淺談半主動(dòng)控制在建筑結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

孫健 張佳

摘 要：地震是一種具有破壞性的自然現(xiàn)象，全球每年大約會(huì)發(fā)生500萬多次地震，其中，絕大多數(shù)地震是微小地震，我們?nèi)祟愐话闶歉杏X不到的。地震給人類帶來了難以估量的損失，但人類在技術(shù)上仍不能準(zhǔn)確地預(yù)測地震和控制地震的發(fā)生，因此如何減少地震帶來的破壞成為我們高度關(guān)注的問題。傳統(tǒng)的減震方法主要是通過結(jié)構(gòu)本身來抵御外界荷載的，如加大構(gòu)件的截面尺寸、提高材料的強(qiáng)度等級(jí)、增加結(jié)構(gòu)的上部阻尼或者在基礎(chǔ)設(shè)置橡膠支座等措施以達(dá)到增強(qiáng)建筑結(jié)構(gòu)體系抗震動(dòng)力特性的目的，這會(huì)導(dǎo)致成本大大提高，是被動(dòng)消極的結(jié)構(gòu)對(duì)策，違反了建筑結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性和安全性的要求，而且在大震作用下，其抗震性能往往不太理想。因此，在建筑物中考慮結(jié)構(gòu)減震控制是對(duì)建筑結(jié)構(gòu)發(fā)展的必然要求。本文對(duì)半主動(dòng)控制裝置中的磁流變阻尼器進(jìn)行了分析研究，并提供了磁流變阻尼器應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)中的模擬方案。

關(guān)鍵詞：半主動(dòng)控制；地震；磁流變阻尼；結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制

1 結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制

結(jié)構(gòu)控制是通過在結(jié)構(gòu)上施加子系統(tǒng)或耗能隔振裝置來抵御外界動(dòng)荷載以減輕結(jié)構(gòu)在地震作用下的反應(yīng)，工程結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制根據(jù)是否需要外界能量的輸入劃分為：被動(dòng)控制（無外界能源的輸入）、主動(dòng)控制（有外界能源的輸入）、半主動(dòng)控制和混合控制（有部分能源的輸入）。

（1）被動(dòng)控制是一種不需要外界能源輸入的結(jié)構(gòu)控制技術(shù)，通常是指在建筑結(jié)構(gòu)的某個(gè)部位附加一個(gè)子系統(tǒng)，或在建筑結(jié)構(gòu)本身的某些構(gòu)件上做構(gòu)造上的處理以達(dá)到增強(qiáng)建筑結(jié)構(gòu)體系抗震動(dòng)力特性的目的。采用被動(dòng)控制的結(jié)構(gòu)體系其優(yōu)點(diǎn)是構(gòu)造簡單，應(yīng)用型強(qiáng)，但是建筑結(jié)構(gòu)體系對(duì)復(fù)雜環(huán)境變化的適應(yīng)力和控制力相對(duì)較弱。

（2）主動(dòng)控制是一種需要外界能源輸入的結(jié)構(gòu)控制技術(shù)，建筑結(jié)構(gòu)在受到外界激勵(lì)時(shí)，是通過施加與振動(dòng)方向相反的控制力來實(shí)現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)控制，從而快速地降低建筑結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)。結(jié)構(gòu)主動(dòng)控制的優(yōu)點(diǎn)是控制效果好、適用范圍廣和目標(biāo)選擇靈活。缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)的組成系統(tǒng)非常復(fù)雜，而且耗能大，其費(fèi)用也遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他的結(jié)構(gòu)控制方式。

（3）結(jié)構(gòu)半主動(dòng)控制的原理同結(jié)構(gòu)主動(dòng)控制的原理大致相同，即實(shí)施控制力的作動(dòng)器需要提供少量的能量調(diào)節(jié)，這樣可以主動(dòng)并巧妙地利用結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制的反復(fù)變形或相對(duì)速度，盡可能地實(shí)現(xiàn)主動(dòng)最優(yōu)控制力。半主動(dòng)控制的優(yōu)點(diǎn)是：它比主動(dòng)控制更容易實(shí)施、更經(jīng)濟(jì)，由于其控制效果與主動(dòng)控制相近，故有較大的研究與應(yīng)用開發(fā)價(jià)值，因此選用半主動(dòng)控制進(jìn)行研究比較合適。

半主動(dòng)控制有多種裝置，其中磁流變阻尼器是應(yīng)用最為廣泛的一種，與其他半主動(dòng)控制裝置相比較，磁流變阻尼器具有響應(yīng)快、機(jī)構(gòu)簡單、動(dòng)態(tài)范圍大、阻尼力連續(xù)、可逆可調(diào)的優(yōu)點(diǎn)，而且其耐久性良好，同時(shí)又能與計(jì)算機(jī)結(jié)合控制，具有良好的減振效果。

2 磁流變阻尼器半主動(dòng)控制研究

磁流變液在磁場的強(qiáng)度的作用下由自由流動(dòng)或粘性流動(dòng)的液體在毫秒級(jí)的時(shí)間范圍內(nèi)轉(zhuǎn)變?yōu)榘牍腆w，這是磁流變液最重要的特性，這種變化是連續(xù)的、可逆的，具有屈服強(qiáng)度高而且粘性相近、性能更穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)。

2.1 國內(nèi)外對(duì)磁流變阻尼器半主動(dòng)控制研究

2002年隋莉莉、歐進(jìn)萍提出了四種半主動(dòng)控制算法，在一個(gè)三層剪切型建筑結(jié)構(gòu)上安裝了MR減振驅(qū)動(dòng)器，并進(jìn)行了仿真模擬，分析和對(duì)比了各種半主動(dòng)控制算法和被動(dòng)控制算法的控制效果。經(jīng)分析表明，MR減振驅(qū)動(dòng)器可以有效地控制結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)。

