磁流變阻尼器對隔震結構的半主動控制

蔡曉虹

摘 要：針對被動的基礎隔震系統不能保證在任何地震作用下都是有效的。本文提出了半主動控制系統與被動的基礎隔離系統相結合的智能基礎隔離系統，編制了相應的Matlab程序，利用這一程序本文對一個八層結構進行了仿真分析，結果表明本文所提出的智能基礎隔離控制系統比原來的被動基礎隔離控制系統具有更好的控制性能。

關鍵詞：結構隔震

semi-active control for base-isolation structure with MR damper

Cai Xiao-hong

Abstract：the base-isolation system is studied， and the author finds that the validity of the base isolation system depends upon the dynamic characteristics of the earthquake ground motion， so a new system that can be effective for a wide range of ground excitation is necessary. Hybrid control strategies， consisting of the passive isolation system and semi-active control， is proposed in this paper. The author complied a relevant program with Matlab language， simulation analysis of a eighth-story structure is made. The results of study are shown that the performance of smart isolation system is better than the passive isolation system in terms of achieving the good reduction in base drifts.

1.引言

結構隔震已被工程界廣泛接受和使用。結構隔震就是在結構和基礎之間加一有適當阻尼的隔離層，把上部結構和基礎隔離開來，以隔離地震能量向上部結構的傳輸，達到對上部結構的位移和加速度的控制。結構隔震的主要原理是在延長結構的周期的同時，并給予結構適當的阻尼，這樣使結構的加速度反應大大減小，同時，結構的位移主要由結構物底部與基礎之間的隔震裝置提供，而不是由結構自身的相對位移承擔，結構在地震過程中上部結構的層間位移相對位移很小，僅像剛體那樣作輕微的平動，從而保障了上部結構的安全性。

然而，近年來的幾次規模較大的地震災害表明，傳統的被動基礎隔離不能保證在任何地震作用下都有良好的控制效果。例如，傳統的基礎隔離結構在遠場地面運動作用下有良好的控制效果，但在近場地面運動作用下反而會增大的結構的響應而導致結構破壞[1-3]。如1994年的美國 Northridge地震和1995年的日本Kobe的地震，相當多已建成的隔震結構都有不同程度的破壞。因此，發展一種可以保證基礎隔震結構在近場地震作用下的有效性的控制系統是非常重要的。

針對上述的問題，許多研究者提出組合基礎隔離系統，并對此作了大量的研究，但主要的研究集中在采用主動控制和被動基礎隔離的組合[4， 5]，然而主動控制雖對各種地震作用都有很好的控制效果，但由于它需要很大的外部能量，很難在實際工程中得到廣泛的應用。本文提出應用半主動控制和基礎隔離的組合控制系統來提高結構的性能，半主動控制裝置采用磁流變阻尼器。磁流變阻尼器的工作原理和阻尼力可參見文獻[6]。

2.基礎隔震結構控制的狀態方程

隔震結構承受兩個方向的地震作用時，假定上部結構是線彈性系統。上部結構的方程為：

此時的n是上部結構總層數的三倍，M、C、K、X和 分別為質量、阻尼、剛度矩陣和位移、地震加速度向量，R是地震影響系數矩陣， 是基礎相對于地面的加速度向量。

對于基礎層它受到了四種外力：（1）隔離層的合力；（2）磁流變阻尼器的合力；（3）上部結構引起的剪力；（4）地面運動的慣性力。基礎層方程可表示為：

式中， 是剛性基礎的對角質量矩陣； 是隔離層的和阻尼矩陣； 是隔離層的和剛度矩陣； 是磁流變阻尼器的阻尼力； 仍為地面運動的加速度； 為基礎相對與地面的加速度； 和 為基礎的位移和速度反應的列向量。

因此組合上兩式可得到此基礎隔離的狀態方程：

3.分析程序

通過上述的分析，作者以Matlab和Simulink為平臺，編寫了相關的計算機程序，程序中無控結構的Simulink塊和受控結構的Simulink塊的示意圖如圖1和圖2所示。上部結構模型采用層間剪切模型，結構的質量認為集中在樓面或屋面上，假定上部結構處于線彈性狀態，時間步長為0.005s。

4.算例分析

本節將結合一個八層的框架結構。應用本文提出的智能基礎隔震系統對其進行控制仿真分析，比較智能基礎隔離系統與傳統的基礎隔離系統的控制性能。

4.1結構的參數和模型

本文采用一八層基礎隔震建筑[7]，是模擬美國南加州大學一座基礎隔離的八層醫院建筑，建筑物長82.4m，寬54.3m。結構一到六層的平面是L型，七層和八層的平面是矩形。上部結構的支柱位于建筑物的周邊，基礎和地面之間用一隔離層。被動的基礎隔離裝置采用31個低阻尼的橡膠墊和61個鉛芯橡膠墊，前一種元件可以看作是線彈性元件，后一種元件為雙線性元件，具體的分析可參見文獻[8]。本文在文獻[7]的結構基礎上，在建筑物基礎中心和周邊共加有12個磁流變阻尼器，以比較智能基礎隔震和被動基礎隔震的性能。結構的精確模型是復雜的，在此將其簡化為兩部分：（1）八層上部結構；（2）基礎、隔離軸承和磁流變阻尼器。上部結構每層的質量中心有三個主自由度，即有24個自由度。基礎部分有以其質量為中心的三個自由度。總結構有27個自由度。基礎板和樓板都假設剛度無限大。上部結構的阻尼比定為5%。結構的總重是202000kN。上部結構和基礎的質量如表1所示。endprint

4.2地震波的選取

本算例主要是驗證智能基礎隔震系統在近場地震作用下的控制效果，選取以下的7種近場地震記錄：1979年的EL-centro波、1995年日本Kobe地震波、Erzincan地震波、1994年美國Northridge的Newhall站、Sylamar站和Rinaldi站記錄的地震波、jiji地震波。

5.分析結果

被動控制主要是由于隔離層的位移過大而導致結構的破壞，本文從位移、剪力等方面的最大值給出基礎隔離系統的評估標準。在本節的討論中，無控結構是指基礎隔離系統中不包含磁流變阻尼器的被動基礎隔離系統。

經程序計算分析后，7種地震波作用下兩種控制方法的的結構樓層的峰值位移、峰值層間位移、峰值加速度和峰值基底剪力的比較圖如圖3、圖4所示。

圖3和圖4中，橫坐標中1代表EL-centro地震波，2代表Kobe地震波，3代表Erzinkan地震波，4代表Newhall地震波，5代表Sylmar地震波，6代表Rinaldi地震波，7代表jiji地震波。

從分析結構可以看出，智能基礎隔離系統對隔離層的位移有很好的控制，并且不以增大基礎的剪力和樓層的加速度為代價。因此，在原基礎隔離系統中加入半主動控制裝置而形成的組合智能基礎隔離系統具有有更好的性能。

6.小結

本文結合半主動控制的特點，針對目前基礎隔震建筑在近場地震波作用下也有可能破壞的現象，提出了半主動控制與基礎隔震系統的混合控制系統。對一個采用基礎隔震的八層框架結構在七種近場地震波作用下的性能進行了仿真分析，并比較了所提出的混合控制系統和采用低阻尼橡膠墊和鉛芯橡膠墊的被動控制系統的控制性能，以驗證本文所提出的智能混合基礎隔震系統比原來的組合被動控制系統有更好的控制性能，并且不以增大基礎的剪力和樓層的加速度為代價。

參考文獻

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【文章編號】1006-2688（2017）10-0023-04endprint