mr智能基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)的抗震性能研究

mr智能基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)的抗震性能研究

基礎(chǔ)振動(dòng)是一種被動(dòng)的控制體系。該函數(shù)包括將振動(dòng)器（橡膠調(diào)震器）放置在結(jié)構(gòu)的底部和基礎(chǔ)上，并將上部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)分隔開(kāi)來(lái)。改變結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特征和動(dòng)態(tài)功能，顯著減少結(jié)構(gòu)材料的地震反應(yīng)。但是基礎(chǔ)隔震系統(tǒng)在高層建筑物中只能部分地減少地震能量向結(jié)構(gòu)的輸入,隔震層的過(guò)度變形可能會(huì)造成隔震層的破壞。如果在結(jié)構(gòu)上安裝一些控制裝置,采用混合控制的方式可以較小的控制力獲得較好的控制效果。MR(magneetorheologicalfluid)阻尼器是一種性能非常優(yōu)越的可調(diào)智能阻尼器。MR智能阻尼器通過(guò)調(diào)節(jié)磁場(chǎng)的強(qiáng)度來(lái)改變阻尼器所產(chǎn)生的阻尼力,并通過(guò)調(diào)節(jié)磁流變阻尼器的參數(shù)來(lái)獲取最優(yōu)的控制力。1橡膠支架和阻尼器的組合地震荷載作用下普通橡膠墊隔震支座恢復(fù)力特性可以簡(jiǎn)化成線彈性模型,如圖1(b)所示。鋼阻尼器的恢復(fù)力特性可以簡(jiǎn)化成理想彈塑性模型,如圖1(c)所示。其恢復(fù)力特性?xún)H取決于初始剛度kd。既有疊層橡膠支座又有阻尼器的隔震系統(tǒng),其恢復(fù)力特性是疊層橡膠支座和阻尼器恢復(fù)力特性的組合,如圖1(a)所示。圖中K1、K2分別是隔震系統(tǒng)的初始剛度(K1=K2+Kd)和第二剛度,Qy、δy分別是隔震系統(tǒng)的屈服剪力和屈服變位,Pk、Pd分別是阻尼器屈服荷載和初期剛度。等價(jià)雙線型恢復(fù)模型有K1、K2兩個(gè)剛度,稱(chēng)為隔震層的等價(jià)剛度,它是對(duì)真實(shí)剛度的等價(jià)近似。用近似剛度系統(tǒng)和真實(shí)剛度系統(tǒng)自振周期及兩系統(tǒng)阻尼自由振動(dòng)位移包絡(luò)線相同為等價(jià)條件,可得到等價(jià)系統(tǒng)剛度K1、K2的計(jì)算公式為:Κ2=0.25Κ(1-ζ2)[exp(3.1416ζ/√1-ζ2)+1]2(1)Κ1=Κ2exp(-6.2832ζ/√1-ζ2)(2)K2=0.25K(1?ζ2)[exp(3.1416ζ/1?ζ2?????√)+1]2(1)K1=K2exp(?6.2832ζ/1?ζ2?????√)(2)2基于anfs的結(jié)構(gòu)振動(dòng)檢測(cè)2.1剛性地基上的動(dòng)力相互作用假定同一層各構(gòu)件的上下移動(dòng)量相同,采用層間剪切分析模型,墻體的質(zhì)量分別集中于各層,整個(gè)結(jié)構(gòu)建立在剛性地基上,不考慮土與結(jié)構(gòu)的相互作用,建立圖2所示的基礎(chǔ)隔震控制結(jié)構(gòu)的動(dòng)力分析模型。整個(gè)結(jié)構(gòu)按(n+1)個(gè)質(zhì)點(diǎn)模型建模,M1～Mn分別為上部結(jié)構(gòu)各層質(zhì)量;K1～Kn分別為上部結(jié)構(gòu)各層剛度;C1～Cn分別為上部結(jié)構(gòu)各層阻尼;Mb、Kb、Cb分別為隔震層質(zhì)量、剛度、阻尼。2.2收率及前懸的控制函數(shù)基礎(chǔ)隔震控制結(jié)構(gòu)的水平運(yùn)動(dòng)微分方程為:Μ??X+C˙X+ΚX=-ΜL??Xg-BsU(t)(3)MX??+CX˙+KX=?MLX??g?BsU(t)(3)式中,M、K、C分別為結(jié)構(gòu)質(zhì)量矩陣、剛度矩陣和阻尼矩陣;X為結(jié)構(gòu)質(zhì)點(diǎn)相對(duì)于地面的位移向量,即X=[X1,X2…Xn]T;˙XX˙、??XX??分別為結(jié)構(gòu)相對(duì)于地面的速度和加速度向量。L=[111…1]T;BS是控制力作用位置矩陣;U(t)為作動(dòng)器提供的控制力。式(3)運(yùn)動(dòng)微分方程表示成狀態(tài)方程為:{Ζ=A˙Ζ+BUdY=CΖ(4){Z=AZ˙+BUdY=CZ(4)其中,Ζ=[x˙x]Z=[xx˙]為狀態(tài)向量,A=(0Ι-Μ-1Κ-Μ-1C)A=(0I?M?1K?M?1C)為結(jié)構(gòu)系數(shù)矩陣;B=[0Ι]B=[0I]為結(jié)構(gòu)控制矩陣;Ud=-{1}??xg(t)-Μ-1BSU(t)Ud=?