調(diào)質(zhì)阻尼器在帶裙房高層建筑地震反應半主動控制中的應用

余克興

（朔黃鐵路發(fā)展有限責任公司,河北 滄州 062350）

0 引言

近年來,人們對應用控制方案降低地震和強風對土木工程結(jié)構(gòu)存在的損害方面的問題十分重視。結(jié)構(gòu)控制分析大多分成振動控制裝置、控制算法。截止當下,已有大量減震控制裝置獲得認可?？刂扑惴ǖ氖褂么龠M控制技術(shù)進一步優(yōu)化,讓建筑結(jié)構(gòu)抗震控制從非主動控制變成非被動控制、混合控制與半主動控制。

按照非主動控制與非自動控制的特征,相關(guān)研究人員陸續(xù)設計了可調(diào)摩擦阻尼器、能夠調(diào)節(jié)的調(diào)諧阻尼器與能夠控制的液體阻尼器等智能阻尼器,把它使用在控制結(jié)構(gòu)里,構(gòu)架半主動控制系統(tǒng),實現(xiàn)非被動控制。半主動控制穩(wěn)定性較高,損耗小,且反應效率高。所以,半主動控制具有較好的使用前景。

現(xiàn)在對帶裙房高層建筑結(jié)構(gòu)地震反應有關(guān)的資料已不在少數(shù),但對耦聯(lián)雙塔樓地震反應非被動控制與半主動控制相關(guān)的研究資料極少。文獻[1]提出磁流變阻尼器的半主動控制及實時混合模擬試驗研究方法,該方法減震效果顯著,但是僅適用于框架結(jié)構(gòu)建筑；文獻[2]圍繞磁流變阻尼器的半主動控制算法設計與仿真這一問題進行研究,該方法的控制過程較為繁瑣,應用效率較低；文獻[3]提出半主動電渦流單擺式調(diào)諧質(zhì)量阻尼器減震性能研究方法,該方法具有較好的減震效果。本文提出基于調(diào)質(zhì)阻尼器的帶裙房高層建筑地震反應半主動控制方法,對帶裙房高層建筑地震反應半主動控制這一問題進行深入探討[4]。

1 帶裙房高層建筑地震反應半主動控制方法

1.1 ER/MR智能桿件的力學模型

ER/MR智能桿件包含ER/MR調(diào)質(zhì)阻尼器與結(jié)構(gòu)桿件[5]。本文變換ER/MR智能桿件窄縫或旁路里的電/磁水平,便能夠變動窄縫或旁路里ER/MR流變液的屈服剪應力,以此設置阻尼器,目的是控制活塞運動的阻尼力大小,以此調(diào)節(jié)阻尼器參數(shù)[6]。

按照以往資料記載,ER/MR調(diào)質(zhì)阻尼器流變液的剪應力α與剪切速率β間能夠通過Bingham模型計算：

其中,粘滯系數(shù)設成δ0；屈服剪應力設成αy(D),其伴隨電（磁）場強度D的變大而變大,所以,根據(jù)Phillps獲取的Bingham流體基于矩形窄縫里Poseuille流動的方程Eb與變化電/磁場強度優(yōu)化阻尼器的參數(shù)Gb(D)可獲取流動類ER/MR調(diào)質(zhì)阻尼器[7-8]。則：

式中：

針對流動類ER/MR調(diào)質(zhì)阻尼器而言,存在：

針對混合類ER/MR調(diào)質(zhì)阻尼器,存在：

其中：ct描述求導參數(shù)；U表示電阻；H(E)表示阻尼流動系數(shù)；δ0、Bq描述阻尼力；窄縫和旁路長度設成J；窄縫和旁路/磁極間距、窄縫和旁路的展開寬度依次設定成t、c；阻尼器活塞和缸體間相對運動的機械摩擦力設定成Qy。因為ER/MR流變液里只有αy(D)能夠伴隨電/磁場強度D實施調(diào)整,所以通過上述公式能夠了解,ER/MR調(diào)質(zhì)阻尼器里僅存在Gb(D)能夠伴隨電/磁場強度D實施調(diào)整,Eb固定。

