基于ermr的智能基礎(chǔ)隔震系統(tǒng)的半主動(dòng)控制方法

基于ermr的智能基礎(chǔ)隔震系統(tǒng)的半主動(dòng)控制方法

近年來，振動(dòng)基礎(chǔ)技術(shù)已廣泛應(yīng)用于多層建筑結(jié)構(gòu)和橋梁中。通過延長結(jié)構(gòu)的第一個(gè)自助軸，減少輸入上部結(jié)構(gòu)的能量，從而減少上部結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)。但由于被動(dòng)隔震的隔震層變形較大,有時(shí)不能滿足使用要求,因此混合隔震控制技術(shù)也有了一定的發(fā)展。J.N.Yang等人對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)進(jìn)行了混合隔震控制的研究,仿真分析結(jié)果表明混合隔震控制對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)承受不同強(qiáng)度的地震和其它動(dòng)荷載均有較好的減震效果?；旌细粽鹂刂葡到y(tǒng)一般由隔震器和可調(diào)阻尼器組成,該系統(tǒng)通過隔震層改變結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性,減少輸入到上部結(jié)構(gòu)的能量,而可調(diào)阻尼器則用來減小隔震層的變形,改善隔震系統(tǒng)的性能,保護(hù)隔震系統(tǒng)免于因過大的水平變形而產(chǎn)生失效破壞。ER/MR(electrorheological/magnetorheologicalfluid)阻尼器是一種性能非常優(yōu)越的可控智能阻尼器。由于通過調(diào)節(jié)電/磁場(chǎng)可以迅速地改變ER/MR流變液的力學(xué)阻尼特性,因此依據(jù)電/磁流變效應(yīng)的特點(diǎn)可以制作適用于土木工程結(jié)構(gòu)控制用的ER/MR智能阻尼器。作者在制作出了用于實(shí)驗(yàn)分析的ER和MR阻尼器的基礎(chǔ)上,建立了它們的力學(xué)模型,并詳細(xì)地分析和研究了ER/MR智能阻尼器對(duì)框架結(jié)構(gòu)和帶裙房高層建筑地震反應(yīng)半主動(dòng)控制的設(shè)計(jì)計(jì)算方法,取得了較好的控制效果。利用ER/MR阻尼器和隔震墊組成的智能基礎(chǔ)隔震系統(tǒng)能夠有效地減小建筑結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)。1er/mr阻尼器力學(xué)模型根據(jù)已有的研究,ER/MR電/磁流變液的剪應(yīng)力τ與剪切速率˙γγ˙之間的關(guān)系可用Bingham模型來描述:τ(E,˙γ)=η0˙γ+τy(E)?sgn˙γ(1)τ(E,γ˙)=η0γ˙+τy(E)?sgnγ˙(1)式中η0為電/磁流變液的粘滯系數(shù);τy(E)為電/磁流變液的屈服剪應(yīng)力,隨外加電/磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加而增加。根據(jù)電/磁流變效應(yīng)及其特點(diǎn)可以制作適用于土木工程結(jié)構(gòu)控制用的ER/MR智能阻尼器。ER/MR阻尼器在外力作用下,阻尼器中的活塞只有克服了電/磁流變閥中電/磁流變液的屈服剪應(yīng)力,使其產(chǎn)生塑性流動(dòng),才能在缸體中運(yùn)動(dòng)。因此,只要調(diào)整電/磁流變閥中的電/磁場(chǎng)強(qiáng)度,就可以調(diào)整阻尼器中使活塞運(yùn)動(dòng)的阻尼力的大小,從而實(shí)現(xiàn)ER/MR阻尼器參數(shù)的可調(diào)。根據(jù)已有的研究可知,ER/MR阻尼器的阻尼力由粘滯項(xiàng)和可控庫侖力項(xiàng)組成:Ρd(t)=Cd˙e+Fd(E)?sgn(˙e)(2)Pd(t)=Cde˙+Fd(E)?sgn(e˙)(2)式中Cd為粘滯阻尼系數(shù),e為阻尼器滑動(dòng)位移,Fd(E)為可控庫侖阻尼力,其中Cd=C112η0LApbh3ApFd(E)=C2(E)Lτy(E)hAp+Ρy(3)Cd=C112η0LApbh3ApFd(E)=C2(E)Lτy(E)hAp+Py(3)對(duì)于流動(dòng)型的ER/MR阻尼器,有:C1=1.0C2(E)=2.07+1.01.0+0.4Τ(E)Τ(E)=bh2τy(E)12Apη0˙e(t)(4)C1=1.0C2(E)=2.07+1.01.0+0.4T(E)T(E)=bh2τy(E)12Apη0e˙(t)(4)對(duì)于混合型的ER/MR阻尼器,有:C1=1.0-bh2ApC2(E)=2.07+1.01.0+0.4Τ(E)-1.5V21.0+0.4Τ2(E)V=bh2Ap(5)C1=1.0?bh2ApC2(E)=2.07+1.01.0+0.4T(E)?1.5V21.0+0.4T2(E)V=bh2Ap(5)式中L為窄縫或旁路(電/磁流變閥)的長度,h為窄縫或旁路電/磁極之間的距離,b為窄縫或旁路的展開寬度,Ap為活塞的凈面積,Py為活塞與缸體間相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)的機(jī)械摩擦力。