（固体力学专业论文）基于智能阻尼的建筑结构控制优化研究.pdf

摘要 地震是，m 重危害人类生命及财产安全的自然灾害之一，在土木工程 中，结构抗震抗风的积极有效措施是对结构进行振动控制。按照控制方式 的不同，结构的振动控制可以分为主动控制、被动控制、半主动控制和混 合控制四种。被动控制通过附加阻尼装置耗散或吸收大部分的地震动能量 以达到减振的目的，由于其控制装置简单，不需要外界能源输入和系统识 别，容易在工程上实现并已得到广泛的应用；目前被应用于结构被动控制 的阻尼器主要有：粘滞型、粘弹型、摩擦型、调谐质量阻尼器( t m d ) 和调谐 液体阻尼器( t l d ) 。根据被控系统的动态特性，采取由外部输入能量的控制 方式使被控系统实现减振，称为振动的主动控制；主动控制与被动控制相 比，虽然在理论上控制效果明显，但由于需要巨大的能源输入，而且稳定 性升i 能保证，目前虽有几例工程实例但仍主要处于试验研究阶段；半主动 控制是不需要外部能源输入直接提供控制力，但控制过程依赖于结构反应 信息的控制方法。与被动控制相比，半主动控制的特点是能随结构动力反 应或外界载荷的变化及时调整控制状态，使控制装置的减振作用更好地发 挥出来，吲而其控制效果更显著；与主动控制相比，半主动控制不需要外 挪h 大能源的保证，也不存在控制失稳问题，因而半主动控制已成为结构 振动控制新的研究方向。 奉义在分析了国内外结构控制研究现状的基础上，着重研究了基于 m r 连续可变阻尼装置在结构半主动控制中的几个问题。首先分析了m r 可 控阻尼机理，及m r 阻尼器的两种力学模型：然后根据最优控制理论中的 一次型问题，提出采用限值拟合连续最优主动控制力的半主动控制策略， 并以此控制方法针对半主动控制的强非线性控制问题，对两种结构模型进 行了仿真计算，并将半主动控制下的结构响应与采用摩擦型阻尼的被动控 制结构及无控结构进行了详细的比较分析，对计算结果提出采用范数指标 进行补充评价的综合评价方法：通过三种控制状态下的仿真计算验证了结 构： 主动控制的有效性与实用性。 【关键词】磁流变阻尼器：结构振动控制：控制优化；半主动控制 a b s t r a c t e a r t h q u a k ei s o n eo ft h es e r i o u sd i s a s t e rt h r e a t e n i n gh u m a nb e i n g sl i f e a n db e l o n g i n g s i nc i v i le n g i n e e r i n g ，t h em o s tp r o g r e s s i v em e a s u r et oa l l e v i a t e t h ea f f e c t i o ni ss t r u c t u r a lc o n t r o ls t r u c t u r a lc o n t r o lc a nb ec l a s s i f i e da sf o l l o w s ： a c t i v ec o n t r o l ，p a s s i v ec o n t r o l ，s e m i a c t i v ec o n t r o la n dh y b r i dc o n t r 0 1 t h ei d e a o f p a s s i v ec o n t r o li st ou t i l i z ea d d i t i o n a lf a c i l i t yw i t h i n as t r u c t u r et od i s s i p a t eo r a b s o r bal a r g ep o r t i o no ft h es e i s m i ce n e r g y , w h i c hh a sb e e na p p l i e dt op r a c t i c a l e n g i n e e r i n ge x t e n s i v e l ys i n c e i t sc o n t r o ld e v i c e s - - d a m p e r sa r ec o n v e n i e n ta n di t d o e sn o tn e e dl a r g ee n e r g ys u p p l ya n dt h es t r u c t u r a ls y s t e mi d e n t i f i c a t i o n n o w t h em a i nd e v i c e sw h i c hh a v eb e e nd e v e l o p e di nt h ep a s s i v ec o n t r o lm a yb e g r o u p e di n t ot h ef o l l o w i n gt y p e s ：v i s c o u s ，v i s c o - e l a s t i c ，m e t a l l i ca n df r i c t i o n a l ， a n dt u n e dm a s sd a m p e r ( t m d ) a n dt u n e dl i q u i dd a m p e r ( t l d ) c o m p a r i n gw i t h p a s