如果將ER/MR智能桿件自身的軸向剛度描述成Fb,則ER/MR智能桿件的力學模型是：

其中,v描述電壓向量。按照ER/MR智能桿件的力學模型能夠獲取ER/MR桿件的軸力反應：

則ER/MR桿件里阻尼器的滑動位移是：

其中,ER/MR調(diào)質(zhì)阻尼器的滑動位移描述成j5i0abt0b；Hj表示阻尼流動系數(shù)；ld描述瞬時位移長度；dh表示阻尼器滑動位移參數(shù)。使用上述公式,能夠獲取基于ER/MR調(diào)質(zhì)阻尼器的帶裙房高層建筑地震中的瞬時反應[9]。

1.2 帶裙房高層建筑的地震反應半主動控制策略

1.2.1 ER/MR調(diào)質(zhì)阻尼器的最佳主動控制位移

如果假定ER/MR調(diào)質(zhì)阻尼器的滑動位移j5i0abt0b可完成自主調(diào)整,則能夠通過最佳控制原理得到讓帶裙房的高層建筑地震反應隸屬最佳主動控制位移的最小值[10]。因為帶裙房的高層建筑存在較大的動力自由水平,但瞬間最佳控制理論能夠計算對應的非低階Riccati方程,所以,瞬時評估函數(shù)公式：

其中,結(jié)構(gòu)瞬時反應狀態(tài)向量{S}與阻尼器瞬時主動控制位移j5i0abt0b的加權(quán)矩陣依次設成[P]、[Z]。由此,通過瞬時最佳控制原理能夠知道,讓評估函數(shù)K存在瞬時最佳閉環(huán)控制位移[Ω*]的最小值是：

1.2.2 ER/MR智能阻尼器的“開關(guān)-耗能”半主動控制策略

將j5i0abt0b設成ER/MR智能阻尼器的滑動位移向量,非間接調(diào)整它變成{dr}存在一定難度。按照ER/MR智能阻尼器的屬性能夠知道,可以變換電/磁場強度優(yōu)化阻尼器的參數(shù)Gb(D),由此讓ER/MR智能阻尼器的滑動位移j5i0abt0b接近于{dr},讓控制的評估函數(shù)變成最小值[11-12]。

本文采用ER/MR智能阻尼器的“開關(guān)-耗能”半主動控制策略,該策略的內(nèi)容為：若阻尼器的滑動位移j5i0abt0b往最佳主動控制方向運行時[13],把電/磁場強度設成0,則把調(diào)質(zhì)阻尼器參數(shù)Gbi變成最低Gmin,讓j5i0abt0b快速變成{dr}；若阻尼器的滑動位移j5i0abt0b屬于背馳最佳主動控制位移{dr}時,把電/磁場強度變大,則變大Gdi,以此控制j5i0abt0b背馳{dr}。ER/MR智能阻尼器的“開關(guān)-耗能”半主動控制策略描述成：

其中G0描述阻尼器最小量,其必須按照采樣時間步長y、結(jié)構(gòu)與阻尼器的詳細狀況設定[14-15]。

2 實驗結(jié)果

2.1 實驗設置

為了測試本文方法有效性,本文設定實驗目標為主樓是21層、裙房是6層的剪切類帶裙房高層建筑結(jié)構(gòu)。具體參數(shù)見表1：

表1 實驗目標設置Table 1 Experimental target setting

為了測試本文方法對帶裙房高層建筑地震反應半主動控制的效果,基于結(jié)構(gòu)的第17層到第21層逐層設定5種耦合主樓和裙房的調(diào)質(zhì)阻尼器,當中各個智能阻尼器的尺寸見表2：

表2 智能阻尼器設定Table 2 Intelligent damper settings

調(diào)質(zhì)阻尼器里能夠控制的流體參數(shù)見表3：

表3智能可控流體的具體設定Table 3 Specific settings of intelligent controllable fluid

2.2 ER/MR智能桿件的設定對半主動控制效果的干擾

設定ER/MR智能桿件的布置設定依次是徑向、環(huán)向。測試兩種ER/MR智能桿件設定下,徑向主軸中結(jié)構(gòu)桿件的軸力最大值。結(jié)果見圖1：

圖1 ER/MR智能桿件差異設定下桿件軸力的半主動控制效果對比Fig.1 Comparison of semi-active control effect of member axial force under ER / MR intelligent member difference setting

