XX省交通厅科技项目申请书.docx
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XX省交通厅科技项目申请书
XX省交通厅科技项目申请书
一、项目简述
该项目与材料、机电、自动控制、桥梁结构等学科密切相关，属土木工程的前沿研究课题。
磁流变阻尼器及其原理：
智能材料是一种同时具有感知和驱动功能的新型材料。
磁流变（Magnetorheological，简称MR）液体是一种将亚纳米细度的铁粉与硅油混合制成的液体，它作为智能材料的一种，具有强度高、粘度低、能量需求少、温度稳定性好、对通常在制造过程中引入的杂质不敏感等特点，在磁场作用下能够在瞬间从牛顿流体转变为剪切屈服应力较高的粘塑性体。
由它制成的阻尼器结构简单、耐久性好、反应快、阻尼力大且连续可调等优点，是一种极具吸引力、在结构振动控制中表现出巨大潜能的振动控制装置。
磁流变液的工作原理见图1，磁流变阻尼器的工作原理示意图见图2，磁流变阻尼器的基本构造见图3。
本项目重点研究智能磁流变阻尼器对桥梁振动的控制，具体内容为：
1.磁流变阻尼器（Magnetorheologicaldamper）的性能研究；
2.磁流变阻尼器动力学模型的仿真研究；
3.车、桥动力模型的仿真建模，桥梁与磁流变阻尼器组成系统的动力特性；
4.主动、半主动、智能控制算法；
5.开发研究多种应用于桥梁的磁流变阻尼器振动控制措施；
本课题研究对象：
梁桥（因梁桥占已建桥梁的比例较大，对梁桥实行智能控制推广意义更大）
项目创新点：
1.磁流变阻尼器的力学特性；
2.桥梁结构振动特性与磁流变阻尼器参数及位置选取；
3.智能磁流变阻尼器对桥梁振动控制的综合开发研究；
4.开发应用于实桥的振动控制装置；
二、项目研究的目的、意义和国内外发展概况
1.研究目的：
研究目的在于：
研究开发磁流变阻尼器新理论；开发应用于实际工程的磁流变阻尼器新措施，为土木工程向智能化方向发展做探索；为桥梁开辟新理论、新技术、新桥型等做开创性探索。
2.研究意义：
世界上结构控制研究已有30多年，创立了被动控制，半主动控制和主动控制理论。
近几年来，智能控制研究很兴盛，其中主要有智能半主动控制，而磁流变阻尼器是智能半主动控制中效果特佳的控制器。
所以将磁流变阻尼器应用于桥梁振动控制，其推广应用更大，经济效益更好，社会影响更大。
我们将“智能材料－结构控制体系”应用于桥梁振动控制，从理论上看，对桥梁选型、桥梁振动、振动控制具有深远意义；对桥梁建设具有重大指导和推广意义；而且这种智能桥梁可随荷载等级的提高可不加固桥梁，从而减少大量维修费。
本项研究以开辟梁桥智能控制的先河。
3.国内外发展概况：
1948年，美国的Rabinow发明磁流变液；
1999年，美国Lord公司研制出最大阻尼力为20t的磁流变阻尼器；
2001年，日本SanwaTekki公司应用美国Lord公司的磁流变液开发了两个最大输出力为30t的磁流变阻尼器。
日本东京国家新兴科技博物馆—Nihon-Kagaku-Miraikan建筑首次将磁流变液阻尼器用于地震反应控制。
该建筑第三层和第五层之间设置两个最大阻尼力30t的磁流变液阻尼器。
2003年，SanwaTekki公司研制开发了最大阻尼力为40t的磁流变阻尼器。
该磁流变液阻尼器己经用于日本Keio大学的一栋隔振居住建筑。
美国的Dyke和Spencer等采用磁流变阻尼器完成了一个三层框架结构模型地震反应半主动控制的振动台试验并建立了框架结构振动反应智能控制的一系列方法。
4．国内磁流变阻尼器的研究也取得了巨大的进展：