由式(2)～(5)可知,ER/MR阻尼器中只有Fd(E)可隨電/磁場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)節(jié),而Cd保持不變。按ER/MR智能阻尼器的力學(xué)模型可以導(dǎo)得智能隔震系統(tǒng)中ER/MR阻尼器的阻尼力為:Ρd(t)=kd(xb-e)(6)Pd(t)=kd(xb?e)(6)式中Kd為ER/MR阻尼器的等效軸向剛度,它與阻尼器的連接剛度和ER/MR智能材料屈服前區(qū)的初始剪切模量等有關(guān)。由式(2),(6)可得ER/MR阻尼器的運(yùn)動(dòng)方程為:Cd˙e+Fd(E)?sgn(˙e)=Κd(xb-e)(7)Cde˙+Fd(E)?sgn(e˙)=Kd(xb?e)(7)在仿真分析的每一時(shí)間步中,對(duì)式(7)進(jìn)行迭代運(yùn)算,就可以求得ER/MR阻尼器的滑動(dòng)位移e,并由式(6)得到ER/MR阻尼器對(duì)隔震層的控制力u(t)。2運(yùn)動(dòng)方程研究中采用一個(gè)五層框架結(jié)構(gòu)作為計(jì)算對(duì)象,智能基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的計(jì)算模型如圖1所示。計(jì)算模型采用集中質(zhì)量系統(tǒng)。原結(jié)構(gòu)模型的計(jì)算參數(shù)為:m1=m2=m3=m4=m5=206.4t,層剛度k1=k2=k3=k4=k5=241860kN/m,結(jié)構(gòu)第一振型的自振周期T1=0.64s,阻尼比ζ=2%。智能基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)的計(jì)算參數(shù)為:隔震層的質(zhì)量m0=306.2t,隔震層剛度kb=12093kN/m,結(jié)構(gòu)第一振型的自振周期T1=2.2s,阻尼比ζ=2%。一維地震干擾下,基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)系統(tǒng)地震反應(yīng)的運(yùn)動(dòng)方程為:[Μ]{¨x}+[C]{˙x}+[Κ]{x}=-[Μ]{1}¨xg(t)+{S}u(8)[M]{x¨}+[C]{x˙}+[K]{x}=?[M]{1}x¨g(t)+{S}u(8)式中{x},{˙xx˙}和{¨xx¨}分別為結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)層相對(duì)于地面的位移、速度和加速度向量;[M],[C]和[K]分別為基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的質(zhì)量、阻尼和剛度矩陣;¨xx¨g(t)為地面運(yùn)動(dòng)加速度;{S}=[10…0]Τ1×6T1×6為ER/MR智能阻尼器作用位置矩陣;u為ER/MR阻尼器實(shí)現(xiàn)的控制力。若取狀態(tài)向量{z}=[{x}Τ{˙x}Τ]Τ,{y}=[xb,x1-xb,x2-x1,?,x5-x4]Τ1×6{z}=[{x}T{x˙}T]T,{y}=[xb,x1?xb,x2?x1,?,x5?x4]T1×6為觀察向量,則有狀態(tài)方程:{˙z}=[A]{z}+{B}u+{Η}¨xg(t)(9){y}=[Cy]{z}(10){z˙}=[A]{z}+{B}u+{H}x¨g(t)(9){y}=[Cy]{z}(10)式中[A]=[[Ι]-[Μ]-1[Κ]-[Μ]-1[C]]12×12；{B}=[{0}[Μ]-1{S}]12×1；{Η}=[{0}-{1}]；[Cy]=[[Δ]6×66×6]6×12;[Δ]6×6=[100000-1100000-1100000-1100000-1100000-11]6×63到er/mr阻尼器的控制力據(jù)方程(9)、(10)可知,如何施加ER/MR阻尼器的控制力成了能否有效保護(hù)隔震層變形的關(guān)鍵?？紤]到ER/MR阻尼器是通過調(diào)整參數(shù)Fd(E)來實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)控制力的,因此它所實(shí)現(xiàn)的可調(diào)控制力受到了阻尼器本身滑動(dòng)位移和滑動(dòng)速度的制約,而其滑動(dòng)位移和滑動(dòng)速度又與隔震層的變形有關(guān)。