結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制裝置的改進(jìn)

結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制裝置的改進(jìn)

1減少建筑振動(dòng)土木工程結(jié)構(gòu)的振動(dòng)半主動(dòng)控制可以根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)的振動(dòng)反應(yīng)或地震激勵(lì)，實(shí)時(shí)調(diào)整半主動(dòng)器的參數(shù)，以減少建筑物結(jié)構(gòu)的振動(dòng)反應(yīng)。半主動(dòng)控制需要的外部能量很小。當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時(shí),半主動(dòng)控制通過(guò)實(shí)時(shí)地改變結(jié)構(gòu)的剛度或者阻尼參數(shù),使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生和地震能量等效的控制力,以此來(lái)消耗結(jié)構(gòu)的振動(dòng)能量,從而減少建筑結(jié)構(gòu)的振動(dòng)反應(yīng)。土木工程結(jié)構(gòu)振動(dòng)半主動(dòng)控制分變剛度控制系統(tǒng)以及變阻尼控制系統(tǒng)兩類(lèi)。變阻尼半主動(dòng)控制系統(tǒng)的原理是利用設(shè)置在建筑結(jié)構(gòu)中的變阻尼裝置,根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)的振動(dòng)反應(yīng)來(lái)實(shí)時(shí)調(diào)整變阻尼裝置的參數(shù)從而提供等效的控制力,減少建筑結(jié)構(gòu)的振動(dòng)反應(yīng)。在土木工程結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制中,阻尼起著極其重要的作用,當(dāng)建筑結(jié)構(gòu)受到的地震作用比較小時(shí),因?yàn)榇嬖谥鴾椥缘淖饔脧亩枘峋彤a(chǎn)生了;但是建筑結(jié)構(gòu)受到的地震作用比較大時(shí),結(jié)構(gòu)的某一部分產(chǎn)生塑性角,從而結(jié)構(gòu)晶體的內(nèi)部發(fā)生滑移及運(yùn)動(dòng),這就是因局部的塑性應(yīng)變產(chǎn)生了阻尼。當(dāng)建筑結(jié)構(gòu)產(chǎn)生共振的時(shí)候,利用阻尼來(lái)進(jìn)行減震控制效果特別好。但是,通常所使用的阻尼裝置所產(chǎn)生的阻尼力是有限的,而且它通常是產(chǎn)生大小固定不變的阻尼力。隨著土木工程結(jié)構(gòu)振動(dòng)半主動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展,迫切地需要一種能提供連續(xù)可變的阻尼、能根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)振動(dòng)反應(yīng)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)的阻尼器。如今智能材料的出現(xiàn)就為以上問(wèn)題的解決提供了新的思路。2磁勢(shì)阻尼器的研究2.1磁流變效應(yīng)的特點(diǎn)近年以來(lái),各種智能材料相繼涌現(xiàn),一種新型的智能材料———磁流變液,英文全稱(chēng)是Magneto-rheologicalFluid,英文簡(jiǎn)稱(chēng)是MRF,在外部施加磁場(chǎng)的情況下,其能夠在毫秒級(jí)的時(shí)間內(nèi)由牛頓力學(xué)流體變成固體。磁流變液體是一種智能的、可以對(duì)其進(jìn)行控制的流體,既有感知的能力,又具有驅(qū)動(dòng)的能力。磁流變液體的特點(diǎn)是:在外部施加磁場(chǎng)的情況下,它能夠在毫秒級(jí)的時(shí)間內(nèi)從具有良好流動(dòng)性的牛頓流體迅速變成具有一定的剪切屈服強(qiáng)度的半固體狀的物質(zhì),能夠?qū)崿F(xiàn)這種自由流動(dòng)和半固態(tài)之間的交替的變化。同時(shí),這種交替變化非常迅速,是可以控制的、可逆的、連續(xù)的。從宏觀方面分析,這種微觀變化就表現(xiàn)為所產(chǎn)生的阻尼力的巨大變化。磁流變效應(yīng)具有下列四個(gè)特點(diǎn):(1)能耗小。通常只需要10-20W功率的直流電源就可以滿足在實(shí)際工程中的應(yīng)用。(2)響應(yīng)時(shí)間短。隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的不斷變化,自由流動(dòng)的液體向半固態(tài)的正向變化的響應(yīng)時(shí)間是10-4秒,而半固態(tài)向自由流動(dòng)的液體的逆向變化的響應(yīng)時(shí)間是10-3秒。(3)具有連續(xù)性。