磁流变阻尼器半主动控制的组合基础隔震系统

磁流变阻尼器半主动控制的组合基础隔震系统

1结构减隔震研究现状结构屏障地震是在上部结构和基础之间添加适当的衰减层，将上部结构和基础分隔开来，利用隔热地震能量将上部结构传输到上部结构。隔震结构具有很多优点,如能够减小结构的水平地震作用,这已被理论分析和国内外强震记录所证实。国外的大量试验和工程经验表明:隔震一般可使结构的水平地震作用降低60%左右,特别是在罕遇地震作用下隔震效果更好;隔震体系能同时保护结构和非结构构件,以保证建筑物内部设施在强震下的安全性,减少人员伤亡和财产损失,并保持震后建筑物继续使用的能力。但是,近年来的几次规模较大的地震灾害表明,传统的被动基础隔震无法保证在各种类型地震作用下都有良好的控制效果。例如,传统的基础隔震结构在远场地面运动作用下有良好的控制效果,但在近场地面运动作用下反而会增大结构的响应而导致结构破坏。针对上述的问题,许多研究者提出组合基础隔震系统,并对此作了大量的研究,但主要的研究集中在采用主动控制和被动基础隔震的组合。主动控制是现代比较先进的振动控制方法,已广泛用于电子工程、机械工程与航空航天工程等领域。主动控制虽对各种振动作用都有很好的控制效果,但由于应用于土木工程时,需要很大的外部能量,故目前无法得到广泛的应用。半主动控制是近年来结构减隔震研究的热点,其兼有被动控制和主动控制的优点。它具备主动控制的效果,又只需很小的电能,通过调节和改变结构的性能减小地震反应,因此比较适合于改善工程结构的抗震能力。磁流变阻尼器作为一种新型的半主动控制装置,具有构造简单、响应快、调谐范围大、耐久性好、阻尼力可逆可调的特点,并可与微机结合组成智能控制系统,即使在控制系统失效的情况下仍可充当被动控制装置,具有很强的可靠性。本文在成熟的隔震体系和磁流变阻尼器的基础上,采用了修正的clipped-optimal优化算法,编制了相应的程序,研究了应用半主动控制和基础隔震结合的组合控制系统来提高结构抗震性能的可行性和可靠性。2控制算法的分析控制系统的性能极大地依赖于所选择的控制算法,因此半主动控制算法是磁流变阻尼器减震的核心问题。目前,还没有专门用于半主动控制的控制算法,一般的做法是首先用主动最优控制算法得到主动最优控制力,再通过调节半主动控制装置的参数使它所产生的控制力向主动最优控制力靠近,这样就形成了两阶段的控制算法。因此半主动控制算法必须要结合特定的装置提出,脱离装置讨论算法是没有意义的。Dyke等于1996年提出了一种基于加速度反馈的clipped-optimal控制算法,用于磁流变阻尼器作为半主动控制装置的抗震结构计算,在各种控制算法进行的分析比较中,该控制算法与试验结果的吻合度表现得很突出。在clipped-optimal算法中,是通过附加n个力反馈循环来引导磁流变阻尼器产生最优力的。磁流变阻尼器产生的阻尼力是和所处结构层的反应有关的,它不可能时时都产生最优的控制力,只有通过直接控制电压来提高或降低磁流变阻尼器的力。在原来的clipped-optimal算法中,阻尼器产生的阻尼力等于最优力时,应用的电压维持现有的值。如果阻尼器所产生的力小于期望产生最优力并且符号相同时,所用电压应提高为最大值以使阻尼器可以产生期望的最优值;否则,所用的电压为零值。此方法如图1所示。它的数学表达式为v(i)=VmaxΗ[(fci-fi)f](1)v(i)=VmaxH[(fci−fi)f](1)式中,vi为第i个阻尼器所用的电压;fci为由用LQR算法所得到第i个阻尼器应产生的最优作用力;fi为第i个磁流变阻尼器产生的阻尼力;Vmax为最大电压值;H(·)为单位阶跃函数,即Η(x)={1(x≥0)0(x<0)(2)H(x)={10(x≥0)(x<0)(2)在上述原来的clipped-optimal算法中,电压值只可能是零或最大值。本文提出针对此算法的修正:控制电压可能是零和最大值之间的任何值,同时假定控制电压(用Vci表示)和阻尼器产生的阻尼力有一线性关系,由此来确定控制电压。当期望的最优力大于阻尼器的最大阻尼力时,电压值设为最大值。如图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是阻尼器产生的最大值;μi是电压和力之间的系数。3地震地质条件分析基础隔震结构的状态方程与基础嵌固结构状态方程大致相同,只不过得加上基础的部分,本文假定上部结构是线弹性系统。