在此采用使它實(shí)現(xiàn)的控制力盡量接近瞬時(shí)最優(yōu)控制力的原則來設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)阻尼器參數(shù)的半主動(dòng)控制策略,從而達(dá)到有效保護(hù)隔震層變形的目的。3.1er/mr智能基礎(chǔ)隔震系統(tǒng)的控制目標(biāo)瞬時(shí)最優(yōu)主動(dòng)控制可以在[0,tf]內(nèi)的任一時(shí)刻t,均使目標(biāo)函數(shù)達(dá)到最小。對(duì)于設(shè)置了智能基礎(chǔ)隔震裝置框架結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的狀態(tài)方程(9),瞬時(shí)最優(yōu)的目標(biāo)函數(shù)取為:J={y(t)}Τ[Q]{y(t)}+Ru2(t)(11)式中[Q]為觀察向量加權(quán)矩陣,R為控制力加權(quán)系數(shù)。在閉環(huán)控制情況下,所需的控制力為:ud(t)=-Δt3R{B}Τ[Cy]Τ[Q][Cy]{z(t)}(12)其中{z(t)}=[[Ι]+(Δt3)21R{B}{B}Τ[Cy]Τ[Q][Cy]]-1[D(t-2Δt,t-Δt)+Δt3{Η}¨xg(t)](13)是為消除控制力時(shí)滯影響而預(yù)測(cè)的t時(shí)刻反應(yīng)狀態(tài)向量。式中,D(t-2Δt,t-Δt)是根據(jù)(t-2Δt)時(shí)刻及(t-Δt)時(shí)刻的狀態(tài)反應(yīng)和作用力計(jì)算出的已知量;¨xg(t)可采用自回歸模型來預(yù)測(cè)。設(shè)置ER/MR智能基礎(chǔ)隔震系統(tǒng)的控制目標(biāo)是減小框架結(jié)構(gòu)的地震層間側(cè)移反應(yīng),而隔震層的變形又不超過其設(shè)計(jì)容許的變形范圍。對(duì)于這樣的評(píng)價(jià)函數(shù),只要調(diào)整好控制力加權(quán)系數(shù)R和觀察向量權(quán)矩陣[Q]的元素就可以獲得足夠好的控制效果,使框架結(jié)構(gòu)的地震層間側(cè)移和隔震層的變形值達(dá)到控制目標(biāo)。3.2智能阻尼器參數(shù)的調(diào)節(jié)為了使半主動(dòng)控制效果盡量地接近瞬時(shí)最優(yōu)主動(dòng)控制的效果,同時(shí)又保證ER/MR智能阻尼器更多地耗能,對(duì)ER/MR智能阻尼器參數(shù)的調(diào)節(jié)采用既易于實(shí)現(xiàn),又有較好減振效果的“開關(guān)-耗能”半主動(dòng)控制策略:Fd(t)={min[abs[Κd(xb-e)]-F0,Fmax]Ρdud＞0且|ud|＞|Ρd|Fmin其它(14)式中F0為一個(gè)調(diào)節(jié)小量,Fmax和Fmin是屈服剪應(yīng)力分別為對(duì)應(yīng)于τymax和τymin時(shí)ER/MR阻尼器的庫侖阻尼力的幅值。4結(jié)構(gòu)各節(jié)點(diǎn)層的最大層間側(cè)移和最大絕對(duì)加速度為了比較基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)的半主動(dòng)控制效果,作者比較了原結(jié)構(gòu)、被動(dòng)基礎(chǔ)隔震和智能基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)三種情況下結(jié)構(gòu)各節(jié)點(diǎn)層的最大層間側(cè)移、最大絕對(duì)加速度地震反應(yīng)。地震波為N-S1940EI-Centro地面加速度記錄,峰值加速度為400gal。表1為結(jié)構(gòu)各節(jié)點(diǎn)層的最大層間側(cè)移、最大絕對(duì)加速度地震反應(yīng)的比較。從表中可以看出,采用被動(dòng)隔震能有效地減小框架結(jié)構(gòu)上部各節(jié)點(diǎn)層的層間側(cè)移和最大絕對(duì)加速度地震反應(yīng),但隔震層有較大的變形,它是以隔震層的變形來換取減小上部框架結(jié)構(gòu)的層間側(cè)移,此時(shí)地震能量主要通過隔震層的變形來耗散。而采用智能隔震的半主動(dòng)控制時(shí),不僅框架結(jié)構(gòu)上部各節(jié)點(diǎn)層的層間側(cè)移和最大絕對(duì)加速度地震反應(yīng)得到了有效的減小,隔震層的水平變形也得到了較多的減少。通過在被動(dòng)隔震系統(tǒng)中設(shè)置ER/MR阻尼器,可以有效地改善被動(dòng)隔震