磁流變液的屈服剪切應(yīng)力能夠隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化而變化,而且這種變化是連續(xù)的。(4)具有可逆性。磁流變液能夠隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加由自由流動(dòng)的液體變?yōu)榘牍腆w,從而“變硬”;也能夠隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的減小由半固體變?yōu)樽杂闪鲃?dòng)的液體,從而“變軟”。2.2結(jié)構(gòu)振動(dòng)半主動(dòng)控制磁流變阻尼器由磁流變流體制作而成,具有體積小、構(gòu)造簡(jiǎn)單、能耗小而且能夠連續(xù)變化等優(yōu)點(diǎn),是土木工程結(jié)構(gòu)振動(dòng)半主動(dòng)控制的理想的控制裝置。國(guó)外已經(jīng)研制出磁流變阻尼減震器用于結(jié)構(gòu)振動(dòng)的研究及應(yīng)用。迄今為止,磁流變阻尼器主要有三種結(jié)構(gòu)形式:剪切型、閥型以及擠壓型。其中,閥型是研究最多,也是應(yīng)用最為廣泛的。2.3磁場(chǎng)阻尼器引起的磁流變阻尼力磁流變阻尼器的工作原理:在外施加電流時(shí),就會(huì)在阻尼器內(nèi)部產(chǎn)生磁場(chǎng),通過(guò)調(diào)節(jié)外加磁場(chǎng)強(qiáng)度的大小進(jìn)而調(diào)節(jié)磁流變阻尼器內(nèi)部活塞兩端的壓力差,或者是通過(guò)磁流變液的液固變化進(jìn)而調(diào)節(jié)其剛度,從而產(chǎn)生能夠迅速響應(yīng)的并且可以連續(xù)變化的控制力(即阻尼力)。2.4能耗震動(dòng)裝置磁流變阻尼器是一種理想的半主動(dòng)控制裝置,具有智能性,可靠性很強(qiáng),可以稱(chēng)得上安全型且無(wú)故障的裝置。同時(shí)磁流變液阻尼器也能夠作為一種被動(dòng)的耗能減震裝置。磁流變阻尼器用磁流變液制作而成,和建筑構(gòu)件進(jìn)行結(jié)合,安裝在建筑結(jié)構(gòu)上的傳感器檢測(cè)到建筑結(jié)構(gòu)的振動(dòng)反應(yīng),磁流變阻尼器根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)的振動(dòng)反應(yīng)迅速地調(diào)節(jié)MR阻尼器的參數(shù),從而產(chǎn)生所需要的控制力,減少建筑結(jié)構(gòu)的振動(dòng)反應(yīng)。3半主動(dòng)控制裝置土木工程結(jié)構(gòu)振動(dòng)半主動(dòng)控制包括兩個(gè)重要方面:一個(gè)是控制裝置,另一個(gè)是控制算法,其中,控制算法是半主動(dòng)控制的核心。目前基于磁流變阻尼器的土木工程結(jié)構(gòu)振動(dòng)半主控制比較成熟的控制算法主要分為以下幾種:3.1最小阻尼力的測(cè)定簡(jiǎn)單Bang-Bang控制算法可以由下式表示:其中,ud為MR阻尼器所產(chǎn)生的阻尼力,x為MR阻尼器的相對(duì)位移,為被動(dòng)的粘滯阻尼力,fdymin、fdymax為MR阻尼器所產(chǎn)生的最小阻尼力及最大阻尼力。從簡(jiǎn)單BangBang磁流變阻尼器控制算法可以看出,當(dāng)MR阻尼器在建筑結(jié)構(gòu)層與層之間偏離平衡點(diǎn)的位置震動(dòng)時(shí),就對(duì)建筑結(jié)構(gòu)施加MR阻尼器所產(chǎn)生的最大阻尼力,不然,就施加最小的阻尼力。3.2最優(yōu)bab控制算法最優(yōu)Bang-Bang控制算法可以由下式表示:其中,u就是根據(jù)主動(dòng)控制算法計(jì)算出的最優(yōu)控制力。最優(yōu)Bang-Bang控制算法可以看出,當(dāng)MR阻尼器所處的位置的震動(dòng)方向和主動(dòng)最優(yōu)控制力反向時(shí),就將最大阻尼力施加給建筑結(jié)構(gòu);不然,就將最小阻尼力施加給建筑結(jié)構(gòu)。該算法恰恰說(shuō)明了MR阻尼器施加給建筑結(jié)構(gòu)的控制力是阻止建筑結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的,而不是推動(dòng)建筑結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的。3.3有限空間hvat最佳磁態(tài)衰減極限控制方法其中,u是主動(dòng)最優(yōu)控制力,MR阻尼器可能實(shí)現(xiàn)的最大阻尼力為:udmax=cd|x觶|+fdymax。4結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,能耗采用磁流變液智能材料制作成的磁流變阻尼器是一種具有高性能的半主動(dòng)控制裝置。其具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn):結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積比較小、耐性好、響應(yīng)