2003年U.Aldemir對(duì)磁流變阻尼器的最優(yōu)控制減振性能進(jìn)行了研究，U.Aldemir將磁流變阻尼器應(yīng)用于單自由度體系，同時(shí)在該體系上施加多種形式的動(dòng)力荷載。磁流變阻尼器的減振效果要比傳統(tǒng)的被動(dòng)TMD減振效果好。

2004年Yoshioda等利用MRD采用了改進(jìn)的Clipped-optimal控制算法對(duì)一座20層的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了半主動(dòng)控制分析。經(jīng)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，采用MRD半主動(dòng)控制效果與主動(dòng)控制效果相當(dāng)，甚至比主動(dòng)控制效果還要好，而且半主動(dòng)控制消耗的能量非常少。

2006年周云、吳志遠(yuǎn)、鄧雪松，優(yōu)化了磁流變阻尼器半主動(dòng)控制系統(tǒng)，通過選擇合適的控制算法和控制律，進(jìn)一步優(yōu)化了控制系統(tǒng)。

2011年G.C.Kim.和J.W.Kang.分析了磁流變阻尼器在相鄰建筑結(jié)構(gòu)地震動(dòng)力反應(yīng)控制中的應(yīng)用。經(jīng)分析表明，在相鄰結(jié)構(gòu)中應(yīng)用磁流變阻尼器的減振控制是很有效的。

2.2 計(jì)算研究應(yīng)用-最優(yōu)Bang-Bang磁流變阻尼控制算法

磁流變阻尼器具有反應(yīng)迅捷，動(dòng)力調(diào)諧連續(xù)和過程可逆的優(yōu)點(diǎn)，所以目前備受關(guān)注。但是與傳統(tǒng)的粘性變阻尼控制相比，這種半主動(dòng)智能控制裝置同樣具有類似的問題，與被動(dòng)控制效果相比較，半主動(dòng)控制方案并未能進(jìn)一步改善控制效果，故一般運(yùn)用最優(yōu)Bang-Bang的控制算法或?qū)ζ渥鱿鄳?yīng)的修改。

=+（u<0）

=+（u0）

3 設(shè)計(jì)思路

被動(dòng)控制系統(tǒng)和主動(dòng)控制系統(tǒng)各自的優(yōu)點(diǎn)被半主動(dòng)控制綜合利用，所以半自動(dòng)控制既有被動(dòng)控制系統(tǒng)可靠性的優(yōu)勢，又有主動(dòng)控制系統(tǒng)適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)，而且根據(jù)相應(yīng)的算法控制可以達(dá)到主動(dòng)控制系統(tǒng)更好地控制的效果，并且構(gòu)造較簡單，所需要的能量較小，所以半主動(dòng)控制將會(huì)成為當(dāng)前結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制領(lǐng)域研究的新熱點(diǎn)。

通過了解振動(dòng)控制理論在土木工程領(lǐng)域的應(yīng)用，分析多自由度建筑結(jié)構(gòu)體系磁流變阻尼器半主動(dòng)控制的減震效果。根據(jù)研究目標(biāo)，建立20層的多自由度結(jié)構(gòu)體系模型，并根據(jù)龍格-庫塔方法給出算法的求解公式，利用MATLAB軟件編寫程序，通過運(yùn)動(dòng)方程進(jìn)行求解結(jié)構(gòu)體系地震動(dòng)力反應(yīng)。然后根據(jù)體系地震動(dòng)力反應(yīng)計(jì)算結(jié)果，分析評(píng)價(jià)多自由度結(jié)構(gòu)體系在磁流變阻尼器半主動(dòng)控制系統(tǒng)下的減震效果。關(guān)鍵步驟如下：

（1）建立多自由度結(jié)構(gòu)體系磁流變阻尼器半主動(dòng)控制體系運(yùn)動(dòng)方程，根據(jù)龍格-庫塔方法，給出控制算法的求解過程，利用MATLAB軟件編寫求解軟件。

（2）對(duì)不同的半主動(dòng)控制算法（控制力計(jì)算方法及施加方法）分別計(jì)算處地震動(dòng)力反應(yīng)，比較減震效果，提出修正的半主動(dòng)控制算法。

（3）根據(jù)地震動(dòng)力反應(yīng)分析結(jié)果確定最佳的磁流變阻尼器半主動(dòng)控制算法。

（4）利用MATLAB語言編制求解軟件。求出各樓層的層間位移、樓層位移、樓層速度以及樓層加速度，評(píng)價(jià)控制方案與算法的減震效果。

（5）計(jì)算結(jié)果分析，磁流變阻尼器半主動(dòng)控制減震研究與AMD控制進(jìn)行對(duì)比（層間位移，樓層位移，樓層速度，樓層加速度）。

根據(jù)已建成的采用多自由度結(jié)構(gòu)體系變阻尼半主動(dòng)控制的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，結(jié)合實(shí)際的工程項(xiàng)目，進(jìn)行歸納總結(jié)多自由度結(jié)構(gòu)體系變阻尼半主動(dòng)控制體系減震效果，為研究進(jìn)一步研究半主動(dòng)控制系統(tǒng)的實(shí)用性提供了有力的理論依據(jù)。磁流變阻尼器結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)快、動(dòng)態(tài)范圍大，即使控制系統(tǒng)發(fā)生了故障其仍然可以起到被動(dòng)控制的作用，所以半主動(dòng)控制具有很強(qiáng)的可靠性，綜上，磁流變阻尼器是當(dāng)前結(jié)構(gòu)減振控制中最為有效的半主動(dòng)控制裝置。

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