amd基础隔震混合控制结构的抗震性能研究

amd基础隔震混合控制结构的抗震性能研究

结构振动检测和应用是结构振动研究的重大项目。结构控制分为主动控制、被动控制、半主动控制和混合控制。基础隔震是一种较好的被动控制方式,主要通过设置于建筑物底部与基础顶面之间的隔震消能装置(常用叠层橡胶隔震垫),吸收并耗散地震能量,减少地震波向上部结构传递,从而降低了建筑物的动力反应。但是,基础隔震系统在高层建筑中只能部分地减少地震能量向结构的输入,隔震层的过度变形可能会造成隔震层的破坏。如果在结构上安装一些主动控制装置,采用混合控制的方式可以较小的控制驱动力获得较好的控制效果。梁启智等研究了基础隔震,首层设置主动质量阻尼器(AMD)施控的混合控制结构的抗震性能,结果证实了混合控制的制振效果优于单一的被动控制。本文研究顶层设置主动调谐质量阻尼器(ATMD)的基础隔震混合控制结构的抗震性能。应用双线性恢复力模型描述基础橡胶隔震垫的弹塑性特性,运用简单的加速度反馈算法计算ATMD的控制力。针对某基础隔震-ATMD框架结构进行了地震作用下的时程反应分析,最后对该混合控制结构的抗震性能作出评价。1隔震层风险特性如图1所示的顶层设置ATMD的基础隔震结构。基底通过叠层橡胶隔震垫支承在地基上,橡胶隔震垫部分地减少地震能量向结构传播,设置在顶层的ATMD进一步减小结构的动力反应。假设该结构为剪切型的结构,整个结构按(n+2)个质点的模型来建模,运动微分方程如下:[Μ]{¨x}+[C]{˙x}+[Κ]{x}=-[Μ]{J}¨xg-{Ρ}+{U}(1)[M]{x¨}+[C]{x˙}+[K]{x}=−[M]{J}x¨g−{P}+{U}(1)其中,[M]、[C]、[K]分别为质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵;x为各质点相对于地面的位移向量;¨xx¨g为地震加速度;{P}为各质点的恢复力向量;{U}为控制力向量。各矩阵的具体形式如下:[Μ]=[mbm10⋱0mnma][Κ]=[kb+k1-k1-k1k1+k2-k20⋱⋱⋱-kn-1kn-1+kn-kn0-knkn+ka-ka-kaka][C]=[cb+c1-c1-c1c1+c2-c20⋱⋱⋱-cn-1cn-1+cn-cn0-cncn+ca-ca-caca]{Ρ}={Ρb0⋮00}{U}={0⋮0-αα}(2)其中,mb、kb、cb、pb分别为隔震层的质量、刚度、阻尼和恢复力;kb、pb按隔震层恢复力图形的阶段确定,这里采用双线性恢复力模型;ma、ka、ca分别为ATMD的质量、刚度、阻尼;α为ATMD的控制力。本文采用wilson-θ法求解运动微分方程式(1)。2隔震层的运动特点在地震荷载作用下,可用双线性恢复力模型简化柔性隔震层的弹塑性特性,如图2所示,其中,nb为隔震层的塑性斜率;kb1为隔震层屈服前的水平刚度;kb2为隔震层屈服后的水平刚度;Sy为隔震层的屈服力;δy为隔震层的屈服位移;δ0为隔震层运动速度由正到负或由负到正对应于˙xb=0的弹塑性变形。式(2)刚度矩阵[K]中的kb和pb的具体判别如下:1横向弹塑性段的组成当xb≤|δy|时,继续为弹性,kb=kb1,pb=0。当xb>δy时,进入正向弹塑性线段AB,kb=kb2=(1-nb)kb1,pb=nbkb1δy。当xb<-δy时,进入负向弹塑性线段A′D,kb=kb2,pb=-nbkb1δy。