層間隔震結(jié)構(gòu)的抗震性能研究

層間隔震結(jié)構(gòu)的抗震性能研究

0混合隔震控制系統(tǒng)大底部結(jié)構(gòu)已成為大型商業(yè)建筑結(jié)構(gòu)中最重要的結(jié)構(gòu)形式。該結(jié)構(gòu)形式的底部通常選擇框架的大空間形式，底部相對較弱。為解決這一問題國內(nèi)外科研工作者做了大量關(guān)于在大底盤頂加設(shè)橡膠墊隔震裝置,達(dá)到了較好的隔震效果。但是,由于橡膠墊水平剛度較小造成層間位移變形過大,尤其在罕遇地震作用下層間位移增加更為明顯。過大的層間位移會導(dǎo)致橡膠墊受拉而破壞,所以控制層間位移過大就成為一個棘手的問題。為了解決隔震層位移過大的問題,把結(jié)構(gòu)控制的概念引入到層間隔震系統(tǒng)中來,組成混合層間隔震系統(tǒng),近年來,混合隔震以及混合控制已經(jīng)有了一定的發(fā)展?；旌细粽鹂刂葡到y(tǒng)一般由可調(diào)阻尼器和隔震器組成,這一系統(tǒng)是通過改變結(jié)構(gòu)的動力特性,來減少輸入上部結(jié)構(gòu)的能量,而可調(diào)阻尼器是通過減小隔震層的層間變形,改善隔震層的性能,保護(hù)隔震層因為過大的水平變形而失效破壞。磁流變阻尼器是近年來發(fā)展起來的新型阻尼器,使用磁流變阻尼器與被動隔震裝置相組合和形成性能優(yōu)越的智能混合控制隔震系統(tǒng)。1磁流變效應(yīng)的數(shù)學(xué)模型磁流變液(MagnetorheologicalFluids簡稱MRF)是美國國家標(biāo)準(zhǔn)局發(fā)明和研制的,它主要由非導(dǎo)磁性和均勻分布于其中的高磁導(dǎo)率、低磁滯性的微小磁性顆粒組成。在磁場作用下,MRF可以在毫秒級的時間內(nèi)快速、可逆地由流動性良好的牛頓流體轉(zhuǎn)變?yōu)楦哒扯?、低流動性的Bingham塑性固體(如圖1)。磁流變效應(yīng)具有三個特點(diǎn):①連續(xù)性:隨著磁場強(qiáng)度的變化磁流變液的屈服應(yīng)力可以連續(xù)變化;②可逆性:磁流變液可隨著磁場強(qiáng)度的增加而變硬,又可以隨著磁場強(qiáng)度的減少而變?yōu)榱黧w;③頻率響應(yīng)時間短:在磁場的作用下磁流變液的屈服剪力正逆向變化所用時間為10-3s的數(shù)量級。磁流變液的磁場作用下變?yōu)锽inghamton體后的本構(gòu)關(guān)系(Phillips,1969)τ=τysgn(γ)+ηγ,式中,τ是MRF的剪切應(yīng)力;τy=τy(H)是MRF的屈服強(qiáng)度其和電流I之間的關(guān)系式:τy=A1e-I+A2ln(I+e)+A3I,式中:A1、A2、A3分別是與磁流變體性能相關(guān)的系數(shù);η是流體的動力黏度;γ是流體的剪切應(yīng)變速率。根據(jù)上式可得到磁流變阻尼器的力-位移關(guān)系式:F=12ηLA2pπDD3hu(t)+3LτyApDhsgn[u(t)]F=12ηLAp2πDDh3u(t)+3LτyApDhsgn[u(t)],式中:L為活塞的長度;D為缸體內(nèi)徑;Ap為活塞的有效面積;Dh為活塞中的阻尼孔徑;u(t)為活塞相對缸體的位移。2磁流變減振冷凝器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)根據(jù)流體的受力狀態(tài)和流動特點(diǎn)的不同,磁流變液制成的驅(qū)動器有三種:剪切式、閥式、剪切閥式。因為剪切閥式減振驅(qū)動器的磁路設(shè)計比較方便、處理較大,因此適用于土木工程結(jié)構(gòu)振動控制。使用磁流變液制成的雙出桿剪切閥式磁流變減振驅(qū)動器類似于普通油缸粘滯流體減振驅(qū)動器的結(jié)構(gòu)形式,該減振器結(jié)構(gòu)簡單,主要是以活塞運(yùn)動,外缸是磁路的一部分,在活塞外徑和內(nèi)腔之間的環(huán)狀空間是有效的液體流動間隙。當(dāng)活塞內(nèi)部的線圈在電流的作用下,在缸體與活塞間的間隙產(chǎn)生沿活塞半徑的徑向磁場,磁流變減振驅(qū)動器中的活塞和缸體相對運(yùn)動時,活塞將擠壓液體流過缸體與活塞間的間隙;液體在磁場的作用下由牛頓流體流變?yōu)檎乘苄缘馁e漢姆體,使流體的流動阻力增加;通過調(diào)整線圈中的電流強(qiáng)度來調(diào)整磁場強(qiáng)度,從而改變流體的阻力,這樣就形成了一種可調(diào)的半主動控制裝置。