壓電摩擦阻尼器疊層橡膠墊可控隔震系統(tǒng)的研究

壓電摩擦阻尼器疊層橡膠墊可控隔震系統(tǒng)的研究

0結(jié)構(gòu)智能阻尼隔震系統(tǒng)原理在土木工程領(lǐng)域，理論發(fā)展相對(duì)成熟，廣泛應(yīng)用的振動(dòng)控制技術(shù)是基本振動(dòng)控制技術(shù)?；谙芎蜑V波原理的基礎(chǔ)隔震技術(shù)從根本上改變了傳統(tǒng)的抗震設(shè)計(jì)思想和方法,許多學(xué)者對(duì)基礎(chǔ)隔震技術(shù)都進(jìn)行了大量的研究,并取得了豐碩的成果。由于隔震層參數(shù)不可調(diào)使得被動(dòng)隔震體系只適應(yīng)大震隔震情況,在中、小震作用下常常發(fā)揮不出隔震效果。因此,采用主動(dòng)變阻尼裝置與隔震層組合,形成隔震層剛度和阻尼參數(shù)可調(diào)的結(jié)構(gòu)智能阻尼隔震系統(tǒng),可適應(yīng)于不同強(qiáng)度、不同特點(diǎn)的地震作用。本文中筆者對(duì)壓電摩擦阻尼器與疊層橡膠墊組合形成隔震層剛度和阻尼參數(shù)可調(diào)的結(jié)構(gòu)智能阻尼隔震系統(tǒng)進(jìn)行了分析,在壓電摩擦阻尼器隔震結(jié)構(gòu)中,對(duì)動(dòng)力反應(yīng)起控制作用的主要是壓電摩擦阻尼器隔震層性能以及主動(dòng)控制算法。根據(jù)壓電摩擦阻尼器反應(yīng)迅速的特點(diǎn),選擇了線性二次型最優(yōu)控制(LQR)以及廣義預(yù)測(cè)控制(GPC)2種控制算法作為該智能隔震系統(tǒng)的控制算法,半主動(dòng)控制算法作為控制輸出策略。應(yīng)用時(shí)程分析,選取典型的地震動(dòng)記錄進(jìn)行結(jié)構(gòu)動(dòng)力反應(yīng)分析,對(duì)上述2種控制算法的控制結(jié)構(gòu)進(jìn)行了對(duì)比分析,驗(yàn)證了系統(tǒng)的隔震效果。1隔震體系的組成結(jié)合多層式壓電驅(qū)動(dòng)器抗壓強(qiáng)度高、驅(qū)動(dòng)位移小的特點(diǎn)和被動(dòng)干摩擦阻尼器的特點(diǎn),并充分考慮隔震結(jié)構(gòu)的隔震原理和特性,本文中采用壓電摩擦阻尼器,其構(gòu)造如圖1所示,它的基本原理是利用壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器的電致變形來(lái)改變摩擦阻尼器的螺栓緊固力,從而調(diào)整摩擦片之間的正壓力,實(shí)現(xiàn)摩擦力的主動(dòng)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié),使摩擦阻尼器具有可控特性,并把此摩擦阻尼器應(yīng)用于隔震結(jié)構(gòu)的隔震層,組成可控隔震系統(tǒng)。表1為本文中所用到的壓電摩擦阻尼器的基本參數(shù)。經(jīng)分析可知,通過(guò)調(diào)節(jié)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器的工作電壓可以得到結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制所需要的實(shí)時(shí)控制力,實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的半主動(dòng)控制。本文中對(duì)選擇的壓電材料組成的壓電摩擦阻尼器進(jìn)行了分析,得出的電壓與最大摩擦力的關(guān)系式為Fmax=25+0.16952U(1)式中:Fmax為絕對(duì)最大摩擦力;U為電壓值,U≥0。將疊層橡膠墊和壓電摩擦阻尼器組成隔震體系,二者恢復(fù)力特性疊加后得到的模型如圖2所示(圖2中F為恢復(fù)力,Δ為位移)。組合后的恢復(fù)力模型仍為平行四邊形,這種隔震體系在進(jìn)行結(jié)構(gòu)地震控制時(shí)會(huì)有以下優(yōu)點(diǎn):(1)由于隔震體系具有極大的初始剛度,可以保證結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載或小震的情況下?lián)碛凶銐虻乃娇箓?cè)剛度,上部結(jié)構(gòu)的水平變位極小,滿足正常使用要求。(2)壓電摩擦阻尼器由于其可控特性能夠隨地震強(qiáng)度的不同而調(diào)整其阻尼特性,因此,無(wú)論是對(duì)多遇地震還是罕遇地震都能起到很好的隔震效果。(3)壓電摩擦阻尼器的耗能能力出色,不但可以減小結(jié)構(gòu)的反應(yīng)加速度,而且可將上部結(jié)構(gòu)與地基的相對(duì)位移控制在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi),同時(shí)它還可以很好地降低結(jié)構(gòu)的層間位移。