磁流變阻尼器在隔震獨(dú)樁平臺(tái)中的應(yīng)用

磁流變阻尼器在隔震獨(dú)樁平臺(tái)中的應(yīng)用

1隔震獨(dú)樁平臺(tái)控制為了避免斷樁平臺(tái)在強(qiáng)地震的作用下造成的嚴(yán)重結(jié)構(gòu)破壞，提出了一種具有隔震結(jié)構(gòu)的新斷裂帶，并采用了磁圈衰減源（也稱(chēng)為mri）對(duì)斷裂平臺(tái)的地震反應(yīng)進(jìn)行了手動(dòng)控制（圖1）。獨(dú)樁與隔水套管之間(泥面以上)的空隙不用填充物,只在上部用MR阻尼器相連接;獨(dú)樁樁頂不直接支撐甲板,二者之間用橡膠墊相接。隔震獨(dú)樁平臺(tái)具有如下優(yōu)點(diǎn):1)波浪力主要由獨(dú)樁承擔(dān),對(duì)隔水套管和甲板的影響較小;2)在地震力作用下,由于隔水套管和樁頂橡皮墊的側(cè)移剛度都較小,地基傳輸給甲板的地震力就會(huì)大大減小。由于隔水套管和橡膠墊的側(cè)移剛度都較小,在地震力作用下,甲板的位移就會(huì)變得大起來(lái),因此需要采用MR阻尼器來(lái)加以控制。2磁流變效應(yīng)應(yīng)用磁流變阻尼器所采用的液壓油是一種磁流變液(magneto-rheologicalfluid,簡(jiǎn)稱(chēng)MR)可控制流體,通常由分散于載體介質(zhì)(如硅油等礦物油)中微小的、可磁化的極性粒子組成。目前用得較多的磁性顆粒有鐵鈷、鐵鎳、鐵鈷釩等合金超細(xì)粉末,其粒徑為幾微米。在無(wú)磁場(chǎng)作用時(shí),MR是牛頓流體;而當(dāng)受到磁場(chǎng)作用時(shí),其懸浮的極性顆粒便被磁化,形成粒子鏈,并在短時(shí)間內(nèi)(毫秒量級(jí))由流體轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂幸欢羟星?yīng)力的黏塑體,隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的加強(qiáng),剪切屈服應(yīng)力相應(yīng)增大,這就是磁流變效應(yīng)。MR流體的最大屈服應(yīng)力可達(dá)50～100kPa。磁流變效應(yīng)具有以下特點(diǎn):1)隨磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化而連續(xù)變化;2)既可隨磁場(chǎng)強(qiáng)度增大而硬化,又可隨其減弱而變?yōu)榱黧w;3)響應(yīng)時(shí)間短,其力學(xué)性能隨磁場(chǎng)強(qiáng)度變化的時(shí)間為毫秒量級(jí)。許多研究結(jié)果表明,MR在磁場(chǎng)作用下的剪應(yīng)力τ與剪切速率γ的關(guān)系可用賓漢姆(Bingham)黏塑性模型描述,其表達(dá)式為式中:τy為與磁場(chǎng)強(qiáng)度有關(guān)的剪切屈服強(qiáng)度,η是磁流變液的黏度。磁流變液已廣泛為工程技術(shù)界所重視,在機(jī)械、航空航天、石油、土木工程等領(lǐng)域得到初步應(yīng)用,是最有發(fā)展前景的智能材料之一。目前國(guó)外已研究開(kāi)發(fā)出磁流變液減振器、剎車(chē)裝置及光學(xué)加工裝置。美國(guó)Lord公司和NotreDame大學(xué)合作設(shè)計(jì)并制造出阻尼力達(dá)200kN的MR阻尼器,該阻尼器已用于土木工程結(jié)構(gòu)減震和振動(dòng)控制。MR阻尼器的工作原理(圖2)是:活塞與缸體發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)就會(huì)擠壓油缸中的MR液,MR液通過(guò)位于活塞與缸體之間的間隙流向活塞另一側(cè)。若沒(méi)有磁場(chǎng)作用,MR液則表現(xiàn)為牛頓流體;若繞在活塞上的線(xiàn)圈通電產(chǎn)生磁場(chǎng),MR液則發(fā)生硬化,變?yōu)轲に荏w,使活塞運(yùn)動(dòng)的阻尼力增大,此時(shí)通過(guò)調(diào)節(jié)線(xiàn)圈中的電流強(qiáng)度可以改變MR液的屈服強(qiáng)度,從而可以調(diào)節(jié)MR阻尼器阻尼力的大小。MR阻尼器的阻尼力Fd(t)與活塞運(yùn)動(dòng)速度(t)之間的關(guān)系式為式中:cd為黏滯阻尼系數(shù);L和h分別為活塞與缸體之間間隙的長(zhǎng)度和高度;d為缸體的內(nèi)徑;Ap為活塞的凈面積。MR阻尼器的阻尼力由2部分組成,即與速度有關(guān)的黏滯阻尼力和與磁場(chǎng)強(qiáng)度有關(guān)的屈服剪應(yīng)力。