余克興

（朔黃鐵路發(fā)展有限責(zé)任公司,河北 滄州 062350）

0 引言

近年來,人們對應(yīng)用控制方案降低地震和強(qiáng)風(fēng)對土木工程結(jié)構(gòu)存在的損害方面的問題十分重視。結(jié)構(gòu)控制分析大多分成振動控制裝置、控制算法。截止當(dāng)下,已有大量減震控制裝置獲得認(rèn)可?？刂扑惴ǖ氖褂么龠M(jìn)控制技術(shù)進(jìn)一步優(yōu)化,讓建筑結(jié)構(gòu)抗震控制從非主動控制變成非被動控制、混合控制與半主動控制。

按照非主動控制與非自動控制的特征,相關(guān)研究人員陸續(xù)設(shè)計(jì)了可調(diào)摩擦阻尼器、能夠調(diào)節(jié)的調(diào)諧阻尼器與能夠控制的液體阻尼器等智能阻尼器,把它使用在控制結(jié)構(gòu)里,構(gòu)架半主動控制系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)非被動控制。半主動控制穩(wěn)定性較高,損耗小,且反應(yīng)效率高。所以,半主動控制具有較好的使用前景。

現(xiàn)在對帶裙房高層建筑結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)有關(guān)的資料已不在少數(shù),但對耦聯(lián)雙塔樓地震反應(yīng)非被動控制與半主動控制相關(guān)的研究資料極少。文獻(xiàn)[1]提出磁流變阻尼器的半主動控制及實(shí)時(shí)混合模擬試驗(yàn)研究方法,該方法減震效果顯著,但是僅適用于框架結(jié)構(gòu)建筑；文獻(xiàn)[2]圍繞磁流變阻尼器的半主動控制算法設(shè)計(jì)與仿真這一問題進(jìn)行研究,該方法的控制過程較為繁瑣,應(yīng)用效率較低；文獻(xiàn)[3]提出半主動電渦流單擺式調(diào)諧質(zhì)量阻尼器減震性能研究方法,該方法具有較好的減震效果。本文提出基于調(diào)質(zhì)阻尼器的帶裙房高層建筑地震反應(yīng)半主動控制方法,對帶裙房高層建筑地震反應(yīng)半主動控制這一問題進(jìn)行深入探討[4]。

1 帶裙房高層建筑地震反應(yīng)半主動控制方法

1.1 ER/MR智能桿件的力學(xué)模型

ER/MR智能桿件包含ER/MR調(diào)質(zhì)阻尼器與結(jié)構(gòu)桿件[5]。本文變換ER/MR智能桿件窄縫或旁路里的電/磁水平,便能夠變動窄縫或旁路里ER/MR流變液的屈服剪應(yīng)力,以此設(shè)置阻尼器,目的是控制活塞運(yùn)動的阻尼力大小,以此調(diào)節(jié)阻尼器參數(shù)[6]。

按照以往資料記載,ER/MR調(diào)質(zhì)阻尼器流變液的剪應(yīng)力α與剪切速率β間能夠通過Bingham模型計(jì)算：

其中,粘滯系數(shù)設(shè)成δ0；屈服剪應(yīng)力設(shè)成αy(D),其伴隨電（磁）場強(qiáng)度D的變大而變大,所以,根據(jù)Phillps獲取的Bingham流體基于矩形窄縫里Poseuille流動的方程Eb與變化電/磁場強(qiáng)度優(yōu)化阻尼器的參數(shù)Gb(D)可獲取流動類ER/MR調(diào)質(zhì)阻尼器[7-8]。則：

式中：

針對流動類ER/MR調(diào)質(zhì)阻尼器而言,存在：

針對混合類ER/MR調(diào)質(zhì)阻尼器,存在：

其中：ct描述求導(dǎo)參數(shù)；U表示電阻；H(E)表示阻尼流動系數(shù)；δ0、Bq描述阻尼力；窄縫和旁路長度設(shè)成J；窄縫和旁路/磁極間距、窄縫和旁路的展開寬度依次設(shè)定成t、c；阻尼器活塞和缸體間相對運(yùn)動的機(jī)械摩擦力設(shè)定成Qy。因?yàn)镋R/MR流變液里只有αy(D)能夠伴隨電/磁場強(qiáng)度D實(shí)施調(diào)整,所以通過上述公式能夠了解,ER/MR調(diào)質(zhì)阻尼器里僅存在Gb(D)能夠伴隨電/磁場強(qiáng)度D實(shí)施調(diào)整,Eb固定。