2阻尼器控制算法的合理選擇壓電摩擦阻尼器是一種可控的摩擦阻尼器,在類型上可歸為半主動(dòng)控制器。它是利用壓電材料電致伸縮的性質(zhì),通過(guò)調(diào)節(jié)壓電材料所處電場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng),使壓電材料產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力,從而調(diào)節(jié)摩擦面的壓力,并因此而改變摩擦阻尼器的摩擦力,最終實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)的實(shí)時(shí)控制。為使阻尼器盡可能地實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)跟蹤和主動(dòng)最優(yōu)控制力,必須選擇合理的控制算法。疊層橡膠墊的型號(hào)和數(shù)量根據(jù)結(jié)構(gòu)的自重選取,此時(shí)其力學(xué)參數(shù)就被確定了,因此隔震層恢復(fù)力參數(shù)的變化主要來(lái)自于壓電摩擦阻尼器自身的特性調(diào)整,故控制算法在其控制效果上起著非常重要的作用。本文中根據(jù)前面所設(shè)計(jì)的壓電摩擦阻尼器的特點(diǎn),選擇LQR和GPC這2種控制算法對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行地震動(dòng)控制。3不同結(jié)構(gòu)的時(shí)程分析本文中對(duì)設(shè)有壓電摩擦阻尼隔震體系的4層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)在地震作用下的彈塑性動(dòng)力反應(yīng)進(jìn)行了計(jì)算分析,并采用了中國(guó)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011—2001,以下簡(jiǎn)稱抗震規(guī)范)推薦的對(duì)隔震結(jié)構(gòu)進(jìn)行時(shí)程分析的剪切型層模型。非線性體系振動(dòng)方程可用增量形式表示,即MΔx¨+CΔx˙+KΔx=?MNΔx¨g+BsusΜΔx¨+CΔx˙+ΚΔx=-ΜΝΔx¨g+Bsus(2)式中:N為元素均為1的矩陣;Δx、Δx˙x˙、Δx¨x¨分別為非線性體系的水平位移、速度和加速度增量;Δx¨x¨g為地震動(dòng)水平加速度增量;us為阻尼器提供的主動(dòng)控制力,可以利用控制算法求出;Bs為相應(yīng)的位置矩陣;K、C、M分別為非線性體系的剛度矩陣、阻尼矩陣和質(zhì)量矩陣。M、K的具體形式為M=?????????mbm1m2?mn?????????K=????????????kb+k1?k1?k1k1+k2?k2?k2k2+k3??k3???kn?knkn+kn+1????????????Μ=[mbm1m2?mn]Κ=[kb+k1-k1-k1k1+k2-k2-k2k2+k3-k3???-kn-knkn+kn+1]式中:mb為隔震層的質(zhì)量;mi為上部結(jié)構(gòu)第i層的集中質(zhì)量;kb為隔震層的水平剛度,由隔震層的恢復(fù)力模型確定;ki為第i層的剪切剛度,由該層的恢復(fù)力模型確定。阻尼采用黏滯阻尼,即Rayleigh建議的與剛度矩陣和質(zhì)量矩陣成正比的線性阻尼模型。本文中筆者采用Wilson-θ法進(jìn)行數(shù)值積分分析,取θ=1.4。在進(jìn)行時(shí)程分析程序時(shí),主要分析壓電摩擦阻尼器隔震結(jié)構(gòu)的減振效果,該結(jié)構(gòu)共有8榀框架,上部結(jié)構(gòu)主要參數(shù)見表2。場(chǎng)地類別為Ⅱ類,抗震設(shè)防烈度為8度,場(chǎng)地卓越周期為0.35s。根據(jù)豎向荷載值及隔震層在正常使用時(shí)變形很小的原則,設(shè)置32個(gè)疊層橡膠墊,型號(hào)為Φ500,單個(gè)橡膠墊的水平剛度為700kN·m-1,豎向剛度為1.1×106kN·m-1。壓電變摩擦阻尼器共設(shè)置14個(gè),在本文中,LQR和GPC算法作為該半主動(dòng)控制隔震系統(tǒng)的核心。整個(gè)隔震層的恢復(fù)力模型的參數(shù):剛度k=22400kN·m-1,質(zhì)量為180t。考慮到場(chǎng)地類別的因素,地面加速度記錄則采用調(diào)幅后的ElCentro1940NS地震波(周期T=10s)。