在無(wú)磁場(chǎng)作用時(shí),MR材料的τy=0;此時(shí),MR阻尼器的阻尼力只有黏滯阻尼力一項(xiàng),MR阻尼器也就成為一種被動(dòng)阻尼器,因此,MR阻尼器是一種安全無(wú)故障阻尼器,是一種理想的結(jié)構(gòu)半主動(dòng)控制元件。3半主動(dòng)控制器設(shè)計(jì)采用瞬時(shí)最優(yōu)控制算法所確定的主動(dòng)控制力來(lái)作為確定MR阻尼器半主動(dòng)控制律的參考數(shù)據(jù)。具有n個(gè)自由度的受控結(jié)構(gòu)體系在地震作用下的運(yùn)動(dòng)方程為式中:[M]、[C]、[K]分別為結(jié)構(gòu)體系的質(zhì)量矩陣、阻尼矩陣和剛度矩陣;{I}為單位列向量;為地震加速度;分別為樁頂處的位移、速度和加速度;[H]為控制裝置的位置矩陣;{U}為控制力向量。式中:{Z}為狀態(tài)向量,對(duì)于主動(dòng)控制,關(guān)鍵在如何確定控制力{U},主動(dòng)控制算法是確定控制力的基礎(chǔ),目的是在主動(dòng)控制系統(tǒng)滿(mǎn)足狀態(tài)方程和各種約束的條件下,選擇合適的增益矩陣,尋找最佳控制參數(shù),并使系統(tǒng)達(dá)到較好的性能指標(biāo),實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)的最佳控制。瞬時(shí)最優(yōu)控制算法所采用的性能指標(biāo)為式中:[Q]和[R]分別為瞬時(shí)狀態(tài)向量{Z}和瞬時(shí)控制向量{U}的加權(quán)矩陣。在閉環(huán)控制情況下所需的控制力向量為式中Δt為采樣時(shí)間步長(zhǎng)。MR阻尼器通過(guò)調(diào)整磁場(chǎng)強(qiáng)度來(lái)改變控制力的大小,不可能在任意瞬間都能夠達(dá)到最優(yōu)控制效果。MR阻尼器的半主動(dòng)控制律為式中:Fi為第i個(gè)MR阻尼器所提供的控制力;Ui為第i個(gè)瞬時(shí)最優(yōu)主動(dòng)控制力;Fmax和Fmin分別為有磁場(chǎng)存在和無(wú)磁場(chǎng)存在時(shí)MR阻尼器所提供的半主動(dòng)控制力。4隔震獨(dú)樁平臺(tái)地震反應(yīng)方程安裝MR阻尼器的隔震獨(dú)樁平臺(tái),其地震反應(yīng)方程可以寫(xiě)為式中:m為甲板的質(zhì)量;c為隔水套管(包括橡膠墊)的阻尼;k為隔水套管(包括橡膠墊的剛度);F為MR阻尼器對(duì)隔水套管的半主動(dòng)控制力。若令狀態(tài)向量控制力U=F,那么方程(1)可表示為式中瞬時(shí)最優(yōu)閉環(huán)控制算法的瞬時(shí)最優(yōu)主動(dòng)控制力為那么MR阻尼器的半主動(dòng)控制律為式中5算例隔震獨(dú)樁平臺(tái)的主要參數(shù):甲板質(zhì)量100t,隔水套管的剛度為20kN·m-1。MR阻尼器的參數(shù):缸體內(nèi)徑100mm,間隙高度2mm,活塞有效長(zhǎng)度60mm,MR液黏度0.2Pa·s,最大屈服應(yīng)力5kPa,相應(yīng)的黏滯阻尼系數(shù)cd=1.45kN·s·m-1,屈服剪力f=4.5kN。選取狀態(tài)向量加權(quán)矩陣控制力加權(quán)數(shù)的選取應(yīng)仔細(xì)考慮:若取值太小,將導(dǎo)致所需的控制力太大,MR阻尼器難以達(dá)到要求;若取值太大,則會(huì)導(dǎo)致所需的控制力太小,實(shí)際控制效果將大打折扣。方程(1)的增量形式為式中ΔF應(yīng)按下列方法計(jì)算:1)若FU>0,且|F|<|U|在時(shí)刻τ=t成立,而在時(shí)刻τ=t-Δt(Δt為積分步長(zhǎng))不成立,那么在時(shí)刻r=t有2)若FU>0,且|F|<|U|在時(shí)刻τ=t不成立,而在時(shí)刻τ=t-Δt成立,那么在時(shí)刻τ=t有3)不滿(mǎn)足上述2種情形的其他情形有采用Newmark-β法對(duì)上述增量形式方程進(jìn)行積分,基巖加速度采用ElCentro地震加速度,通過(guò)時(shí)程分析就可以得到隔震獨(dú)樁平臺(tái)甲板的位移、速度及加速度時(shí)程曲線(xiàn),圖3、圖5分別為隔震獨(dú)樁平臺(tái)甲板的位移、速度及加速度時(shí)程曲線(xiàn)。從圖3可以看出,無(wú)論是采用MR阻尼器的被動(dòng)控制方式,還是采用MR阻尼器的半主動(dòng)控制方式,對(duì)隔震獨(dú)樁平臺(tái)甲板的位移都有較好的控制效果;但相比之下,半主動(dòng)控制效果比被動(dòng)控制效果更好。半主