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禁止区域时，根据主梁与桥墩相
对位移增大或减小的趋势提供不同的输入电压。这种控制思想使结构具有指向
较小主梁与桥墩相对位移的“磁吸效应”，这种“磁吸效应”使结构具有偏向
于较小主梁与桥墩相对位移的自复位功能，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其结构既能防止地震发生时和地震发生
后较大主梁与桥墩相对位移的发生，又能充分发挥减隔震设计的优势，能够自
动减轻或消除地震危害，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，本发明的减隔震结构包括磁流变阻尼器1、力传感器2、
位移传感器4、支座6、PLC智能控制系统7和电源8，所述磁流变阻尼器1位
于主梁9和桥墩10之间，用于地震发生时阻挡主梁9相对于桥墩10发生相对
移动，在磁流变阻尼器1的端部设有力传感器2，所述位移传感器4位于主梁9
和桥墩10之间，用于测量主梁9与桥墩10之间的相对位移；所述支座6位于
主梁9和桥墩10之间，桥墩10通过支座6对主梁9进行支撑；所述磁流变阻
尼器1和力传感器2通过传输通道Ⅰ3与PLC智能控制系统7连接，传输通道
Ⅰ3向PLC智能控制系统7传输力信号，并向磁流变阻尼器1输入控制电压；
所述位移传感器4通过传输通道Ⅱ5与PLC智能控制系统7连接，传输通道Ⅱ5
向PLC智能控制系统7传输位移信号，并向位移传感器4输入工作电压。
进一步的，所述磁流变阻尼器1的端部与主梁9的底端相连，另一端与桥
墩10的顺桥向侧壁相连。
进一步的，所述支座6为常规支座或减隔震支座。
进一步的，所述位移传感器4采用拉线式位移传感器或红外位移传感器。
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)利用位于主梁9和桥墩10之间的位移传感器4，实时测量主梁9和桥
墩10之间的相对位移d，传输至PLC智能控制系统7判断主梁9和桥墩10的
相对位移状态；利用位于磁流变阻尼器1的端部的力传感器2获取磁流变阻尼
器1的阻尼力F，提取阻尼力的正负，进一步判断主梁和桥墩的相对位移变化
趋势。
所述步骤A1)中所述的主梁和桥墩的相对位移状态的划分原则为，
假设变量dy和du，dy表示地震作用下桥墩和主梁相对位移绝对值不需要控制
的最大值，du表示地震作用下桥墩和主梁相对位移绝对值的最大允许值，根据
相对位移d的取值可以分为6种状态，分别为：
状态1：d∈(-∞,-du]，称为禁止区域(－)；
状态2：d∈(-du,-dy]，称为控制区域(－)；
状态3：d∈(-dy,0)，称为自由区域(－)；
状态4：d∈[0,dy)，称为自由区域(+)；
状态5：d∈[dy,du)，称为控制区域(+)；
状态6：d∈[du,+∞)，称为禁止区域(+)。
所述步骤A1)中主梁和桥墩相对位移变化趋势判断方法为，对阻尼力F取
sign函数，提取阻尼力F的正负sign(F)，阻尼力拉为正，压为负，提取方法如
下：
s
i
g
n
(
F
)
=
+
1
,
F
>
0
0
,
F
=
0
-
1
,
F
<
0
]]>
结合确定的当前相对位移状态和磁流变阻尼器1与桥墩10和主梁9之间的相对
连接关系，根据sign(F)的取值判断主梁9和桥墩10的相对位移增加或减小的
趋势。
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，当处于状态1、状态2或状态3时，主梁与桥墩相对位移的绝对值有减小
趋势，当处于状态4、状态5或状态6时，主梁与桥墩相对位移的绝对值有最
大趋势；sign(F)≥0时，增大或减小的趋势相反。
A2)PLC智能控制系统7根据主梁9和桥墩10的实时相对位移状态和相对
位移变化趋势，调节位于主梁9和桥墩10之间的述磁流变阻尼器1的输入电压，
控制主梁9相对于桥墩10的移动，实现减隔震半主动控制，并达到自复位的目
的。
以图2所示磁流变阻尼器1与桥墩10和主梁9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，U为磁流变阻尼器的控制输入电压，Umin和Umax分别为磁流变阻尼
器的根据线路参数、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。
如图6所示，本发明中将位移d划分的6个状态与6个区域分别对应，分
别为：
状态1，对应禁止区域(－)；
状态2，对应控制区域(－)；
状态3，对应自由区域(－)；
状态4，对应自由区域(+)；
状态5，对应控制区域(+)；
状态6，对应禁止区域(+)。
当d处于状态1或状态6，即位于禁止区域(－)或禁止区域(+)时，
墩梁相对位移绝对值已达到或超过最大允许值du，桥梁主体结构性能、桥面系
或附属设施等不能满足对应设防目标的要求。当d的绝对值有增大趋势，危险
概率增加，控制电压值U取最大值Umax；当d的绝对值有减小趋势，结构趋于安
全，控制电压值U取最小值Umin。
当d处于状态2或状态5，即位于控制区域(－)或控制区域(+)时，
墩梁相对位移绝对值尚未达到最大允许值du，虽能满足对应设防目标的要求，
但是需要警惕d的绝对值增大的趋势。当d的绝对值有增大趋势，危险概率增
加，控制电压值U取最小值Umin与最大值Umax之间的某值；当d的绝对值有减小
趋势，结构趋于安全，控制电压值U取最小值Umin。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。
当d处于状态3或状态4，即位于自由区域(－)或自由区域(+)时，
满足对应设防目标的要求，墩梁相对位移较小，不需要控制，此时磁流变阻尼
器提供最小限度的位移控制，即控制电压值U取最小值Umin。此阶段刚度较小，
能最大限度发挥隔震效果。
在控制区域和禁止区域，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6所示将位移d划分
为6个区域，以上仅是区域划分的一种方法，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所示磁流变与主梁和桥墩的相对连接关系，当主梁与桥墩之
间连接的磁流变阻尼器承受压力，即sign(F)＜0时，d处于状态1、状态2或状
态3时，主梁与桥墩相对位移的绝对值有减小趋势，d处于状态4、状态5或
状态6时，主梁与桥墩相对位移的绝对值有最大趋势；sign(F)≥0时，增大或减
小的趋势相反。改变磁流变阻尼器与桥墩和主梁之间的相对连接关系，趋势增
大或减小的对应关系可能改变。
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，
该方法将主梁于桥墩之间的相对位移分为一些区域，不同的区域采用不同的控
制策略；当主梁与桥墩相对位移处于自由区域时，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禁止区域时，根据主梁与桥
墩相对位移增大或减小的趋势提供不同的输入电压。这种控制思想使结构具有
指向较小主梁与桥墩相对位移的“磁吸效应”，这种“磁吸效应”使结构具有
偏向于较小主梁与桥墩相对位移的自复位功能，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其结构既能防止震后较大主梁与桥墩相
对位移的发生，又能充分发挥减隔震设计的优势，能够自动减轻或消除地震危
害，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。