基于磁流變阻尼器的橡膠墊組合智能隔震系統(tǒng)

基于磁流變阻尼器的橡膠墊組合智能隔震系統(tǒng)

橡膠墊基隔震是一種研究成熟、應(yīng)用廣泛的振動技術(shù)。它具有明顯的減壓效果、安全可靠、成本低等優(yōu)點，因此在許多中低層建筑中廣泛傳播。然而，橡膠墊的防水結(jié)構(gòu)在發(fā)生罕見地震時會發(fā)生很大的破裂，這將導(dǎo)致隔震層的破壞。為了限制隔震層的位移，通常在隔震層中引入了阻尼器的限制，即使它添加了傳統(tǒng)的被動阻尼器，上部結(jié)構(gòu)的加速度和層間位移也會增加。這種很大的加速度會對一些特定建筑的機(jī)器造成損壞，并對建筑物中的物體造成二次破壞?？拐鸺夹g(shù)的發(fā)展標(biāo)志著保護(hù)總體結(jié)構(gòu)安全，確保內(nèi)部設(shè)施不受損。這是抗震技術(shù)的更高要求。磁流變(MR)阻尼器是一種性能優(yōu)良的變阻尼控制器,它具有阻尼力可調(diào)范圍寬、響應(yīng)迅速且所需能量很少的特點.本文將把磁流變阻尼器與普通橡膠隔震支座聯(lián)合組成智能隔震系統(tǒng),采用線性二次型最優(yōu)控制算法(LQR)、高階單步控制算法對結(jié)構(gòu)進(jìn)行振動控制,并分別應(yīng)用連續(xù)控制和開關(guān)控制兩種控制率,通過對不同場地和烈度地震波的振動臺試驗研究表明,這種組合控制系統(tǒng)相對一般被動隔震裝置,能同時減小上部結(jié)構(gòu)加速度和隔震層位移,從而是一種更好的隔震控制方式.1模型結(jié)構(gòu)參數(shù)該智能隔震系統(tǒng)由磁流變阻尼器與普通夾層橡膠支座組成,橡膠支座提供恢復(fù)力,磁流變阻尼器通過電壓控制提供可變的阻尼力.試驗使用的磁流變阻尼器是由哈爾濱工業(yè)大學(xué)關(guān)新春等人自行研制開發(fā)并提供的.其參數(shù)為最大出力200kN,最小出力25kN,即阻尼力可調(diào)倍數(shù)是8.阻尼器的沖程范圍為±80mm,工作電流為0～4A.振動臺試驗所用被控結(jié)構(gòu)為六層鋼筋混凝土模型,該模型結(jié)構(gòu)的底層為柔性大空間.使用模具型號為GZP100V5A的四個疊層橡膠隔震支座,放于模型結(jié)構(gòu)的四個角上.考慮到隔震層的穩(wěn)定性和對稱性,隔震橡膠墊支座型號的選擇不能太小,數(shù)量也不能太多.隔震層與上部結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1,并算得該模型結(jié)構(gòu)的自振頻率約為1.8Hz.該控制系統(tǒng)將采用全狀態(tài)反饋,也即是對每層的位移、速度、加速度進(jìn)行實時反饋.被控模型結(jié)構(gòu)的幾何相似比為1/5,時間相似比為1/3,加速度相似比為1.8.2控制計算方法2.1ricpti方程的解矩陣計算,描述每一時段的領(lǐng)導(dǎo)力LQR是控制中常用的一種算法,它具有算法簡單、魯棒性強(qiáng)的特點.每一時刻控制力的計算式為u(t)=?12R?1BTPZ(t)=?KZ(t)(1)式中:R為權(quán)矩陣;B為阻尼器的位置矩陣;P為Riccati方程的解矩陣;K為增益矩陣;Z為狀態(tài)向量.2.2高階單步法的領(lǐng)導(dǎo)力文獻(xiàn)介紹的高階單步控制算法具有計算精度高、算法簡單的特點,特別是對控制中常產(chǎn)生的時滯現(xiàn)象.