磁流變阻尼器半主動(dòng)控制的組合基礎(chǔ)隔震系統(tǒng)

磁流變阻尼器半主動(dòng)控制的組合基礎(chǔ)隔震系統(tǒng)

1結(jié)構(gòu)減隔震研究現(xiàn)狀結(jié)構(gòu)屏障地震是在上部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)之間添加適當(dāng)?shù)乃p層，將上部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)分隔開(kāi)來(lái)，利用隔熱地震能量將上部結(jié)構(gòu)傳輸?shù)缴喜拷Y(jié)構(gòu)。隔震結(jié)構(gòu)具有很多優(yōu)點(diǎn),如能夠減小結(jié)構(gòu)的水平地震作用,這已被理論分析和國(guó)內(nèi)外強(qiáng)震記錄所證實(shí)。國(guó)外的大量試驗(yàn)和工程經(jīng)驗(yàn)表明:隔震一般可使結(jié)構(gòu)的水平地震作用降低60%左右,特別是在罕遇地震作用下隔震效果更好;隔震體系能同時(shí)保護(hù)結(jié)構(gòu)和非結(jié)構(gòu)構(gòu)件,以保證建筑物內(nèi)部設(shè)施在強(qiáng)震下的安全性,減少人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失,并保持震后建筑物繼續(xù)使用的能力。但是,近年來(lái)的幾次規(guī)模較大的地震災(zāi)害表明,傳統(tǒng)的被動(dòng)基礎(chǔ)隔震無(wú)法保證在各種類型地震作用下都有良好的控制效果。例如,傳統(tǒng)的基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)在遠(yuǎn)場(chǎng)地面運(yùn)動(dòng)作用下有良好的控制效果,但在近場(chǎng)地面運(yùn)動(dòng)作用下反而會(huì)增大結(jié)構(gòu)的響應(yīng)而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞。針對(duì)上述的問(wèn)題,許多研究者提出組合基礎(chǔ)隔震系統(tǒng),并對(duì)此作了大量的研究,但主要的研究集中在采用主動(dòng)控制和被動(dòng)基礎(chǔ)隔震的組合。主動(dòng)控制是現(xiàn)代比較先進(jìn)的振動(dòng)控制方法,已廣泛用于電子工程、機(jī)械工程與航空航天工程等領(lǐng)域。主動(dòng)控制雖對(duì)各種振動(dòng)作用都有很好的控制效果,但由于應(yīng)用于土木工程時(shí),需要很大的外部能量,故目前無(wú)法得到廣泛的應(yīng)用。半主動(dòng)控制是近年來(lái)結(jié)構(gòu)減隔震研究的熱點(diǎn),其兼有被動(dòng)控制和主動(dòng)控制的優(yōu)點(diǎn)。它具備主動(dòng)控制的效果,又只需很小的電能,通過(guò)調(diào)節(jié)和改變結(jié)構(gòu)的性能減小地震反應(yīng),因此比較適合于改善工程結(jié)構(gòu)的抗震能力。磁流變阻尼器作為一種新型的半主動(dòng)控制裝置,具有構(gòu)造簡(jiǎn)單、響應(yīng)快、調(diào)諧范圍大、耐久性好、阻尼力可逆可調(diào)的特點(diǎn),并可與微機(jī)結(jié)合組成智能控制系統(tǒng),即使在控制系統(tǒng)失效的情況下仍可充當(dāng)被動(dòng)控制裝置,具有很強(qiáng)的可靠性。本文在成熟的隔震體系和磁流變阻尼器的基礎(chǔ)上,采用了修正的clipped-optimal優(yōu)化算法,編制了相應(yīng)的程序,研究了應(yīng)用半主動(dòng)控制和基礎(chǔ)隔震結(jié)合的組合控制系統(tǒng)來(lái)提高結(jié)構(gòu)抗震性能的可行性和可靠性。2控制算法的分析控制系統(tǒng)的性能極大地依賴于所選擇的控制算法,因此半主動(dòng)控制算法是磁流變阻尼器減震的核心問(wèn)題。目前,還沒(méi)有專門用于半主動(dòng)控制的控制算法,一般的做法是首先用主動(dòng)最優(yōu)控制算法得到主動(dòng)最優(yōu)控制力,再通過(guò)調(diào)節(jié)半主動(dòng)控制裝置的參數(shù)使它所產(chǎn)生的控制力向主動(dòng)最優(yōu)控制力靠近,這樣就形成了兩階段的控制算法。因此半主動(dòng)控制算法必須要結(jié)合特定的裝置提出,脫離裝置討論算法是沒(méi)有意義的。Dyke等于1996年提出了一種基于加速度反饋的clipped-optimal控制算法,用于磁流變阻尼器作為半主動(dòng)控制裝置的抗震結(jié)構(gòu)計(jì)算,在各種控制算法進(jìn)行的分析比較中,該控制算法與試驗(yàn)結(jié)果的吻合度表現(xiàn)得很突出。