磁流变阻尼器在隔震独桩平台中的应用

磁流变阻尼器在隔震独桩平台中的应用

1隔震独桩平台控制为了避免断桩平台在强地震的作用下造成的严重结构破坏，提出了一种具有隔震结构的新断裂带，并采用了磁圈衰减源（也称为mri）对断裂平台的地震反应进行了手动控制（图1）。独桩与隔水套管之间(泥面以上)的空隙不用填充物,只在上部用MR阻尼器相连接;独桩桩顶不直接支撑甲板,二者之间用橡胶垫相接。隔震独桩平台具有如下优点:1)波浪力主要由独桩承担,对隔水套管和甲板的影响较小;2)在地震力作用下,由于隔水套管和桩顶橡皮垫的侧移刚度都较小,地基传输给甲板的地震力就会大大减小。由于隔水套管和橡胶垫的侧移刚度都较小,在地震力作用下,甲板的位移就会变得大起来,因此需要采用MR阻尼器来加以控制。2磁流变效应应用磁流变阻尼器所采用的液压油是一种磁流变液(magneto-rheologicalfluid,简称MR)可控制流体,通常由分散于载体介质(如硅油等矿物油)中微小的、可磁化的极性粒子组成。目前用得较多的磁性颗粒有铁钴、铁镍、铁钴钒等合金超细粉末,其粒径为几微米。在无磁场作用时,MR是牛顿流体;而当受到磁场作用时,其悬浮的极性颗粒便被磁化,形成粒子链,并在短时间内(毫秒量级)由流体转变为具有一定剪切屈服应力的黏塑体,随着磁场强度的加强,剪切屈服应力相应增大,这就是磁流变效应。MR流体的最大屈服应力可达50～100kPa。磁流变效应具有以下特点:1)随磁场强度的变化而连续变化;2)既可随磁场强度增大而硬化,又可随其减弱而变为流体;3)响应时间短,其力学性能随磁场强度变化的时间为毫秒量级。许多研究结果表明,MR在磁场作用下的剪应力τ与剪切速率γ的关系可用宾汉姆(Bingham)黏塑性模型描述,其表达式为式中:τy为与磁场强度有关的剪切屈服强度,η是磁流变液的黏度。磁流变液已广泛为工程技术界所重视,在机械、航空航天、石油、土木工程等领域得到初步应用,是最有发展前景的智能材料之一。目前国外已研究开发出磁流变液减振器、刹车装置及光学加工装置。美国Lord公司和NotreDame大学合作设计并制造出阻尼力达200kN的MR阻尼器,该阻尼器已用于土木工程结构减震和振动控制。MR阻尼器的工作原理(图2)是:活塞与缸体发生相对运动就会挤压油缸中的MR液,MR液通过位于活塞与缸体之间的间隙流向活塞另一侧。若没有磁场作用,MR液则表现为牛顿流体;若绕在活塞上的线圈通电产生磁场,MR液则发生硬化,变为黏塑体,使活塞运动的阻尼力增大,此时通过调节线圈中的电流强度可以改变MR液的屈服强度,从而可以调节MR阻尼器阻尼力的大小。MR阻尼器的阻尼力Fd(t)与活塞运动速度(t)之间的关系式为式中:cd为黏滞阻尼系数;L和h分别为活塞与缸体之间间隙的长度和高度;d为缸体的内径;Ap为活塞的净面积。MR阻尼器的阻尼力由2部分组成,即与速度有关的黏滞阻尼力和与磁场强度有关的屈服剪应力。在无磁场作用时,MR材料的τy=0;此时,MR阻尼器的阻尼力只有黏滞阻尼力一项,MR阻尼器也就成为一种被动阻尼器,因此,MR阻尼器是一种安全无故障阻尼器,是一种理想的结构半主动控制元件。3半主动控制器设计采用瞬时最优控制算法所确定的主动控制力来作为确定MR阻尼器半主动控制律的参考数据。具有n个自由度的受控结构体系在地震作用下的运动方程为式中:[M]、[C]、[K]分别为结构体系的质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵;{I}为单位列向量;为地震加速度;分别为桩顶处的位移、速度和加速度;[H]为控制装置的位置矩阵;{U}为控制力向量。式中:{Z}为状态向量,对于主动控制,关键在如何确定控制力{U},主动控制算法是确定控制力的基础,目的是在主动控制系统满足状态方程和各种约束的条件下,选择合适的增益矩阵,寻找最佳控制参数,并使系统达到较好的性能指标,实现对结构的最佳控制。瞬时最优控制算法所采用的性能指标为式中:[Q]和[R]分别为瞬时状态向量{Z}和瞬时控制向量{U}的加权矩阵。在闭环控制情况下所需的控制力向量为式中Δt为采样时间步长。MR阻尼器通过调整磁场强度来改变控制力的大小,不可能在任意瞬间都能够达到最优控制效果。MR阻尼器的半主动控制律为式中:Fi为第i个MR阻尼器所提供的控制力;Ui为第i个瞬时最优主动控制力;Fmax和Fmin分别为有磁场存在和无磁场存在时MR阻尼器所提供的半主动控制力。4隔震独桩平台地震反应方程安装MR阻尼器的隔震独桩平台,其地震反应方程可以写为式中:m为甲板的质量;c为隔水套管(包括橡胶垫)的阻尼;k为隔水套管(包括橡胶垫的刚度);F为MR阻尼器对隔水套管的半主动控制力。若令状态向量控制力U=F,那么方程(1)可表示为式中瞬时最优闭环控制算法的瞬时最优主动控制力为那么MR阻尼器的半主动控制律为式中5算例隔震独桩平台的主要参数:甲板质量100t,隔水套管的刚度为20kN·m-1。MR阻尼器的参数:缸体内径100mm,间隙高度2mm,活塞有效长度60mm,MR液黏度0.2Pa·s,最大屈服应力5kPa,相应的黏滞阻尼系数cd=1.45kN·s·m-1,屈服剪力f=4.5kN。选取状态向量加权矩阵控制力加权数的选取应仔细考虑:若取值太小,将导致所需的控制力太大,MR阻尼器难以达到要求;若取值太大,则会导致所需的控制力太小,实际控制效果将大打折扣。方程(1)的增量形式为式中ΔF应按下列方法计算:1)若FU>0,且|F|<|U|在时刻τ=t成立,而在时刻τ=t-Δt(Δt为积分步长)不成立,那么在时刻r=t有2)若FU>0,且|F|<|U|在时刻τ=t不成立,而在时刻τ=t-Δt成立,那么在时刻τ=t有3)不满足上述2种情形的其他情形有采用Newmark-β法对上述增量形式方程进行积分,基岩加速度采用ElCentro地震加速度,通过时程分析就可以得到隔震独桩平台甲板的位移、速度及加速度时程曲线,图3、图5分别为隔震独桩平台甲板的位移、速度及加速度时程曲线。从图3可以看出,无论是采用MR阻尼器的被动控制方式,还是采用MR阻尼器的半主动控制方式,对隔震独桩平台甲板的位移都有较好的控制效果;但相比之下,半主动控制效果比被动控制效果更好。半主