如果將ER/MR智能桿件自身的軸向剛度描述成Fb,則ER/MR智能桿件的力學(xué)模型是：

其中,v描述電壓向量。按照ER/MR智能桿件的力學(xué)模型能夠獲取ER/MR桿件的軸力反應(yīng)：

則ER/MR桿件里阻尼器的滑動位移是：

其中,ER/MR調(diào)質(zhì)阻尼器的滑動位移描述成syggg00；Hj表示阻尼流動系數(shù)；ld描述瞬時(shí)位移長度；dh表示阻尼器滑動位移參數(shù)。使用上述公式,能夠獲取基于ER/MR調(diào)質(zhì)阻尼器的帶裙房高層建筑地震中的瞬時(shí)反應(yīng)[9]。

1.2 帶裙房高層建筑的地震反應(yīng)半主動控制策略

1.2.1 ER/MR調(diào)質(zhì)阻尼器的最佳主動控制位移

如果假定ER/MR調(diào)質(zhì)阻尼器的滑動位移syggg00可完成自主調(diào)整,則能夠通過最佳控制原理得到讓帶裙房的高層建筑地震反應(yīng)隸屬最佳主動控制位移的最小值[10]。因?yàn)閹狗康母邔咏ㄖ嬖谳^大的動力自由水平,但瞬間最佳控制理論能夠計(jì)算對應(yīng)的非低階Riccati方程,所以,瞬時(shí)評估函數(shù)公式：

其中,結(jié)構(gòu)瞬時(shí)反應(yīng)狀態(tài)向量{S}與阻尼器瞬時(shí)主動控制位移syggg00的加權(quán)矩陣依次設(shè)成[P]、[Z]。由此,通過瞬時(shí)最佳控制原理能夠知道,讓評估函數(shù)K存在瞬時(shí)最佳閉環(huán)控制位移[Ω*]的最小值是：

1.2.2 ER/MR智能阻尼器的“開關(guān)-耗能”半主動控制策略

將syggg00設(shè)成ER/MR智能阻尼器的滑動位移向量,非間接調(diào)整它變成{dr}存在一定難度。按照ER/MR智能阻尼器的屬性能夠知道,可以變換電/磁場強(qiáng)度優(yōu)化阻尼器的參數(shù)Gb(D),由此讓ER/MR智能阻尼器的滑動位移syggg00接近于{dr},讓控制的評估函數(shù)變成最小值[11-12]。

本文采用ER/MR智能阻尼器的“開關(guān)-耗能”半主動控制策略,該策略的內(nèi)容為：若阻尼器的滑動位移syggg00往最佳主動控制方向運(yùn)行時(shí)[13],把電/磁場強(qiáng)度設(shè)成0,則把調(diào)質(zhì)阻尼器參數(shù)Gbi變成最低Gmin,讓syggg00快速變成{dr}；若阻尼器的滑動位移syggg00屬于背馳最佳主動控制位移{dr}時(shí),把電/磁場強(qiáng)度變大,則變大Gdi,以此控制syggg00背馳{dr}。ER/MR智能阻尼器的“開關(guān)-耗能”半主動控制策略描述成：

其中G0描述阻尼器最小量,其必須按照采樣時(shí)間步長y、結(jié)構(gòu)與阻尼器的詳細(xì)狀況設(shè)定[14-15]。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

為了測試本文方法有效性,本文設(shè)定實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)為主樓是21層、裙房是6層的剪切類帶裙房高層建筑結(jié)構(gòu)。具體參數(shù)見表1：

表1 實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)設(shè)置Table 1 Experimental target setting

為了測試本文方法對帶裙房高層建筑地震反應(yīng)半主動控制的效果,基于結(jié)構(gòu)的第17層到第21層逐層設(shè)定5種耦合主樓和裙房的調(diào)質(zhì)阻尼器,當(dāng)中各個(gè)智能阻尼器的尺寸見表2：

表2 智能阻尼器設(shè)定Table 2 Intelligent damper settings

調(diào)質(zhì)阻尼器里能夠控制的流體參數(shù)見表3：

表3智能可控流體的具體設(shè)定Table 3 Specific settings of intelligent controllable fluid

2.2 ER/MR智能桿件的設(shè)定對半主動控制效果的干擾

設(shè)定ER/MR智能桿件的布置設(shè)定依次是徑向、環(huán)向。測試兩種ER/MR智能桿件設(shè)定下,徑向主軸中結(jié)構(gòu)桿件的軸力最大值。結(jié)果見圖1：

圖1 ER/MR智能桿件差異設(shè)定下桿件軸力的半主動控制效果對比Fig.1 Comparison of semi-active control effect of member axial force under ER / MR intelligent member difference setting