在clipped-optimal算法中,是通過(guò)附加n個(gè)力反饋循環(huán)來(lái)引導(dǎo)磁流變阻尼器產(chǎn)生最優(yōu)力的。磁流變阻尼器產(chǎn)生的阻尼力是和所處結(jié)構(gòu)層的反應(yīng)有關(guān)的,它不可能時(shí)時(shí)都產(chǎn)生最優(yōu)的控制力,只有通過(guò)直接控制電壓來(lái)提高或降低磁流變阻尼器的力。在原來(lái)的clipped-optimal算法中,阻尼器產(chǎn)生的阻尼力等于最優(yōu)力時(shí),應(yīng)用的電壓維持現(xiàn)有的值。如果阻尼器所產(chǎn)生的力小于期望產(chǎn)生最優(yōu)力并且符號(hào)相同時(shí),所用電壓應(yīng)提高為最大值以使阻尼器可以產(chǎn)生期望的最優(yōu)值;否則,所用的電壓為零值。此方法如圖1所示。它的數(shù)學(xué)表達(dá)式為v(i)=VmaxΗ[(fci-fi)f](1)v(i)=VmaxH[(fci?fi)f](1)式中,vi為第i個(gè)阻尼器所用的電壓;fci為由用LQR算法所得到第i個(gè)阻尼器應(yīng)產(chǎn)生的最優(yōu)作用力;fi為第i個(gè)磁流變阻尼器產(chǎn)生的阻尼力;Vmax為最大電壓值;H(·)為單位階躍函數(shù),即Η(x)={1(x≥0)0(x<0)(2)H(x)={10(x≥0)(x<0)(2)在上述原來(lái)的clipped-optimal算法中,電壓值只可能是零或最大值。本文提出針對(duì)此算法的修正:控制電壓可能是零和最大值之間的任何值,同時(shí)假定控制電壓(用Vci表示)和阻尼器產(chǎn)生的阻尼力有一線性關(guān)系,由此來(lái)確定控制電壓。當(dāng)期望的最優(yōu)力大于阻尼器的最大阻尼力時(shí),電壓值設(shè)為最大值。如圖1(b)所示,可用式(3)表示:vi=VciΗ({fci-fi}fi)Vci={μifci(fci≤fmax)Vmax(fci>fmax)(3)vi=VciH({fci?fi}fi)Vci={μifci(fci≤fmax)Vmax(fci>fmax)(3)式中,fmax是阻尼器產(chǎn)生的最大值;μi是電壓和力之間的系數(shù)。3地震地質(zhì)條件分析基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)的狀態(tài)方程與基礎(chǔ)嵌固結(jié)構(gòu)狀態(tài)方程大致相同,只不過(guò)得加上基礎(chǔ)的部分,本文假定上部結(jié)構(gòu)是線彈性系統(tǒng)。結(jié)構(gòu)承受兩個(gè)方向的地震作用,則上部結(jié)構(gòu)的方程為Μn×n??Xn×1+Cn×n˙Xn×1+Κn×nXn×1=-Μn×nRn×3(??xg+??xb)3×1(4)Mn×nX??n×1+Cn×nX˙n×1+Kn×nXn×1=?Mn×nRn×3(x??g+x??b)3×1(4)基礎(chǔ)層受到了四種外力,即隔震層合力、磁流變阻尼器合力、上部結(jié)構(gòu)引起的剪力及地面運(yùn)動(dòng)慣性力,其控制方程可表示為RΤn×3Μn×n[??Xn×1+Rn×3(??xg+??xb)3×1]n×1+Μb3×3(??xg+??xb)3×1+Cb3×3˙Xb3×1+Κb3×3Xb3×1+uc3×1=0(5)式中,Rn×3是地震影響系數(shù)矩陣;Mn×n為上部結(jié)構(gòu)質(zhì)量矩陣;??Xn×1為上部結(jié)構(gòu)加速度列向量;Mb3×3是剛性基礎(chǔ)的對(duì)角質(zhì)量矩陣;Cb3×3是隔震層的和阻尼矩陣;Kb3×3是隔震層的剛度矩陣;uc3×1是磁流變阻尼器的阻尼力;??xg仍為地面運(yùn)動(dòng)的加速度;??xb為基礎(chǔ)相對(duì)與地面的加速度;Xb3×1和??Xb3×1分別為基礎(chǔ)的位移和速度反應(yīng)的列向量。因此,組合上兩式可得到此基礎(chǔ)隔震的狀態(tài)方程:˙Ζ(t)=A?Ζ(t)+B?U(t)+W???xg(t)(6)式中Ζ={XΤXΤb˙XΤ˙XΤb}ΤA=[0Ι-—Μ-1—Κ-—Μ-1—C]B=[0-—Μ-1{0Ι}]—Κ=[Κn×n00Κb3×3]—W=[0-—Μ-1{Μ?RRΤΜ?R+Μb}]—Μ=[Μn×nΜn×nRn×3RΤn×3ΜRΤn×3ΜRn×3+Μb3×3]—C=[Cn×n00Cb3×3]U=[0uc3×1]4計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)本文作者以MATLAB和Simulink為平臺(tái),根據(jù)上述修正的磁流變阻尼器clipped-optimal算法和基礎(chǔ)隔震系統(tǒng)控制的狀態(tài)方程,編寫(xiě)了相關(guān)的計(jì)算機(jī)程序,程序主要模塊的構(gòu)架示意圖如圖2和圖3所示,程序的流程圖如圖4所示。