當(dāng)系統(tǒng)只產(chǎn)生一步時滯時,通過高階單步法計算的控制力將不產(chǎn)生時滯;當(dāng)時滯等于n步積分步長時,高階單步法可預(yù)估出n-1步的狀態(tài)向量,通過狀態(tài)向量計算得到n時刻的最優(yōu)控制力加到結(jié)構(gòu)上.高階單步法算法中,每一時刻的控制力由下式算得:BUn+1=D1xn+D2x˙n?D3x??n(2)式中:B,D1,D2,D3均為常數(shù)矩陣;U為計算出的最優(yōu)控制力向量;x為位移向量.因試驗只對隔震層阻尼器進(jìn)行調(diào)節(jié),因而只取U向量的第一個數(shù).2.3u3000計算公式考慮到磁流變阻尼器實際能給結(jié)構(gòu)施加的阻尼力的特點,用如下兩種控制率對最優(yōu)控制力進(jìn)行調(diào)節(jié):u=???????????umaxfoptx˙b＜0foptfoptx˙b＜0uminfoptx˙b＜0uminfoptx˙b≥0|fopt|＞|umax||umax|≥|fopt|>|umin||fopt|≤|umin|,u={umaxuminfoptx˙b<0foptx˙b>0(3)式中:umax,umin為MR阻尼器所能提供的最大最小阻尼力;x˙b為隔震層的相對速度;fopt為計算得到的最優(yōu)控制力;u為調(diào)節(jié)后阻尼器需施加的阻尼力,可以通過控制輸出電流驅(qū)動阻尼器來達(dá)到.兩種控制率,前一種是對控制力進(jìn)行連續(xù)調(diào)節(jié),控制力可調(diào)范圍寬.后一種是對控制力在最大與最小之間變化,算法控制靈活.3振動試驗的結(jié)果試驗工作在廣州大學(xué)抗震研究中心進(jìn)行,振動臺試驗的具體結(jié)果與分析如下.3.1高單步法的實驗結(jié)果3.1.1開關(guān)控制時差震層位移表2是試驗測得的各工況層間位移反應(yīng)峰值,其中括號內(nèi)數(shù)值為試驗前數(shù)值模擬計算的結(jié)果.圖1為試驗中實測的隔震層位移時程圖.從表2中可以看出,控制后的隔震層最大位移(30mm)只比橡膠墊允許位移(55mm)的一半稍多,也即控制系統(tǒng)有承受更大地震荷載的能力.另外試驗前的數(shù)值計算較好地模擬了試驗,兩者結(jié)果較為接近,為進(jìn)一步研究該控制系統(tǒng)的設(shè)計方法奠定了基礎(chǔ).開關(guān)控制時隔震層位移相對較小,是因為它是在最大最小阻尼力作用之間變化.當(dāng)隔震層出現(xiàn)較大位移時,阻尼器直接輸出最大阻尼力加以控制,而不是連續(xù)控制時輸出最大最小阻尼力之間的值.觀察表中數(shù)據(jù)可看到,開關(guān)控制時隔震層位移小了,上部結(jié)構(gòu)的層間位移相對變大了.3.1.2開關(guān)控制時的位移圖2是結(jié)構(gòu)第5層的加速度時程曲線圖,從中可以看出,連續(xù)控制的控制效果要好于開關(guān)控制;大震罕遇烈度下的控制效果要好于設(shè)防烈度下控制效果;對El-Centro波和Taft波的控制效果要強(qiáng)于天津波.在罕遇地震時,連續(xù)控制El-Centro波和Taft波第5層加速度峰值相對輸入地震波加速度峰值減小了一半,減震效果明顯;基本烈度時也減小了1/3.連續(xù)控制好于開關(guān)控制的原因,可以由前面的位移反應(yīng)分析得出.開關(guān)控制下的隔震層位移要明顯小于連續(xù)控制的隔震層位移,隔震層的位移減小使得阻尼器耗能相對變小,傳給上部結(jié)構(gòu)的能量增多,所以加速度反應(yīng)變大.