{1}x??g(t)?M?1BSU(t)為地震波加速度和主動(dòng)控制力組合;C=[I0]為結(jié)構(gòu)輸出矩陣。本文采用線性二次型(LQR)經(jīng)典最優(yōu)控制算法求解控制力U,選取如下性能目標(biāo):J=∫∞0(XTQX+UTRU)dt(5)其中,Q,R均為系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的控制參數(shù)。使式(5)性能目標(biāo)取最小的最優(yōu)控制力為:U=GZG為增益矩陣,G=R-1BTP式(7)中,P滿(mǎn)足如下Riccati矩陣方程:PA+ATP-PBR-1BTP+Q=0(6)式(6)代入式(4)得到結(jié)構(gòu)主動(dòng)控制系統(tǒng)狀態(tài)方程:˙Ζ(A-BG)Ζ+Dg??xg(7)Z˙(A?BG)Z+Dgx??g(7)運(yùn)用Wilson-θ法,求出式(7)結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)中的狀態(tài)向量Z,并推算出相應(yīng)的控制力U。2.3結(jié)構(gòu)智能控制模糊邏輯控制中,模糊控制準(zhǔn)則和隸屬函數(shù)的建立及參數(shù)的選取是控制結(jié)果好壞的關(guān)鍵。土木工程中的復(fù)雜結(jié)構(gòu),依據(jù)專(zhuān)家的主觀經(jīng)驗(yàn)難以確定模糊控制規(guī)則和語(yǔ)言變量隸屬函數(shù)。模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制可自動(dòng)生成模糊控制規(guī)則和語(yǔ)言隸屬函數(shù)參數(shù),實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)智能控制。假定結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)設(shè)置m個(gè)加速度傳感器和n個(gè)控制力傳感器,則k時(shí)刻的加速度觀測(cè)器輸出為:y(k)=(y1(k),y2(k),…,ym(k))(8)k時(shí)刻的控制力觀測(cè)器輸出為:u(k)=(u1(k),u2(k),…,um(k))(9)建立結(jié)構(gòu)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器的一般表達(dá)式為:u(k+1)=fFNNC(y(k)),y(k-1),…,y(k-r+1),u(k),u(k-1),…,u(k-s+1),WFNNC)(10)式中,fFNNC(·)為模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器的動(dòng)力模型;k,s為模型的階數(shù);WFNNC為模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器的規(guī)則庫(kù)。2.4基于anfs系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制仿真計(jì)算機(jī)仿真分析對(duì)各種振動(dòng)控制提供了有效的研究手段,振動(dòng)控制的仿真計(jì)算主要難點(diǎn)在于非線性結(jié)構(gòu)的動(dòng)力反應(yīng)分析。本文利用MATLAB提供的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真工具SIMULINK技術(shù),構(gòu)建基于ANFS系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制仿真程序如圖3所示。圖3(a)為ANFS系統(tǒng)控制的仿真實(shí)現(xiàn),圖3(b)求解式(4)的狀態(tài)方程。A,B,C分別為狀態(tài)方程中的A,B,C;kzl1為作動(dòng)器輸出控制力所乘的系數(shù)矩陣;jsd1為采集結(jié)構(gòu)加速度所乘的系數(shù)矩陣,wy1為采集結(jié)構(gòu)位移所乘的系數(shù)矩陣。2.5尼器參數(shù)的調(diào)節(jié)為了使MR阻尼器半主動(dòng)控制效果盡量接近模糊主動(dòng)控制的效果,同時(shí)又保證MR阻尼器更多地耗能,本文對(duì)MR阻尼器參數(shù)的調(diào)節(jié)采用的半主動(dòng)控制策略如下:Fd(t)={Fmin,|u|≤|Fmin||u|,sng(Fmax)?|Fmin|≤|u|≤|Fmax|Fmax?|Fmax|≤|u|其中,Fmin和Fmax為剪切屈服應(yīng)力分別對(duì)應(yīng)于τymin和τymax時(shí)MR阻尼器的庫(kù)侖阻尼力的幅值;u為模糊主動(dòng)控制的主動(dòng)控制力。