2001年，哈尔滨工业大学欧进萍、关新春等设计制作了足尺的基于原型土木结构振动控制的最大阻尼力可达18t左右的磁流变液耗能器；后来又研发了40tMR阻尼器；于2005年系统研究了不同规格MR阻尼器的磁学与力学特性，这为MR阻尼器的系统开发应用开辟了新路。
2001年我国岳阳洞庭湖大桥多塔斜拉桥首次安装磁流变液阻尼器控制斜拉索风雨激励的振动；
2002年，周强、瞿伟廉提出了描述阻尼器动态特性的两种新的力学模型；
2003年，何亚东、黄金枝提出模糊神经网络辨识MR阻尼动力特性的辨识模型，建立基于最佳逼近Bang-Bang主动控制的半主动控制算法。
2005年，邬喆华、楼文娟等人研究MR阻尼器对斜拉索被动控制，研究了MR阻尼器的最优型号与安放位置，指出MR阻尼器与粘性阻尼器控制效果相当，当电压失效时MR阻尼器提供较大系统等效阻尼器（阻尼比0.5%）。
2005年，陈政清、曹彦等人将他们的专利产品—永磁调节装配式MR阻尼器，用于长沙洪山大桥上对拉索减振，研究表明：
此阻尼器有效提高拉索的模态阻尼比，能使索振动大幅减小。
另外，此阻尼器无需用电，故推广应用价值很大。
2005年，王成博、李忠献等人应用新研制的MRF-04K型MR阻尼器对大跨斜拉桥梁的地震反应实施半主动控制，理论分析采用瞬时最优控制算法。
控制效果：
EL-Centro波作用下，跨中顺桥向位移降低57.2%，塔顶顺桥向位移降低67.5%。
2006年，瞿伟廉用MR阻尼器对高耸结构实行智能风控制，提出了风振半主动控制的基本理论，建立了MR阻尼器对电视塔，输电线塔和桅杆等高耸结构风振半主动控制的设计方法。
2006年，张微敬等利用MTS793系列软件平台对安装有两种不同型号磁流变阻尼器的五层钢框架模型结构进行了地震模拟振动台减振控制试验；
2006年，杨飏、欧进萍等针对渤海JZ20－2MUQ导管架式海洋平台结构1：
10比例模型进行磁流变阻尼器隔震的振动台试验。
三、项目依托工程名称，研究主要内容和考核目标
依托工程：
咸宁市咸合公路徐家桥扩建工程
（咸合公路现为二级，07-09年拟改造为一级公路，徐家桥位于k3+800处咸安区境内，桥梁将加宽使用，跨径为８米，新建部分宽１２米）
研究主要内容：
（1）磁流变阻尼器的性能研究；
（2）磁流变阻尼器动力学模型的仿真研究；
（3）车、桥动力模型的仿真建模，桥梁与磁流变阻尼器组成系统的动力特性；
（4）主动、半主动、智能控制算法；
（5）开发研究多种应用于桥梁的磁流变阻尼器振动控制措施；
研究方式、技术路线及解决的关键技术：
研究方式及技术路线：
（1）在充分调研基础上，作深入的理论研究如智能被动控制理论、智能半主动控制理论、模糊控制理论；
（2）与厂家协作，做大量阻尼器的物理力学试验研究；
（3）研究适应于不同桥梁跨度的振动控制装置；
（4）作磁流变阻尼器室内桥梁试验，完善理论研究，为设计奠定坚实基础；
（5）作实桥设计、施工；
（6）作实桥验收及跟踪检测评估。
（7）将实验、实桥验收检测结果与理论相结合，提出贴近实际的智能控制理论。
解决的关键技术：
（1）MR阻尼器的力学模型仿真。
（2）智能控制的迟时问题（我们对车辆荷载尤其是超重车辆作用下，需对车辆上桥前提前实行自动识别，并通过称重、传感等手段，提前对桥梁施加智能控制，以解决迟时问题）。
（3）系统振动方程为：
式中
为
的函数；
为车辆荷载；
为控制力，这是解决迟时优化控制的关键。
MR阻尼器与一般桥梁下竖杆支撑对桥梁减振的作用。
（4）车、桥、MR阻尼器组成系统的力学模型及仿真模型，系统的控制理论（桥梁的检测、传感、反馈、最优控制、次优控制）。
考核目标：
1．对磁流变液、磁流变阻尼器进行系统总结，建立系统研究理论，此项研究成果达到国内领先水平；
2．开发多种应用于桥梁结构的磁流变阻尼器振动控制措施，填补国内外空白；