上部結(jié)構(gòu)模型采用層間剪切模型,結(jié)構(gòu)的質(zhì)量認(rèn)為集中在樓面或屋面上,假定上部結(jié)構(gòu)處于線彈性狀態(tài),時(shí)間步長(zhǎng)為0.005s。5結(jié)構(gòu)體系的自振特性本文算例采用某大學(xué)一8層基礎(chǔ)隔震教學(xué)樓,建筑物長(zhǎng)82.4m,寬54.3m。結(jié)構(gòu)1～6層的平面是L形,7層和8層的平面是矩形,如圖5(a)所示。上部結(jié)構(gòu)的支柱位于建筑物的周邊,基礎(chǔ)和地面之間用一隔震層,如圖5(c)所示。被動(dòng)基礎(chǔ)隔震裝置采用31個(gè)低阻尼的疊層橡膠支座和61個(gè)鉛芯橡膠支座,疊層橡膠支座模擬為線彈性元件,鉛芯橡膠支座模擬為雙線性元件,具體的分析可參見(jiàn)文獻(xiàn)。阻尼器布置考慮一定的對(duì)稱性,在建筑物基礎(chǔ)中心和周邊設(shè)置12個(gè)磁流變阻尼器,具體位置如圖5(a)所示,以比較組合控制基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)(智能基礎(chǔ)隔震)和被動(dòng)基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)(傳統(tǒng)基礎(chǔ)隔震)的性能。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為兩部分:①8層上部結(jié)構(gòu);②基礎(chǔ)、隔震支座和磁流變阻尼器。上部結(jié)構(gòu)每層的質(zhì)量中心有3個(gè)主自由度,即有24個(gè)自由度?；A(chǔ)部分有以其質(zhì)量為中心的3個(gè)自由度。總結(jié)構(gòu)有27個(gè)自由度?；A(chǔ)板和樓板都假設(shè)剛度無(wú)限大。上部結(jié)構(gòu)的阻尼比定為5%。結(jié)構(gòu)的總重是202000kN。上部結(jié)構(gòu)的前24階自振周期如表1所示。本算例主要是驗(yàn)證智能基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)在近場(chǎng)地震作用下的控制效果,選取以下的7種近場(chǎng)地震記錄:ElCentro地震波、Kobe地震波與Erzincan地震波,1994年美國(guó)Northridge地震中Newhall站、Sylamar站和Rinaldi站記錄的地震波以及CHI-CHI地震波。主要考慮近場(chǎng)地震的速度和位移時(shí)程中有很大的脈沖,更能反映近場(chǎng)地震波的特性,也能更好地反映地震對(duì)結(jié)構(gòu)破壞的指標(biāo)。經(jīng)程序計(jì)算分析,在CHI-CHI,ElCentro和Sylmar地震波在X方向的兩種結(jié)構(gòu)體系的基礎(chǔ)位移、基礎(chǔ)剪力、基底加速度和頂層加速度的比較如圖6-圖17所示,7條地震波作用下兩種控制方法的的結(jié)構(gòu)樓層峰值位移、峰值層間位移、峰值加速度和峰值基底剪力的比較如圖18、圖19所示。圖18和圖19中,橫坐標(biāo)中1～7分別代表ElCentro地震波、Kobe地震波、Erzinkan地震波、Newhall地震波、Sylmar地震波、Rinaldi地震波、CHI-CHI地震波。對(duì)上述的1～7條地震波,比較智能基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)比傳統(tǒng)基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)的控制效果,結(jié)構(gòu)峰值位移分別減少了18.2%,9.8%,20.3%,21.8%,10.6%,35.3%,21.5%;隔震層側(cè)移分別減少了23.8%,3.1%,17.4%,24.7%,28.9%,31.6%,15.1%;峰值加速度分別減少了9.2%,18.8%,7.2%,2.6%,17.5%,16.2%,31.1%;基底剪力分別減少了4.4%,20.9%,15.3%,10.2%,22.4%,15.2%,26.2%。被動(dòng)控制主要是由于隔震層的位移過(guò)大而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的破壞,而通過(guò)比較上面三種地震作用下的結(jié)構(gòu)反應(yīng)時(shí)程圖可以發(fā)現(xiàn),智能基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)對(duì)隔震層的位移有很好的控制,并且不以增大基礎(chǔ)的剪力和樓層的加速度為代價(jià)。因此,在傳統(tǒng)基礎(chǔ)隔震系統(tǒng)中加入磁流變阻尼器而形成的組合控制基礎(chǔ)