分析上圖可知,兩個差異設定模式下,徑向桿件的軸力最大值均存在降低趨勢。而ER/MR桿件屬于徑向設定時,ER/MR智能桿件處于的環(huán)中徑向桿件軸力變小程度較大,而近鄰環(huán)中,徑向桿件軸力的降低幅度較低,減震效果好。

圖2是ER/MR智能桿件在差異設定模式中徑向主軸中結(jié)點的撓度最大值：

圖2 ER/MR智能桿件差異設定中結(jié)點撓度的半主動控制效果對比Fig.2 Comparison of semi-active control effect of node deflection in ER / MR intelligent member difference setting

分析上圖可知,兩個設定模式下,結(jié)點的撓度均存在高程度降低,當中徑向設定時,結(jié)點的撓度縮小程度更大,同時結(jié)點撓度變小趨勢也十分均衡,但環(huán)向設定時,ER/MR桿件所處環(huán)中的結(jié)點撓度降低出現(xiàn)異常。

綜上所述,ER/MR智能桿件徑向設定最為合適,徑向設定下對帶裙房高層建筑的減震效果較佳,減震效果較為均衡。

2.3 半主動控制和非主動控制效果對比

考慮到ER/MR智能桿件基于開“電/磁場”與?！半?磁場”過程中依次描述兩類差異的非主動控制模式,所以,為了深度測試ER/MR智能桿件的減震性能,本文對比了在ER/MR智能桿件徑向設定時非主動-開、非主動-停、不控制三種模式下的控制效果。結(jié)果如圖3、圖4所示：

圖3 差異控制模式下徑向桿件軸力最大值對比結(jié)果Fig.3 Comparison results of the maximum axial force of the radial member under the different control mode

圖4 差異控制模式中徑向結(jié)點撓度最大值對比結(jié)果Fig.4 Comparison results of the maximum deflection of radial nodes in the differential control mode

分析上圖可知,三類控制模式里,本文方法的半主動控制效果最佳,雖然三種控制模式均能夠降低帶裙房高層建筑地震反應,但本文方法中的控制模式跳躍性較小,穩(wěn)定性較好,不管發(fā)生什么狀況,均可以實現(xiàn)減震控制。

本文將方法設定兩個對比方法,依次是建筑結(jié)構(gòu)地震反應的ATMD控制分析方法、高層建筑地震反應的混合控制方法。分析三種方法對實驗所設定的實驗目標的控制效果,通過滿意率判斷,結(jié)果見圖5：

圖5 三種方法滿意率對比結(jié)果Fig.5 Comparison results of satisfaction rate of three methods

分析圖5可知,三種方法對比之下,本文方法的減震性、實時性、可靠性、可操作性、合理性以及有效性的滿意率均高于建筑結(jié)構(gòu)地震反應的ATMD控制分析方法、高層建筑地震反應的混合控制方法,且本文方法整體滿意率大于0.97。由此可見,本文方法對帶裙房高層建筑地震反應半主動控制下,應用效果較好,反饋較高。

3 結(jié)論

本文提出一種基于調(diào)質(zhì)阻尼器的帶裙房高層建筑地震反應半主動控制方法,得到了下列的結(jié)論：

該方法主要應用了ER/MR智能阻尼器,該阻尼器屬于性能十分優(yōu)越的半主動控制設備。

所提方法操作簡單,不用格外使用能源,使用成本較低,但減震效果極好,應用性能優(yōu)于主動控制設備。

（3）ER/MR桿件屬于徑向設定時,ER/MR智能桿件處于的環(huán)中徑向桿件軸力變小程度較大,而近鄰環(huán)中,徑向桿件軸力的降低幅度較低,減震效果好。徑向設定讓結(jié)點的撓度縮小程度更大,同時結(jié)點撓度的變小也十分均衡,但環(huán)向設定讓ER/MR桿件所處環(huán)中的結(jié)點撓度降低出現(xiàn)異常。

（4）三類控制模式里,本文方法的半主動控制效果最佳,雖然三種控制模式均能夠降低帶裙房高層建筑地震反應,但本文方法中的控制模式跳躍性較小,穩(wěn)定性較好。本文方法的減震性、實時性、可靠性、可操作性、合理性以及有效性的滿意率均高于對比方法。