大震時的控制效果好于中震,是因為阻尼器的初始粘滯系數(shù)較大,在大震時,較大的隔震層位移可以完全克服這個初始粘滯力,阻尼器耗散了更多的能量,使上部結(jié)構(gòu)加速度明顯減小.對前兩種波的控制效果好于天津波,是因為天津波的卓越周期接近了隔震后模型的固有周期,上部結(jié)構(gòu)的地震影響系數(shù)較大的緣故.對同一模型,文獻(xiàn)做過鉛芯橡膠墊隔震試驗.橡膠墊使用的是4個直徑100mm鉛芯橡膠墊,其整體屈服力是8.652kN.文獻(xiàn)中通過對比智能隔震和橡膠墊被動隔震下的隔震層位移可知,采用磁流變阻尼器智能基礎(chǔ)隔震,無論隔震層位移最大值還是上部加速度的放大倍數(shù),都要明顯小于采用鉛芯橡膠墊的被動隔震.這樣,智能隔震系統(tǒng)就有能力抵抗更大的地震.由此可見,磁流變智能隔震裝置相對于被動鉛芯橡膠墊隔震,其性能更加優(yōu)越.3.2最佳lqr控制試驗的結(jié)果3.2.1隔震層位移時程圖經(jīng)試驗結(jié)果分析發(fā)現(xiàn),兩種控制算法對隔震層位移控制效果相近,限于篇幅這里只給出連續(xù)控制El-Centro波與Taft波在兩種烈度下隔震層位移時程圖,如圖3所示.3.2.2結(jié)構(gòu)控制效果圖4是兩種控制方式、兩種地震波在不同烈度波下,結(jié)構(gòu)第5層的加速度時程圖.對比兩種控制算法的試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn),對于連續(xù)控制方式,從El-Centro波到天津波,高階單步控制算法對結(jié)構(gòu)上部加速度的控制效果逐漸變好,而LQR控制算法的控制結(jié)果則相反.模型結(jié)構(gòu)在天津波下,輸入地震力最大,反應(yīng)也最大,因而可以說高階單步控制算法更適合較大地震力輸入的結(jié)構(gòu)控制,其能更合理地利用阻尼器的最大出力.對于開關(guān)控制方式,因為控制力只是在最大、最小值兩值之間選擇,上述結(jié)論不明顯.在中震輸入時,兩種控制算法的試驗結(jié)果相當(dāng);大震輸入時,高階單步控制算法的控制效果稍好.3.2.3滯回曲線的檢驗圖5,6是連續(xù)控制El-Centro波和Taft波下的阻尼器滯回曲線.可見該滯回曲線飽滿,因而控制中耗散了很多地震能量,使輸入到上部結(jié)構(gòu)的能量得以減小.3.3滯回曲線分析在該試驗過程中,意外原因?qū)е螺斎氲卣鸺铀俣确逯颠_(dá)到1.5g,震后模型結(jié)構(gòu)部分位置出現(xiàn)裂縫.圖7是隔震層位移時程圖,圖8是阻尼器的滯回曲線.從圖7可以看出,在相當(dāng)遭遇9度大震時,隔震層位移峰值達(dá)到46mm,接近250%的剪切變形,但沒有達(dá)到300%規(guī)范規(guī)定的最大剪切變形.由于磁流變阻尼器瞬時即能達(dá)到的較大的耗能能力,此時阻尼器滯回曲線面積達(dá)到最大,耗能也最多.主體結(jié)構(gòu)部分進(jìn)入了塑性,但是沒有出現(xiàn)整體傾斜倒塌現(xiàn)象.4智能隔震系統(tǒng)性能分析本文對MR阻尼器與橡膠隔震墊組成的智能隔震系統(tǒng),采用兩種控制算法和控制策略,進(jìn)行了模型結(jié)構(gòu)的振動臺試驗,得出以下一些結(jié)論:(1)所設(shè)計的智能隔震系統(tǒng)能適應(yīng)不同場地.在有效限制隔震層位移的