3．磁流变阻尼器振动控制的实桥研究，包括智能监测、诊断和结构控制研究。
四、项目研究经费预算
1．研究总经费55万元
其中：
自筹经费25万元
申请科技拨款30万元
2．经费使用预算
（1）桥梁设计研究费5万元
（2）材料试验费及产品研究费7万元
（3）桥梁检测、荷载试验费10万元
（4）磁变流阻尼器及控制系统费用 18万元
（5）资料费及项目鉴定费、竣工验收费5万元
（6）长期监测费10万元
五、预期达到的效果（经济、社会效益和应用前景）
1．经济综合评估：
（1）桥梁建设费
30×12×0.25=90万
（2）磁流变（MR）阻尼器及控制系统
两种控制方案：
方案Ⅰ：
跨中安3个MR阻尼器；
方案Ⅱ：
分别于1/3L，2/3L处共安6个MR阻尼器。
两种方案费用见下表
方案
MR阻尼器（万元）
控制系统（万元）
Ⅰ
13.5
3
Ⅱ
15.0
3
（3）、超载交通与桥梁耐久性经济分析
此二级公路的日交通量按5000辆计，其中超载车数约为15%（即750辆），此超载车会加速桥梁的疲劳破坏，若按疲劳次数200万次计算，则仅超载车作用，就导致桥梁寿命为7.3年，而桥梁设计寿命通常在50年以上，这等于桥梁至少缩短43年寿命，也等于说，要维系50年内此路交通，需拆桥建桥各7座，按拆桥费是建桥费的15%计算（还不计环境污染及资源浪费），则因超载车使此段路在50年内多花1.15×90×7=724.5万元。
另外，超载车对路面的破坏，其维修费按每年每平方米50元计算，则50年内，超载车导致50年内桥面维修费为（30×12×50）×50=90万元
50年内由于桥面多次维修影响交通造成的损失至少100万元。
（4）、50年内磁变流阻尼器及控制系统维护费及更换费
MR阻尼器使用寿命30年以上，即在50年内换1次，但维护费用很少，按每天50度电，则50年耗90万度电，按每度电1元计算，则阻尼器和控制系统共花费15+90×1=105万元。
（5）、MR阻尼器可节省桥梁建设费（5-10）%，按7%计算，可省6.3万元。
（6）、桥梁一次性投资及50年经济比较
方案
桥梁一次性投资（万元）
多投资（万元）
不用阻尼器
90
方案Ⅰ
100.2（90-6.3+16.5）
10.2
方案Ⅱ
101.7（90-6.3+18）
11.7
方案
50年桥梁费用（万元）
节省（万元）
不用阻尼器
914.5（90+724.5+100）
方案Ⅰ
205.2（100.2+105）
709.3
方案Ⅱ
206.7（101.7+105）
707.8
由此可见：
采用磁流阻尼器，使一次性投资增加10万元；但50年费用可节省700多万元，这是投资费用的7.8倍以上。
2、社会效益：
（1）将磁流变阻尼器首次应用于梁桥上，这是国内外首例，可望产生重大的社会反响；
（2）开发应用桥梁智能控制的高新技术，将会推动桥梁的巨大进步；
（3）为从事于土木工程领域的科技和工程人员展现更新前沿的桥梁控制体系；
（4）国内首例试验成功磁流变阻尼器振动控制梁桥，而梁桥建设更多更广，故此项研究对我国的公路建设大有益处。
六、建议承担项目研究、开发工作的单位和
主要研究人员概况
1．研究单位
（1）咸宁市交通局是主管全市公路水路交通行业的行政管理机构，具有制定并监督执行全市公路水路交通建设计划的职能；局下设公路局、港航处等１０个直属单位，干部职工２０００余人，其中有大量交通行业的高中级工程技术人员；拥有全市交通基础设施的丰富技术资料和４０余年的建养管实践经验积累。
近年来组织了干线路网改造工程、县乡公路建设工程，速度和质量均在全省居先进行列，科研活动也有大的起色，组织进行了关于沥青路面、交通规划、路基防护等方面的课题，可为项目研究的顺利完成和达到预期的社会经济效益提供基本的保证。
（2）武汉理工大学
