淺談半主動控制在建筑結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

孫健 張佳

摘 要：地震是一種具有破壞性的自然現(xiàn)象，全球每年大約會發(fā)生500萬多次地震，其中，絕大多數(shù)地震是微小地震，我們?nèi)祟愐话闶歉杏X不到的。地震給人類帶來了難以估量的損失，但人類在技術(shù)上仍不能準(zhǔn)確地預(yù)測地震和控制地震的發(fā)生，因此如何減少地震帶來的破壞成為我們高度關(guān)注的問題。傳統(tǒng)的減震方法主要是通過結(jié)構(gòu)本身來抵御外界荷載的，如加大構(gòu)件的截面尺寸、提高材料的強度等級、增加結(jié)構(gòu)的上部阻尼或者在基礎(chǔ)設(shè)置橡膠支座等措施以達到增強建筑結(jié)構(gòu)體系抗震動力特性的目的，這會導(dǎo)致成本大大提高，是被動消極的結(jié)構(gòu)對策，違反了建筑結(jié)構(gòu)經(jīng)濟性和安全性的要求，而且在大震作用下，其抗震性能往往不太理想。因此，在建筑物中考慮結(jié)構(gòu)減震控制是對建筑結(jié)構(gòu)發(fā)展的必然要求。本文對半主動控制裝置中的磁流變阻尼器進行了分析研究，并提供了磁流變阻尼器應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)中的模擬方案。

關(guān)鍵詞：半主動控制；地震；磁流變阻尼；結(jié)構(gòu)振動控制

1 結(jié)構(gòu)振動控制

結(jié)構(gòu)控制是通過在結(jié)構(gòu)上施加子系統(tǒng)或耗能隔振裝置來抵御外界動荷載以減輕結(jié)構(gòu)在地震作用下的反應(yīng)，工程結(jié)構(gòu)振動控制根據(jù)是否需要外界能量的輸入劃分為：被動控制（無外界能源的輸入）、主動控制（有外界能源的輸入）、半主動控制和混合控制（有部分能源的輸入）。

（1）被動控制是一種不需要外界能源輸入的結(jié)構(gòu)控制技術(shù)，通常是指在建筑結(jié)構(gòu)的某個部位附加一個子系統(tǒng)，或在建筑結(jié)構(gòu)本身的某些構(gòu)件上做構(gòu)造上的處理以達到增強建筑結(jié)構(gòu)體系抗震動力特性的目的。采用被動控制的結(jié)構(gòu)體系其優(yōu)點是構(gòu)造簡單，應(yīng)用型強，但是建筑結(jié)構(gòu)體系對復(fù)雜環(huán)境變化的適應(yīng)力和控制力相對較弱。

（2）主動控制是一種需要外界能源輸入的結(jié)構(gòu)控制技術(shù)，建筑結(jié)構(gòu)在受到外界激勵時，是通過施加與振動方向相反的控制力來實現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)控制，從而快速地降低建筑結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)。結(jié)構(gòu)主動控制的優(yōu)點是控制效果好、適用范圍廣和目標(biāo)選擇靈活。缺點是結(jié)構(gòu)的組成系統(tǒng)非常復(fù)雜，而且耗能大，其費用也遠遠高于其他的結(jié)構(gòu)控制方式。

（3）結(jié)構(gòu)半主動控制的原理同結(jié)構(gòu)主動控制的原理大致相同，即實施控制力的作動器需要提供少量的能量調(diào)節(jié)，這樣可以主動并巧妙地利用結(jié)構(gòu)振動控制的反復(fù)變形或相對速度，盡可能地實現(xiàn)主動最優(yōu)控制力。半主動控制的優(yōu)點是：它比主動控制更容易實施、更經(jīng)濟，由于其控制效果與主動控制相近，故有較大的研究與應(yīng)用開發(fā)價值，因此選用半主動控制進行研究比較合適。

半主動控制有多種裝置，其中磁流變阻尼器是應(yīng)用最為廣泛的一種，與其他半主動控制裝置相比較，磁流變阻尼器具有響應(yīng)快、機構(gòu)簡單、動態(tài)范圍大、阻尼力連續(xù)、可逆可調(diào)的優(yōu)點，而且其耐久性良好，同時又能與計算機結(jié)合控制，具有良好的減振效果。

2 磁流變阻尼器半主動控制研究

磁流變液在磁場的強度的作用下由自由流動或粘性流動的液體在毫秒級的時間范圍內(nèi)轉(zhuǎn)變?yōu)榘牍腆w，這是磁流變液最重要的特性，這種變化是連續(xù)的、可逆的，具有屈服強度高而且粘性相近、性能更穩(wěn)定的優(yōu)點。

2.1 國內(nèi)外對磁流變阻尼器半主動控制研究

2002年隋莉莉、歐進萍提出了四種半主動控制算法，在一個三層剪切型建筑結(jié)構(gòu)上安裝了MR減振驅(qū)動器，并進行了仿真模擬，分析和對比了各種半主動控制算法和被動控制算法的控制效果。經(jīng)分析表明，MR減振驅(qū)動器可以有效地控制結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)。

