amd基礎(chǔ)隔震混合控制結(jié)構(gòu)的抗震性能研究

amd基礎(chǔ)隔震混合控制結(jié)構(gòu)的抗震性能研究

結(jié)構(gòu)振動(dòng)檢測(cè)和應(yīng)用是結(jié)構(gòu)振動(dòng)研究的重大項(xiàng)目。結(jié)構(gòu)控制分為主動(dòng)控制、被動(dòng)控制、半主動(dòng)控制和混合控制?；A(chǔ)隔震是一種較好的被動(dòng)控制方式,主要通過設(shè)置于建筑物底部與基礎(chǔ)頂面之間的隔震消能裝置(常用疊層橡膠隔震墊),吸收并耗散地震能量,減少地震波向上部結(jié)構(gòu)傳遞,從而降低了建筑物的動(dòng)力反應(yīng)。但是,基礎(chǔ)隔震系統(tǒng)在高層建筑中只能部分地減少地震能量向結(jié)構(gòu)的輸入,隔震層的過度變形可能會(huì)造成隔震層的破壞。如果在結(jié)構(gòu)上安裝一些主動(dòng)控制裝置,采用混合控制的方式可以較小的控制驅(qū)動(dòng)力獲得較好的控制效果。梁?jiǎn)⒅堑妊芯苛嘶A(chǔ)隔震,首層設(shè)置主動(dòng)質(zhì)量阻尼器(AMD)施控的混合控制結(jié)構(gòu)的抗震性能,結(jié)果證實(shí)了混合控制的制振效果優(yōu)于單一的被動(dòng)控制。本文研究頂層設(shè)置主動(dòng)調(diào)諧質(zhì)量阻尼器(ATMD)的基礎(chǔ)隔震混合控制結(jié)構(gòu)的抗震性能。應(yīng)用雙線性恢復(fù)力模型描述基礎(chǔ)橡膠隔震墊的彈塑性特性,運(yùn)用簡(jiǎn)單的加速度反饋算法計(jì)算ATMD的控制力。針對(duì)某基礎(chǔ)隔震-ATMD框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了地震作用下的時(shí)程反應(yīng)分析,最后對(duì)該混合控制結(jié)構(gòu)的抗震性能作出評(píng)價(jià)。1隔震層風(fēng)險(xiǎn)特性如圖1所示的頂層設(shè)置ATMD的基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)?；淄ㄟ^疊層橡膠隔震墊支承在地基上,橡膠隔震墊部分地減少地震能量向結(jié)構(gòu)傳播,設(shè)置在頂層的ATMD進(jìn)一步減小結(jié)構(gòu)的動(dòng)力反應(yīng)。假設(shè)該結(jié)構(gòu)為剪切型的結(jié)構(gòu),整個(gè)結(jié)構(gòu)按(n+2)個(gè)質(zhì)點(diǎn)的模型來(lái)建模,運(yùn)動(dòng)微分方程如下:[Μ]{¨x}+[C]{˙x}+[Κ]{x}=-[Μ]{J}¨xg-{Ρ}+{U}(1)[M]{x¨}+[C]{x˙}+[K]{x}=?[M]{J}x¨g?{P}+{U}(1)其中,[M]、[C]、[K]分別為質(zhì)量矩陣、阻尼矩陣和剛度矩陣;x為各質(zhì)點(diǎn)相對(duì)于地面的位移向量;¨xx¨g為地震加速度;{P}為各質(zhì)點(diǎn)的恢復(fù)力向量;{U}為控制力向量。各矩陣的具體形式如下:[Μ]=[mbm10?0mnma][Κ]=[kb+k1-k1-k1k1+k2-k20???-kn-1kn-1+kn-kn0-knkn+ka-ka-kaka][C]=[cb+c1-c1-c1c1+c2-c20???-cn-1cn-1+cn-cn0-cncn+ca-ca-caca]{Ρ}={Ρb0?00}{U}={0?0-αα}(2)其中,mb、kb、cb、pb分別為隔震層的質(zhì)量、剛度、阻尼和恢復(fù)力;kb、pb按隔震層恢復(fù)力圖形的階段確定,這里采用雙線性恢復(fù)力模型;ma、ka、ca分別為ATMD的質(zhì)量、剛度、阻尼;α為ATMD的控制力。本文采用wilson-θ法求解運(yùn)動(dòng)微分方程式(1)。2隔震層的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)在地震荷載作用下,可用雙線性恢復(fù)力模型簡(jiǎn)化柔性隔震層的彈塑性特性,如圖2所示,其中,nb為隔震層的塑性斜率;kb1為隔震層屈服前的水平剛度;kb2為隔震層屈服后的水平剛度;Sy為隔震層的屈服力;δy為隔震層的屈服位移;δ0為隔震層運(yùn)動(dòng)速度由正到負(fù)或由負(fù)到正對(duì)應(yīng)于˙xb=0的彈塑性變形。式(2)剛度矩陣[K]中的kb和pb的具體判別如下:1橫向彈塑性段的組成當(dāng)xb≤|δy|時(shí),繼續(xù)為彈性,kb=kb1,pb=0。當(dāng)xb>δy時(shí),進(jìn)入正向彈塑性線段AB,kb=kb2=(1-nb)kb1,pb=nbkb1δy。當(dāng)xb<-δy時(shí),進(jìn)入負(fù)向彈塑性線段A′D,kb=kb2,pb=-nbkb1δy。2型mb2pb當(dāng)˙xb>0時(shí),繼續(xù)為正向彈塑性線段,kb=kb2,pb=nbkb1δy。當(dāng)˙xb<0時(shí),進(jìn)入彈性線段BC,通過˙xb=0來(lái)確定δ0,kb=kb1,pb=nbkb1(δy-δ0)。