这里有实力雄厚的试验室和一大批优秀技术人才，组织了多项桥梁工程项目研究，有着丰富的桥梁设计研究经验。
我们正在进行XX省交通厅“智能桥梁结构的开发研究”，并着手在荆州沙市区实施。
而且，我们对房屋建筑及桥梁振动控制研究已经近20年，发表论文50余篇（其中7篇在国外发表）。
如申请人徐家云的部分成果如下:
获奖情况：
2004年XX省科技进步三等奖，第二名（项目：
江汉航道网桥梁航道改造研究）；2004年XX省科技进步一等奖，第九名（项目：
信息技术在土木工程结构控制中的应用）。
完成的科研项目：
参加一项国家自然科学基金面上项目：
基于统计模型的大型空间网架结构损伤识别（项目号：
50208016，排名第二），2003年1月～2005年12月；主持两项XX省交通厅项目（江汉航道网桥梁航道改造研究，2002年～2003年；智能桥梁结构的开发研究2004年～2006年），主持一项香港城市大学合作项目（结构振动控制），2003年1月～2003年12月；主持其他项目15项。
著书：
《结构控制与控制结构计算理论与方法》，地震出版社，1996年，第二作者；《统计数学》，中国建工出版社，1998年，第三作者。
近年来发表论文40余篇，其中7篇被SCI、EI检索，主要论文如下：
[1]J.Y.Xu.AnefficientmethodforthesolutionofRiccatiequationinstructuralcontrolimplementation.AppliedAcoustics,2002
[2]J.Y.Xu.Stabilityofmuti-stepflexural-shearplateswithvaryingcross-section,StructuralEngineeringandMechanics,2003
[3]J.Y.Xu.Suboptimalcontrolstrategyinstructuralcontrolimplementation,StructuralEngineeringandMechanics,2005
[4]J.Y.Xu.Semi-activecontroldevicesinstructuralcontrolimplementation,StructuralDesignofTallandSpecialBuildings,2005
[5]J.Y.Xu,Li,G,Q.Evaluationofverticaldynamiccharacteristicsofcantileveredtallstructures.StructuralEngineeringandMechanics,11,vol.2001,
[6]徐家云.结构控制新系统MDS的研究.地震工程与工程震动.2002.5
[7]徐家云.模糊理论在桥梁评估中的应用.武汉理工大学学报.2003.7
[8]徐家云.两种结构预测控制律的研究.工程力学.2003.7
[9]徐家云.双曲拱桥横分布系数研究.武汉理工大学学报.2003.2
[10]徐家云.乳化沥青箱的结构控制研究.地震工程与工程震动.2003
2．主要研究人员
序号
姓名
单位
行政职务
技术职务
专业
1
马达
咸宁市交通局
局长
高级经济师
经济
2
陈振炳
咸宁市交通局
副局长
高级经济师
经济
3
徐家云
武汉理工大学
博士教授
土木工程
4
匡烨
咸宁市交通局
科长
高级工程师
路桥
5
陈勇章
咸宁市交通局
工程师
路桥
6
涂建维
武汉理工大学
博士副教授
土木工程
7
章建国
咸安区交通局
总工
高级工程师
路桥
8
常银昌
武汉理工大学
研究生
土木工程
9
10
11
12
13
七、其它需要说明的问题
本项目为世界上桥梁工程的崭新课题，立意新，起点高，难度大，又与桥梁、材料、机电、自动控制等多学科交叉。