结构承受两个方向的地震作用,则上部结构的方程为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)基础层受到了四种外力,即隔震层合力、磁流变阻尼器合力、上部结构引起的剪力及地面运动惯性力,其控制方程可表示为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是地震影响系数矩阵;Mn×n为上部结构质量矩阵;⋅⋅Xn×1为上部结构加速度列向量;Mb3×3是刚性基础的对角质量矩阵;Cb3×3是隔震层的和阻尼矩阵;Kb3×3是隔震层的刚度矩阵;uc3×1是磁流变阻尼器的阻尼力;⋅⋅xg仍为地面运动的加速度;⋅⋅xb为基础相对与地面的加速度;Xb3×1和⋅⋅Xb3×1分别为基础的位移和速度反应的列向量。因此,组合上两式可得到此基础隔震的状态方程:˙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计算机软件设计本文作者以MATLAB和Simulink为平台,根据上述修正的磁流变阻尼器clipped-optimal算法和基础隔震系统控制的状态方程,编写了相关的计算机程序,程序主要模块的构架示意图如图2和图3所示,程序的流程图如图4所示。上部结构模型采用层间剪切模型,结构的质量认为集中在楼面或屋面上,假定上部结构处于线弹性状态,时间步长为0.005s。5结构体系的自振特性本文算例采用某大学一8层基础隔震教学楼,建筑物长82.4m,宽54.3m。结构1～6层的平面是L形,7层和8层的平面是矩形,如图5(a)所示。上部结构的支柱位于建筑物的周边,基础和地面之间用一隔震层,如图5(c)所示。被动基础隔震装置采用31个低阻尼的叠层橡胶支座和61个铅芯橡胶支座,叠层橡胶支座模拟为线弹性元件,铅芯橡胶支座模拟为双线性元件,具体的分析可参见文献。阻尼器布置考虑一定的对称性,在建筑物基础中心和周边设置12个磁流变阻尼器,具体位置如图5(a)所示,以比较组合控制基础隔震结构(智能基础隔震)和被动基础隔震结构(传统基础隔震)的性能。结构简化为两部分:①8层上部结构;②基础、隔震支座和磁流变阻尼器。上部结构每层的质量中心有3个主自由度,即有24个自由度。基础部分有以其质量为中心的3个自由度。总结构有27个自由度。基础板和楼板都假设刚度无限大。上部结构的阻尼比定为5%。结构的总重是202000kN。上部结构的前24阶自振周期如表1所示。本算例主要是验证智能基础隔震结构在近场地震作用下的控制效果,选取以下的7种近场地震记录:ElCentro地震波、Kobe地震波与Erzincan地震波,1994年美国Northridge地震中Newhall站、Sylamar站和Rinaldi站记录的地震波以及CHI-CHI地震波。主要考虑近场地震的速度和位移时程中有很大的脉冲,更能反映近场地震波的特性,也能更好地反映地震对结构破坏的指标。经程序计算分析,在CHI-CHI,ElCentro和Sylmar地震波在X方向的两种结构体系的基础位移、基础剪力、基底加速度和顶层加速度的比较如图6-图17所示,7条地震波作用下两种控制方法的的结构楼层峰值位移、峰值层间位移、峰值加速度和峰值基底剪力的比较如图18、图19所示。图18和图19中,横坐标中1～7分别代表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。对上述的1～7条地震波,比较智能基础隔震结构比传统基础隔震结构的控制效果,结构峰值位移分别减少了18.2%,9.8%,20.3%,21.8%,10.6%,35.3%,21.5%;隔震层侧移分别减少了23.8%,3.1%,17.4%,24.7%,28.9%,31.6%,15.1%;峰值加速度分别减少了9.2%,18.8%,7.2%,2.6%,17.5%,16.2%,31.1%;基底剪力分别减少了4.4%,20.9%,15.3%,10.2%,22.4%,15.2%,26.2%。被动控制主要是由于隔震层的位移过大而导致结构的破坏,而通过比较上面三种地震作用下的结构反应时程图可以发现,智能基础隔震结构对隔震层的位移有很好的控制,并且不以增大基础的剪力和楼层的加速度为代价。因此,在传统基础隔震系统中加入磁流变阻尼器而形成的组合控制基础