2型mb2pb当˙xb>0时,继续为正向弹塑性线段,kb=kb2,pb=nbkb1δy。当˙xb<0时,进入弹性线段BC,通过˙xb=0来确定δ0,kb=kb1,pb=nbkb1(δy-δ0)。3by-0当˙xb≤δ0或˙xb≥-(2δy-δ0)时,继续为负向弹性线段,kb=kb1,pb=nbkb1(δy-δ0)。当˙xb>δ0时,进入正向弹塑性线段AB,kb=kb2,pb=nbkb1δy。当˙xb＜-(2δy-δ0)时,进入负向弹塑性线段A′D,kb=kb2,pb=-nbkb1δy。4明确b3pb的pb当˙xb<0时,继续为负向弹塑性线段,kb=kb2,pb=-nbkb1δy。当˙xb>0时,进入正向弹性线段DE,通过˙xb=0来确定-δ0,kb=kb1,pb=-nbkb1(δy+δ0)。5负向弹塑性线路mb的组成当˙xb≥-δ0或˙xb≤(2δy-δ0)时,继续为正向弹性线段,kb=kb1,pb=-nbkb1(δy+δ0)。当˙xb＜-δ0时,进入负向弹塑性线段CD,kb=kb2,pb=-nbkb1δy。当˙xb＞(2δy-δ0)时,进入正向弹塑性线段EB,kb=kb2,pb=nbkb1δy。3结构控制优化算法控制算法是确定控制装置的控制力的基础,国内外学者经过研究,已提出了多种控制算法,主要有线性最优控制算法,瞬时最优控制算法,神经网络控制算法等等。为了有效地增加ATMD对结构的控制效果,本文采用简单的加速度反馈算法,即简单地利用从结构顶层获得的加速度反馈来计算控制力α:α=-gamn¨xn(3)其中,ga为加速度反馈增益。这种算法的一个优点是简单方便,计算控制力时,不需要知道结构振动模态的具体形式,节约了相当多的计算时间。4结构的设计及计算结果某7层框架结构,每层质量均为mi=5×105kg(i=1,2,…,7),层间抗侧刚度均为ki=6.6×108N/m(i=1,2,…,7),阻尼系数均为ci=1.1×106N·s/m(i=1,2,…,7),基础隔震层采用了叠层橡胶隔震垫,其阻尼比0.2,隔震层的质量mb=3×105kg,采用双线性恢复力模型描述橡胶隔震垫的弹塑性特性,水平初始刚度kb1=10.5×106N/m,塑性斜率nb=0.4,即屈服后的水平刚度kb2=(1-nb)kb1=6.3×106N/m,屈服位移δy=0.03m。设置在结构顶层的ATMD的质量ma=3.8×104kg,刚度ka=9.5×104N/m,阻尼系数ca=6×103N·s/m,计算控制力时加速度反馈增益取ga=0.05。本文选用的地震波为天津波,最大地震加速度为20m/s2,时程反应的持续时间为11s,时间间隔为0.02s。为了进行比较,还计算了无控结构和仅有基础隔震的结构(简称纯基础隔震结构)在地震作用下的动力反应。各种结构各楼层的峰值位移见表1。由表1可见,虽然纯基础隔震结构的顶层峰值位移比无控结构减小了42.24%,但却放大了底部楼层的位移,而且隔震层的位移也较大。基础隔震-ATMD结构的顶层峰值位移比无控结构减小了49.87%,比纯基础隔震结构减小了13.22%,底部楼层的位移比纯基础隔震结构还小。基础隔震-ATMD结构的隔震层的峰值位移比纯基础隔震结构减小了13.63%,而且所需的最大驱动力不过58.6kN。因此,基础隔震-ATMD混合控制的效果优于仅有基础隔震的被动控制。5atd的算例分析本文对顶层ATMD的基础隔震混合控制结构进行了抗震分析,应用双线性恢复力模型描述基础橡胶隔震垫的弹塑性特性。运用简单的加速