本项目结合实桥进行开发研究，在国内外实属首例，具有开创性意义，且社会和经济效益明显，故向省交通厅申请此项目。
八、申请意见
1、项目申请单位意见：
该项目属国内外实桥研究首例，且属前沿课题；此项目将智能材料开发研究并应于桥梁工程，科技立足点很高；而且桥梁结构的振动控制属前沿学科，在此将磁流变阻尼器用于桥梁控制具有重大科研价值和社会效益。
鉴于此项目的科技立意新、起点高，且具有广阔的推广应用前景。
同意申报XX省交通厅重点科研项目。
项目申请单位：
（盖章）
负责人：
（签字）
年月日
2、行业或业务主管部门意见
行业或业务主管部门（盖章）
负责人：
（签字）
年月日
湖北省交通厅科技项目
可行性研究报告
项目名称：
磁流变阻尼器的桥梁振动控制开发研究
项目类别：
申报单位：
咸宁市交通局武汉理工大学
编写单位：
咸宁市交通局武汉理工大学
编写时间：
2007年3月20日
磁流变阻尼器的桥梁振动控制开发研究
可行性研究报告
一、项目概况
该项目与材料、机电、自动控制、桥梁结构等学科密切相关，属土木工程的前沿研究课题。
磁流变阻尼器及其原理：
智能材料是一种同时具有感知和驱动功能的新型材料。
磁流变（Magnetorheological，简称MR）液体是一种将亚纳米细度的铁粉与硅油混合制成的液体，它作为智能材料的一种，具有强度高、粘度低、能量需求少、温度稳定性好、对通常在制造过程中引入的杂质不敏感等特点，在磁场作用下能够在瞬间从牛顿流体转变为剪切屈服应力较高的粘塑性体。
由它制成的阻尼器结构简单、耐久性好、反应快、阻尼力大且连续可调等优点，是一种极具吸引力、在结构振动控制中表现出巨大潜能的振动控制装置。
磁流变液的工作原理见图1，磁流变阻尼器的工作原理示意图见图2，磁流变阻尼器的基本构造见图3。
本项目重点研究智能磁流变阻尼器对桥梁振动的控制，具体内容为：
1.磁流变阻尼器的性能研究；
2.磁流变阻尼器动力学模型的仿真研究；
3.车、桥动力模型的仿真建模，桥梁与磁流变阻尼器组成系统的动力特性；
4.主动、半主动、智能控制算法；
5.开发研究多种应用于桥梁的磁流变阻尼器振动控制措施；
本课题研究对象：
梁桥（因梁桥占已建桥梁的比例较大，对梁桥实行智能控制推广意义更大）
项目创新点：
1.磁流变阻尼器的力学特性；
2.桥梁结构振动特性与磁流变阻尼器参数及位置选取；
3.智能磁流变阻尼器对桥梁振动控制的综合开发研究。
4.开发应用于实桥的振动控制装置；
二、国外同类技术的现状及发展趋势
智能材料是一种同时具有感知和驱动功能的新型材料。
将其应用于土木工程振动控制领域形成“智能材料－结构振动控制体系”。
必将为土木工程向智能化方向发展带来生机。
磁流变（Magnetorheological，简称MR）液体作为智能材料的一种，具有强度高、粘度低、能量需求少、温度稳定性好、对通常在制造过程中引入的杂质不敏感等特点，在磁场作用下能够在瞬间从牛顿流体转变为剪切屈服应力较高的粘塑性体。
由它制成的阻尼器结构简单、耐久性好、反应快、阻尼力大且连续可调等优点，是一种极具吸引力、在结构振动控制中表现出巨大潜能的振动控制装置。
1948年，美国的Rabinow发明磁流变液；
1999年，美国Lord公司研制出最大阻尼力为20t的磁流变阻尼器；
2001年，日本SanwaTekki公司应用美国Lord公司的磁流变液开发了两个最大输出力为30t的磁流变阻尼器。
日本东京国家新兴科技博物馆—Nihon-Kagaku-Miraikan建筑首次将磁流变液阻尼器用于地震反应控制。
该建筑第三层和第五层之间设置两个最大阻尼力30t的磁流变液阻尼器；