分析上圖可知,兩個(gè)差異設(shè)定模式下,徑向桿件的軸力最大值均存在降低趨勢。而ER/MR桿件屬于徑向設(shè)定時(shí),ER/MR智能桿件處于的環(huán)中徑向桿件軸力變小程度較大,而近鄰環(huán)中,徑向桿件軸力的降低幅度較低,減震效果好。

圖2是ER/MR智能桿件在差異設(shè)定模式中徑向主軸中結(jié)點(diǎn)的撓度最大值：

圖2 ER/MR智能桿件差異設(shè)定中結(jié)點(diǎn)撓度的半主動控制效果對比Fig.2 Comparison of semi-active control effect of node deflection in ER / MR intelligent member difference setting

分析上圖可知,兩個(gè)設(shè)定模式下,結(jié)點(diǎn)的撓度均存在高程度降低,當(dāng)中徑向設(shè)定時(shí),結(jié)點(diǎn)的撓度縮小程度更大,同時(shí)結(jié)點(diǎn)撓度變小趨勢也十分均衡,但環(huán)向設(shè)定時(shí),ER/MR桿件所處環(huán)中的結(jié)點(diǎn)撓度降低出現(xiàn)異常。

綜上所述,ER/MR智能桿件徑向設(shè)定最為合適,徑向設(shè)定下對帶裙房高層建筑的減震效果較佳,減震效果較為均衡。

2.3 半主動控制和非主動控制效果對比

考慮到ER/MR智能桿件基于開“電/磁場”與停“電/磁場”過程中依次描述兩類差異的非主動控制模式,所以,為了深度測試ER/MR智能桿件的減震性能,本文對比了在ER/MR智能桿件徑向設(shè)定時(shí)非主動-開、非主動-停、不控制三種模式下的控制效果。結(jié)果如圖3、圖4所示：

圖3 差異控制模式下徑向桿件軸力最大值對比結(jié)果Fig.3 Comparison results of the maximum axial force of the radial member under the different control mode

圖4 差異控制模式中徑向結(jié)點(diǎn)撓度最大值對比結(jié)果Fig.4 Comparison results of the maximum deflection of radial nodes in the differential control mode

分析上圖可知,三類控制模式里,本文方法的半主動控制效果最佳,雖然三種控制模式均能夠降低帶裙房高層建筑地震反應(yīng),但本文方法中的控制模式跳躍性較小,穩(wěn)定性較好,不管發(fā)生什么狀況,均可以實(shí)現(xiàn)減震控制。

本文將方法設(shè)定兩個(gè)對比方法,依次是建筑結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的ATMD控制分析方法、高層建筑地震反應(yīng)的混合控制方法。分析三種方法對實(shí)驗(yàn)所設(shè)定的實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)的控制效果,通過滿意率判斷,結(jié)果見圖5：

圖5 三種方法滿意率對比結(jié)果Fig.5 Comparison results of satisfaction rate of three methods

分析圖5可知,三種方法對比之下,本文方法的減震性、實(shí)時(shí)性、可靠性、可操作性、合理性以及有效性的滿意率均高于建筑結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的ATMD控制分析方法、高層建筑地震反應(yīng)的混合控制方法,且本文方法整體滿意率大于0.97。由此可見,本文方法對帶裙房高層建筑地震反應(yīng)半主動控制下,應(yīng)用效果較好,反饋較高。

3 結(jié)論

本文提出一種基于調(diào)質(zhì)阻尼器的帶裙房高層建筑地震反應(yīng)半主動控制方法,得到了下列的結(jié)論：

該方法主要應(yīng)用了ER/MR智能阻尼器,該阻尼器屬于性能十分優(yōu)越的半主動控制設(shè)備。

所提方法操作簡單,不用格外使用能源,使用成本較低,但減震效果極好,應(yīng)用性能優(yōu)于主動控制設(shè)備。

（3）ER/MR桿件屬于徑向設(shè)定時(shí),ER/MR智能桿件處于的環(huán)中徑向桿件軸力變小程度較大,而近鄰環(huán)中,徑向桿件軸力的降低幅度較低,減震效果好。徑向設(shè)定讓結(jié)點(diǎn)的撓度縮小程度更大,同時(shí)結(jié)點(diǎn)撓度的變小也十分均衡,但環(huán)向設(shè)定讓ER/MR桿件所處環(huán)中的結(jié)點(diǎn)撓度降低出現(xiàn)異常。

（4）三類控制模式里,本文方法的半主動控制效果最佳,雖然三種控制模式均能夠降低帶裙房高層建筑地震反應(yīng),但本文方法中的控制模式跳躍性較小,穩(wěn)定性較好。本文方法的減震性、實(shí)時(shí)性、可靠性、可操作性、合理性以及有效性的滿意率均高于對比方法。