2003年U.Aldemir對磁流變阻尼器的最優(yōu)控制減振性能進行了研究，U.Aldemir將磁流變阻尼器應(yīng)用于單自由度體系，同時在該體系上施加多種形式的動力荷載。磁流變阻尼器的減振效果要比傳統(tǒng)的被動TMD減振效果好。

2004年Yoshioda等利用MRD采用了改進的Clipped-optimal控制算法對一座20層的結(jié)構(gòu)進行了半主動控制分析。經(jīng)計算發(fā)現(xiàn)，采用MRD半主動控制效果與主動控制效果相當(dāng)，甚至比主動控制效果還要好，而且半主動控制消耗的能量非常少。

2006年周云、吳志遠、鄧雪松，優(yōu)化了磁流變阻尼器半主動控制系統(tǒng)，通過選擇合適的控制算法和控制律，進一步優(yōu)化了控制系統(tǒng)。

2011年G.C.Kim.和J.W.Kang.分析了磁流變阻尼器在相鄰建筑結(jié)構(gòu)地震動力反應(yīng)控制中的應(yīng)用。經(jīng)分析表明，在相鄰結(jié)構(gòu)中應(yīng)用磁流變阻尼器的減振控制是很有效的。

2.2 計算研究應(yīng)用-最優(yōu)Bang-Bang磁流變阻尼控制算法

磁流變阻尼器具有反應(yīng)迅捷，動力調(diào)諧連續(xù)和過程可逆的優(yōu)點，所以目前備受關(guān)注。但是與傳統(tǒng)的粘性變阻尼控制相比，這種半主動智能控制裝置同樣具有類似的問題，與被動控制效果相比較，半主動控制方案并未能進一步改善控制效果，故一般運用最優(yōu)Bang-Bang的控制算法或?qū)ζ渥鱿鄳?yīng)的修改。

=+（u<0）

=+（u0）

3 設(shè)計思路

被動控制系統(tǒng)和主動控制系統(tǒng)各自的優(yōu)點被半主動控制綜合利用，所以半自動控制既有被動控制系統(tǒng)可靠性的優(yōu)勢，又有主動控制系統(tǒng)適應(yīng)性強的特點，而且根據(jù)相應(yīng)的算法控制可以達到主動控制系統(tǒng)更好地控制的效果，并且構(gòu)造較簡單，所需要的能量較小，所以半主動控制將會成為當(dāng)前結(jié)構(gòu)振動控制領(lǐng)域研究的新熱點。

通過了解振動控制理論在土木工程領(lǐng)域的應(yīng)用，分析多自由度建筑結(jié)構(gòu)體系磁流變阻尼器半主動控制的減震效果。根據(jù)研究目標(biāo)，建立20層的多自由度結(jié)構(gòu)體系模型，并根據(jù)龍格-庫塔方法給出算法的求解公式，利用MATLAB軟件編寫程序，通過運動方程進行求解結(jié)構(gòu)體系地震動力反應(yīng)。然后根據(jù)體系地震動力反應(yīng)計算結(jié)果，分析評價多自由度結(jié)構(gòu)體系在磁流變阻尼器半主動控制系統(tǒng)下的減震效果。關(guān)鍵步驟如下：

（1）建立多自由度結(jié)構(gòu)體系磁流變阻尼器半主動控制體系運動方程，根據(jù)龍格-庫塔方法，給出控制算法的求解過程，利用MATLAB軟件編寫求解軟件。

（2）對不同的半主動控制算法（控制力計算方法及施加方法）分別計算處地震動力反應(yīng)，比較減震效果，提出修正的半主動控制算法。

（3）根據(jù)地震動力反應(yīng)分析結(jié)果確定最佳的磁流變阻尼器半主動控制算法。

（4）利用MATLAB語言編制求解軟件。求出各樓層的層間位移、樓層位移、樓層速度以及樓層加速度，評價控制方案與算法的減震效果。

（5）計算結(jié)果分析，磁流變阻尼器半主動控制減震研究與AMD控制進行對比（層間位移，樓層位移，樓層速度，樓層加速度）。

根據(jù)已建成的采用多自由度結(jié)構(gòu)體系變阻尼半主動控制的結(jié)構(gòu)特點，結(jié)合實際的工程項目，進行歸納總結(jié)多自由度結(jié)構(gòu)體系變阻尼半主動控制體系減震效果，為研究進一步研究半主動控制系統(tǒng)的實用性提供了有力的理論依據(jù)。磁流變阻尼器結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)快、動態(tài)范圍大，即使控制系統(tǒng)發(fā)生了故障其仍然可以起到被動控制的作用，所以半主動控制具有很強的可靠性，綜上，磁流變阻尼器是當(dāng)前結(jié)構(gòu)減振控制中最為有效的半主動控制裝置。

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