按抗震規(guī)范中的要求,多遇地震驗(yàn)算時(shí)地震動(dòng)加速度峰值調(diào)整為70cm·s-2,罕遇地震驗(yàn)算時(shí)調(diào)整為400cm·s-2。通過(guò)對(duì)計(jì)算結(jié)果分析,可以得出以下結(jié)論:(1)在多遇地震作用下,壓電摩擦阻尼器隔震結(jié)構(gòu)的層間位移無(wú)論是采用LQR算法,還是采用GPC算法都比不設(shè)隔震結(jié)構(gòu)時(shí)有很大的減小(圖3),有的樓層甚至能夠減小將近90%。由此可知,該系統(tǒng)在減小層間位移方面是很有效果的。經(jīng)過(guò)計(jì)算,隔震后上部結(jié)構(gòu)的最大層間位移角LQR算法為1/4189,GPC算法為1/4109,而不設(shè)隔震系統(tǒng)震時(shí)為1/640,相應(yīng)的隔層層間最大剪力也都有大幅度的減小。(2)在多遇地震作用下,壓電摩擦阻尼器隔震結(jié)構(gòu)的加速度與非隔震結(jié)構(gòu)相比,各樓層的最大絕對(duì)加速度有明顯的減小。用LQR算法時(shí),第1層減少了76%,第2層減少了83%,第3層減小了85%,第4層則減少了87%。用GPC算法時(shí),第1層減少了75%,第2層減少了83%,第3層減小了85%,第4層則減少了86%。由此可知,該隔震結(jié)構(gòu)的水平加速度反應(yīng)僅為傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)的1/4,提高了結(jié)構(gòu)的安全度。上述2種控制算法的隔震效果都很好,而且在降低加速度方面的能力比較強(qiáng)。(3)在罕遇地震作用下,壓電摩擦阻尼隔震結(jié)構(gòu)的層間位移與非隔震結(jié)構(gòu)相比,無(wú)論采用LQR算法還是GPC算法隔震效果都有大幅降低(圖4),通過(guò)計(jì)算可以得到此時(shí)的最大層間位移角為1/726,抗震規(guī)范對(duì)于框架結(jié)構(gòu)層間彈性位移的驗(yàn)算取彈性位移角限值為1/550,說(shuō)明在罕遇地震作用下,隔震體系的上部結(jié)構(gòu)仍然保持彈性。而此時(shí)非隔震結(jié)構(gòu)的各層都進(jìn)入了彈塑性階段,其中第2層的層間位移甚至達(dá)到了8.4cm,與此對(duì)應(yīng)的層間位移角為1/54?？拐鹨?guī)范規(guī)定,對(duì)于框架結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō),在大震作用下的層間彈塑性位移角限值為1/50。很明顯,在不采用隔震體系時(shí)結(jié)構(gòu)已接近抗震能力的極限。由此可知,隔震層的“軟化”作用大大削弱了上部結(jié)構(gòu)的動(dòng)力反應(yīng),從而保證了結(jié)構(gòu)在地震中的安全。(4)在罕遇地震作用下,壓電摩擦阻尼器隔震結(jié)構(gòu)各層的加速度都遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于輸入地震動(dòng)加速度的峰值(400cm·s-2),與非隔震結(jié)構(gòu)相比也大大減小(圖5)。由此可知,該隔震系統(tǒng)無(wú)論是在多遇地震還是罕遇地震中都起到了很好的隔震作用,同時(shí)也說(shuō)明這2種控制算法的隔震效果都比較有效。(5)由于隔震層的剛度與上部結(jié)構(gòu)相比很小,在地震作用下,它的位移比鋼筋混凝土樓層要大得多,結(jié)構(gòu)的變形主要集中在隔震層。在多遇地震時(shí),隔震層的最大位移為L(zhǎng)QR算法2.035cm,GPC算法1.395cm;罕遇地震時(shí)LQR算法為11.63cm,GPC算法為8.843cm,都小于摩擦阻尼器設(shè)定的極限位移,滿足工程要求?？偟膩?lái)說(shuō),上述2種控制算法都達(dá)到了預(yù)期的隔震效果。由上述比較可知,在控制最大加速度以及最大層間位移方面2種控制算法的效果相近,無(wú)論是多遇地震還是罕遇地震都大大地減小了結(jié)構(gòu)的最大加速度和最大層間位移,取得了很好的隔震效果。比較這2種控制算法的隔震層位移可知,GPC算法比LQR算法的效果稍好一些(圖6)。4結(jié)構(gòu)體系的隔振效果(1)根據(jù)壓電摩擦阻尼隔震系統(tǒng)的特性選擇了LQR算法和GPC算法作為整套隔震系統(tǒng)的控制算法,并將半主動(dòng)控制算法作為控制輸出策略;用時(shí)程分析對(duì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力反應(yīng)進(jìn)行了模擬,并把這2種控制算法應(yīng)用到結(jié)構(gòu)的控制中,分別驗(yàn)證了其隔振效果。(2)無(wú)論是多