3樓層結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)本文采用一個(gè)六層框架作為計(jì)算對(duì)象,結(jié)構(gòu)的參數(shù)如表1所示?；A(chǔ)隔震層采用疊層橡膠隔震墊,其阻尼比ξd=0.2,隔震層質(zhì)量mb=2.5×105kg,采用雙線性恢復(fù)力描述橡膠隔震墊的彈塑性特性,水平初始剛度Kb1=8.5×106N/m,屈服后水平剛度Kb2=5.1×106N/m,屈服位移δy=0.026m。本文選用地震波為結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)常用的ELCENTRO波,該地震波最大加速度為341.7gal,時(shí)程反應(yīng)持續(xù)時(shí)間為20s,時(shí)間間隔0.02s。為了比較,本文計(jì)算了原結(jié)構(gòu)、橡膠基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)、MR基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)在地震作用下動(dòng)力反應(yīng)。各種結(jié)構(gòu)各樓層的峰值位移如表2所示。圖4為無(wú)控結(jié)構(gòu)和MR基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)頂層加速度和層間位移時(shí)程,圖5為各樓層的峰值加速度和峰值層間側(cè)移角沿樓層的分布圖。由表2可知:(1)被動(dòng)橡膠基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)頂層峰值位移比無(wú)控結(jié)構(gòu)減小39.89%,卻放大底部樓層位移,而且隔震層位移較大。(2)MR基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)頂層峰值位移比無(wú)控結(jié)構(gòu)減小了60.22%,比被動(dòng)橡膠基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)減小了33.83%,底部樓層位移比被動(dòng)橡膠基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)的位移還小,而且隔震層位移也相對(duì)較小,從而更好地保護(hù)了隔震系統(tǒng),使其免遭過(guò)度變形和破壞。從圖4可以看出,所有樓層的峰值層間變形都得到明顯的減小,MR基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)峰值層間變形減小最顯著,其次是橡膠基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)。同樣,除個(gè)別工況的個(gè)別樓層的加速度稍有所增大,其余樓層的峰值加速度也得到明顯的減小,MR基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)峰值加速度減小最顯著,其次是橡膠基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)。4結(jié)構(gòu)體系的制震效果(1)基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)設(shè)置了MR阻尼器后,使基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)動(dòng)力反應(yīng)進(jìn)一步減小,使隔震層位移控制在允許的范圍內(nèi),從而更好地保護(hù)了隔震系統(tǒng),使其免遭過(guò)度變形和破壞。MR基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)和橡膠基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)比無(wú)控結(jié)構(gòu)各樓層峰值加速度和峰值層間變形都明顯地減小,其中MR基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)減小最顯著,其次是橡膠基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)。所以,MR基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)制震效果優(yōu)于被動(dòng)橡膠基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)的減震控制效果。(2)使用基于自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模糊推理系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制的方法是有效的。AN