2003年，SanwaTekki公司研制开发了最大阻尼力为40t的磁流变阻尼器。
该磁流变液阻尼器己经用于日本Keio大学的一栋隔振居住建筑；
美国的Dyke和Spencer等采用磁流变阻尼器完成了一个三层框架结构模型地震反应半主动控制的振动台试验并建立了框架结构振动反应智能控制的一系列方法。
三、国内同类技术的现状
国内磁流变阻尼器的研究也取得了巨大的进展：
2001年，哈尔滨工业大学欧进萍、关新春等设计制作了足尺的基于原型土木结构振动控制的最大阻尼力可达18t左右的磁流变液耗能器；后来又研发了40tMR阻尼器；于2005年系统研究了不同规格MR阻尼器的磁学与力学特性，这为MR阻尼器的系统开发应用开辟了新路。
2001年我国岳阳洞庭湖大桥多塔斜拉桥首次安装磁流变液阻尼器控制斜拉索风雨激励的振动；
2002年，周强、瞿伟廉提出了描述阻尼器动态特性的两种新的力学模型；
2003年，何亚东、黄金枝提出模糊神经网络辨识MR阻尼动力特性的辨识模型，建立基于最佳逼近Bang-Bang主动控制的半主动控制算法。
2005年，邬喆华、楼文娟等人研究MR阻尼器对斜拉索被动控制，研究了MR阻尼器的最优型号与安放位置，指出MR阻尼器与粘性阻尼器控制效果相当，当电压失效时MR阻尼器提供较大系统等效阻尼器（阻尼比0.5%）。
2005年，陈政清、曹彦等人将他们的专利产品—永磁调节装配式MR阻尼器，用于长沙洪山大桥上对拉索减振，研究表明：
此阻尼器有效提高拉索的模态阻尼比，能使索振动大幅减小。
另外，此阻尼器无需用电，故推广应用价值很大。
2005年，王成博、李忠献等人应用新研制的MR-04型MR阻尼器对大跨斜拉桥梁的地震反应实施半主动控制，理论分析采用瞬时最优控制算法。
控制效果：
EL-Centro波作用下，跨中顺桥向位移降低57.2%，塔顶顺桥向位移降低67.5%。
2006年，瞿伟廉用MR阻尼器对高耸结构实行智能风控制，提出了风振半主动控制的基本理论，建立了MR阻尼器对电视塔，输电线塔和桅杆等高耸结构风振半主动控制的设计方法。
2006年，张微敬等利用MTS793系列软件平台对安装有两种不同型号磁流变阻尼器的五层钢框架模型结构进行了地震模拟振动台减振控制试验；
2006年，杨飏、欧进萍等针对渤海JZ20－2MUQ导管架式海洋平台结构1：
10比例模型进行磁流变阻尼器隔震的振动台试验。
四、研究、开发背景和必要性
磁流变智能桥梁控制融机电、材料、桥梁理论、自动控制、智能化于一体，是值得研究开发的桥梁控制技术。
结构控制的研究于世界上近30年，在我国首先由武汉工业大学抗震中心于20年前开发研究，硕果累累。
新材料开发研究，如磁流变液的研究已60多年，我国已有多个工厂（包括武汉理工大学道路桥梁与结构工程XX省重点实验室）研发了磁流变阻尼器，尤其是2001年，在岳阳洞庭湖大桥运用其有效控制斜拉索的振动。
磁流变阻尼器尤其具有智能化，可采用被动控制或半主动控制方式对结构实行振动控制，故其开发运用前景极为广阔。
我们已经在荆州沙市区开发纤维混凝土桥梁智能控制。
这就为本课题研究打下较好的基础。
我们在咸宁市选一座30米跨的梁桥进行磁流变阻尼器桥梁研究，以开对梁桥智能控制的先河。
正由于以上技术研究的国内外及我们本身的研究基础，更由于磁流变阻尼器的智能化，半主动控制易行化、经济性等特点，对于大批桥梁新建和改造都很有益且有效，所以，对磁流变阻尼器桥梁研究非常必要。
五、研究开发的实施方案
1．准备工作情况
我们对智能桥梁振动控制作了深入研究，包括桥梁动力特性、桥梁振动理论、桥梁振动控制、桥梁监控、荷载实验、理论计算。
另外，从网上查得大量智能结构的研究文献，尤其从
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