建筑结构磁流变阻尼器及基础隔震混合控制方法研究

建筑结构磁流变阻尼器及基础隔震混合控制方法研究

被动控制简单流畅，但控制效果有限。虽然主动控制是最好的，但需要强大的能量源。控制算法非常复杂。由于经济和技术条件的限制，其应用成本高，无法实现。混合控制综合了几种控制方法的优点,控制效果较好,在某些情况下单独控制系统解决不了的问题可以由混合控制解决,因此它具有更为广阔的发展前景。本文将被动控制和半主动控制结合起来构成混合控制系统,既进行了建筑结构设置磁流变阻尼器及基础隔震的混合控制方法的研究。1磁势阻滞器与基本沉降之间的混合控制1.1种双推杆mr阻尼器本文所采用的混合控制体系为磁流变阻尼器和基础隔震体系。阻尼器为LORD公司与圣母大学合作设计和生产的20吨足尺双推杆MR阻尼器,是一种运动磁流变阀阻尼器,最大出力为200KN。基础隔震系统所用的隔震部件为叠层钢板橡胶垫。1.2mr干扰装置的配置本文采用斜支撑布置方案,在结构的底层布置一个MR阻尼器。1.3结构体系的内力在一维水平地面加速度··xg(t)的作用下,安装有m个磁流变减振器的n+1个自由度结构的运动微分方程为M··X(t)+C·X(t)+KX=EU(t)-MI··Xg(t)式中,M,C,K分别为建筑结构体系的质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵;X,·X,··X分别为结构相对于地面的位移反应向量、速度反应向量和加速度反应向量;E为控制力U的位置矩阵,Ei=[0,…,1,-1,0,…,0]T,i=1,…,r,其中1所在的列数是第i个阻尼器所在的层序号;U为由减振驱动器产生的控制力列向量,U(t)=[u1,u2,…,ur]Tr×1为r维控制力向量,ur为第r个MR阻尼器产生的库仑摩擦阻尼力和机械摩擦力部分,与结构的相对运动速度大小无关;I为单位列向量;··Xg(t)为地震地面运动加速度。式中,m0、c0、k0为隔震层的质量、阻尼、水平刚度。2计算与分析2.1算例2:某抗混合布某驳岸结构在确定结构体系的计算模型时,作如下假定:(1)假设楼板在平面内的刚度无穷大,同层的侧位移相同;(2)结构的质量认为集中在楼板或屋面上;(3)在振动过程中各楼层始终保持水平,结构的变形表现为层间的错动。本算例采用某五层框架结构。具体结构参数为质量m1=m2=m3=m4=m5=1045.10t×103kg,层间刚度k1=k2=k3=k4=k5=5176000KN·m-1,上部结构的阻尼比为0.05。2.2为了确定隔震层的刚性，通过表达式kh=kj，计算隔震层的等效刚性其中,kh为隔震层水平动刚度;kj为j隔震支座水平动刚度。本文中kh=48450KN/m,m0==895.83t2.3阻尼比和自振频率其中,C为体系的阻尼矩阵;a,b为待定系数。a=2(ζjωj−ζj+1ωj+1)1ω2j−1ω2j+1b=2(ζj+1ωj+1−ζjωj)ω2j+1−ω2ja=2(ζjωj-ζj+1ωj+1)1ωj2-1ωj+12b=2(ζj+1ωj+1-ζjωj)ωj+12-ωj2式中,ζj、ωj分别为第j振型阻尼比与自振频率;ωj可以通过结构的动力平衡方程求得,ζj可根据结构形式和相关得实验数据给出,在本文中,将其取为0.05。2.4结构的半主动控制为了验证本文所提出的混合控制方法的有效性,本文选取了某五层框架结构进行数值分析。分析中,将磁流变阻尼器一端连于地面,另一端连接在二层楼板上。由于设置了隔震层,隔震层处的位移较大,而上部结构接近于平动,这样,根据磁流变阻尼器的出力特点,选择出最优位置,阻尼器在较大的位移处会产生较大的阻尼,实现对结构的控制。本文对结构分别输入Taft波EL-Centro波,半主动控制策略采用PASSIVE-OFF控制算法。在进行分析时,分别采取的数据为:结构的隔震层处位移时程曲线(图1,图2),结构层间加速度(表1,表2)。如下所示:3无控结构和混合控制在作用下的减振率与加速度值对比,结果如下(1)从位移反应来说,当结构只采用橡胶垫基础隔震时,隔震垫对结构的控制效果非常显著,但橡胶垫本身可能产生较大的位移,使结构在大地震作用时失稳甚至破坏,而混合控制明显的降低了隔震层的位移反应,减振率达到62.9%。可见,混合控制的效果是很有效的,保证隔震结构在大地震作用下的位移反应的安全与稳定,增加了结构的安全性。(2)从加速度的反应上来说,与单独的隔震结构相比,混合控制降低了结构各层的加速度值,反