3by-0當(dāng)˙xb≤δ0或˙xb≥-(2δy-δ0)時(shí),繼續(xù)為負(fù)向彈性線段,kb=kb1,pb=nbkb1(δy-δ0)。當(dāng)˙xb>δ0時(shí),進(jìn)入正向彈塑性線段AB,kb=kb2,pb=nbkb1δy。當(dāng)˙xb＜-(2δy-δ0)時(shí),進(jìn)入負(fù)向彈塑性線段A′D,kb=kb2,pb=-nbkb1δy。4明確b3pb的pb當(dāng)˙xb<0時(shí),繼續(xù)為負(fù)向彈塑性線段,kb=kb2,pb=-nbkb1δy。當(dāng)˙xb>0時(shí),進(jìn)入正向彈性線段DE,通過˙xb=0來(lái)確定-δ0,kb=kb1,pb=-nbkb1(δy+δ0)。5負(fù)向彈塑性線路mb的組成當(dāng)˙xb≥-δ0或˙xb≤(2δy-δ0)時(shí),繼續(xù)為正向彈性線段,kb=kb1,pb=-nbkb1(δy+δ0)。當(dāng)˙xb＜-δ0時(shí),進(jìn)入負(fù)向彈塑性線段CD,kb=kb2,pb=-nbkb1δy。當(dāng)˙xb＞(2δy-δ0)時(shí),進(jìn)入正向彈塑性線段EB,kb=kb2,pb=nbkb1δy。3結(jié)構(gòu)控制優(yōu)化算法控制算法是確定控制裝置的控制力的基礎(chǔ),國(guó)內(nèi)外學(xué)者經(jīng)過研究,已提出了多種控制算法,主要有線性最優(yōu)控制算法,瞬時(shí)最優(yōu)控制算法,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制算法等等。為了有效地增加ATMD對(duì)結(jié)構(gòu)的控制效果,本文采用簡(jiǎn)單的加速度反饋算法,即簡(jiǎn)單地利用從結(jié)構(gòu)頂層獲得的加速度反饋來(lái)計(jì)算控制力α:α=-gamn¨xn(3)其中,ga為加速度反饋增益。這種算法的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單方便,計(jì)算控制力時(shí),不需要知道結(jié)構(gòu)振動(dòng)模態(tài)的具體形式,節(jié)約了相當(dāng)多的計(jì)算時(shí)間。4結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及計(jì)算結(jié)果某7層框架結(jié)構(gòu),每層質(zhì)量均為mi=5×105kg(i=1,2,…,7),層間抗側(cè)剛度均為ki=6.6×108N/m(i=1,2,…,7),阻尼系數(shù)均為ci=1.1×106N·s/m(i=1,2,…,7),基礎(chǔ)隔震層采用了疊層橡膠隔震墊,其阻尼比0.2,隔震層的質(zhì)量mb=3×105kg,采用雙線性恢復(fù)力模型描述橡膠隔震墊的彈塑性特性,水平初始剛度kb1=10.5×106N/m,塑性斜率nb=0.4,即屈服后的水平剛度kb2=(1-nb)kb1=6.3×106N/m,屈服位移δy=0.03m。設(shè)置在結(jié)構(gòu)頂層的ATMD的質(zhì)量ma=3.8×104kg,剛度ka=9.5×104N/m,阻尼系數(shù)ca=6×103N·s/m,計(jì)算控制力時(shí)加速度反饋增益取ga=0.05。本文選用的地震波為天津波,最大地震加速度為20m/s2,時(shí)程反應(yīng)的持續(xù)時(shí)間為11s,時(shí)間間隔為0.02s。為了進(jìn)行比較,還計(jì)算了無(wú)控結(jié)構(gòu)和僅有基礎(chǔ)隔震的結(jié)構(gòu)(簡(jiǎn)稱純基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu))在地震作用下的動(dòng)力反應(yīng)。各種結(jié)構(gòu)各樓層的峰值位移見表1。由表1可見,雖然純基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)的頂層峰值位移比無(wú)控結(jié)構(gòu)減小了42.24%,但卻放大了底部樓層的位移,而且隔震層的位移也較大?；A(chǔ)隔震-ATMD結(jié)構(gòu)的頂層峰值位移比無(wú)控結(jié)構(gòu)減小了49.87%,比純基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)減小了13.22%,底部樓層的位移比純基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)還小。基礎(chǔ)隔震-ATMD結(jié)構(gòu)的隔震層的峰值位移比純基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)減小了13.63%,而且所需的最大驅(qū)動(dòng)力不過58.6kN。因此,基礎(chǔ)隔震-ATMD混合控制的效果優(yōu)于僅有基礎(chǔ)隔震的被動(dòng)控制。5atd的算例分析本文對(duì)頂層ATMD的基礎(chǔ)隔震混合控制結(jié)構(gòu)進(jìn)行了抗震分析,應(yīng)用雙線性恢復(fù)力模型描述基礎(chǔ)橡膠隔震墊的彈塑性特性。運(yùn)用簡(jiǎn)單的加速