3結(jié)構(gòu)內(nèi)力向量在地震動X¨X¨g作用下的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生相對位移X(t),根據(jù)地震動和結(jié)構(gòu)反應(yīng)信息對結(jié)構(gòu)施加控制力U(t),其中控制力可能為主動施加的控制力,本文中為磁流變阻尼產(chǎn)生的阻尼力。則結(jié)構(gòu)的運(yùn)動方程為:MX¨+CX˙+KX=?M{l}X¨g+U(t)(1)ΜX¨+CX˙+ΚX=-Μ{l}X¨g+U(t)(1)式中:M為質(zhì)量矩陣;K為剛度矩陣;C為阻尼矩陣;{l}為單位列陣向量;U(t)為控制力向量;X、X˙X˙、X¨X¨分別為結(jié)構(gòu)的位移、速度、加速度反應(yīng)列向量。經(jīng)變換可得系統(tǒng)的狀態(tài)方程為:Y˙=AY+B[?{l}X¨g+M?1U(t)](2)Y˙=AY+B[-{l}X¨g+Μ-1U(t)](2)輸出方程為:X=DY(3)其中Y˙=[X˙X¨]?Y=[XX˙]?A=[O?M?1KI?M?1C]?B=[OI],D=[IO],O其中Y˙=[X˙X¨]?Y=[XX˙]?A=[ΟΙ-Μ-1Κ-Μ-1C]?B=[ΟΙ],D=[ΙΟ],Ο和I分別是n×n維的零矩陣和單位矩陣,n為建筑物的層數(shù)。4建模和參數(shù)設(shè)置4.1動態(tài)多維系統(tǒng)的交互工具在Matlab中,Simulink是用來建模、仿真、和分析動態(tài)多維系統(tǒng)的交互工具。本文利用MATLAB的Simulink工具箱自行創(chuàng)建模糊控制模型系統(tǒng),圖2為模糊控制模型。4.2設(shè)計模糊裝置的設(shè)計4.2.1結(jié)構(gòu)速度分析結(jié)果速度基本論域的確定要根據(jù)其幅值來確定的,本文通過SAP2000建立十層大底盤層間隔震結(jié)構(gòu)實體模型進(jìn)行了8度罕遇地震作用下(加速度峰值為400gal)的時程分析,分析結(jié)果表明結(jié)構(gòu)層間速度變化范圍在-1m/s～1m/s,隔震層層間位移反應(yīng)變化范圍在-0.6m～0.6m,則速度基本論域確定為-1m/s～1m/s。結(jié)構(gòu)的位移反應(yīng)基本理論定為-0.6m～0.6m。4.2.2速度、速度和輸出函數(shù)關(guān)系隸屬函數(shù)常用的有三角隸屬函數(shù)和高斯隸屬函數(shù)等。隸屬函數(shù)的形狀對模糊控制有重要的影響:隸屬函數(shù)分布集中,能增強(qiáng)控制器對輸入的敏感性,系統(tǒng)速度較快,但穩(wěn)定性變差;反之,隸屬函數(shù)平坦,控制器敏感性降低,但是穩(wěn)定性加強(qiáng)。圖3是位移、速度輸入和電流輸出隸屬函數(shù)關(guān)系圖,圖4是輸入輸出關(guān)系曲面圖。根據(jù)“控制層間隔震層過大位移”的控制目標(biāo)列出模糊規(guī)則定為表1所示。例如在地震反應(yīng)過程中層間相對速度和層間位移反應(yīng)都較小時,控制電流應(yīng)取較小,此時控制力出力也較小;如果地震反應(yīng)過程中層間相對速度和層間位移反應(yīng)很大時,控制電流取很大,相應(yīng)的控制力也很大。5剛度和地震動本例采用十層鋼筋混凝土框架大底盤結(jié)構(gòu)在隔震層處加設(shè)磁流變阻尼器,本文選用Lord公司生產(chǎn)的MRF336型磁流變阻尼器。結(jié)構(gòu)的各層特性參數(shù)為:第一至第十層各層質(zhì)量為860400kg、860400kg、341000kg、341000kg、341000kg、341000kg、341000kg、341000kg、341000kg、341000kg;第一至第十層的剛度k分別是:2500000N/m、2500000N/m、34300N/m、1250000N/m、1250000N/m、1250000N/m、1250000N/m、1250000N/m、1250000N/m、1250000N/m;阻尼比ξ=0.05;地震動輸入為ELCentro波,采用罕遇地震下加速度峰值為400gal;分析結(jié)果如下(圖5、圖6分別表示隔震層有控和無控位移反應(yīng)和加速度反應(yīng)):6模糊控制的優(yōu)勢(1)模糊控制作用下層間隔震層間位移反應(yīng)明顯減小,尤其是對過大位移有較強(qiáng)的控制效果減小幅度在0.1m。(2)模糊控制作用下隔震層加速度反應(yīng)較無控層間隔震反應(yīng)有所增加,但是增加幅度不大。(3