s i v ec o n t r o l ，a c t i v ec o n t r o li sm o r ec o m p l i c a t e da n di tn e e dl a r g ea m o u n to f e n e r g y , a l t h o u g hi t sp e r f o r m a n c ei sb e r e rt h a no t h e rc o n t r o lm e t h o d si nt h e o r y s e m i a c t i v ec o n t r o li san e wc o n t r o lm e t h o dt h a ti t sc o n t r o lr e l yo nt h es t r u c t u r a l r e s p o n s e so re x t e r n a ld i s t u r b a n c e s ，a n di t sc o n t r o ld e v i c e sc a nc h a n g ew o r k i n g s t a t u st oa d a p tt h ev a r yl o a d sc o m p a r i n gw i t hp a s s i v ec o n t r 0 1 a n di t d o e sn o t n e e dt h el a r g ea m o u n to fe x t e r n a le n e r g y s u p p l y n o w t h es e m i a c t i v es t r u c t u r a l c o n t r o lb e c o m e st h em o s t p r o m i s i n g c o n t r o lm e t h o d a f t e ra n a l y z i n gs t a t e o f - t h e a r to fa c t i v ea n ds e m i a c t i v es t r u c t u r a lc o n t r o l i nt h ew o r l d ，t h ed i s s e r t a t i o nf o c u so ns e m i a c t i v es t r u c t u r a lc o n t r o lb a s e d o nt h e m a g n e t o r h e o l o g i c a ld a m p e r s a n das e m i - a c t i v ec o n t r o lm e t h o di sp u tf o r w a r d ， w h i c hi sb a s e do nl q ( 1 i n e a r q u a d r a t i c ) o p t i m u mc o n t r o lt h e o r y , a n di m i t a t e st h e o p t i m u ma c t i v e c o n t r o lf o r c ew i t hb o u n dv a l u et oc o n t r o lt h es t r u c t u r a lr e s p o n s e t h e nt w o s t r u c t u r a l m o d e l s s i m u l a t i o ni sc o n d u c t e dt o c o m p a r e t h e e f f e c t i v e n e s sa n du s e f u l n e s so ft h es e m i a c t i v ec o n t r o lw i t h t h ep a s s i v ec o n t r 0 1 a n d p r e s e n tt h en o r m e dc r i t e r i at oa n a l y s i st h er e s u l t s k e y w o r d s m rd a m p e r , s t r u c t u r a lv i b r a t i o n c o n t r o l ，c o n t r o lo p t i m i z a t i o n s e m i - a c t i v ec o n t r 0 1 状态矩阵： 控制力位置矩阵； 阻尼矩阵： 符号表 电流变； 性能指标：评价指标； 刚度矩阵：反馈增益： 质量矩阵； 磁流变； r i c c a t i 方程的根： 能谱密度： 流量；权矩阵： 权矩阵： 符号函数： 拟速度潜反应： 周期；特征矢量矩阵： 调谐质量阻尼器： 调谐液体阻尼器： 控制力向量： 底部剪力： 重量： x 戈 宕 y a g k t j 。( ，) m 8 r r v ，ro f p 占 f f 户 位移反应向量； 速度反应向量； 加速度反应向量： 状态向量； 加速度： 重力加速度： 系数；刚度系数； 时间变量： 地震动加速度值； 振型矩阵； 谱放大系数：系数： 粘度系数； 圆频率； 屈服剪应力： 阻尼比： 密度； 变分：增量： 时间增量 剪应力； 剪应变率 a b c 腿，k m般p眦q r 莎孓t m u v w 竺! 丝兰一苎! 塑堂坐丝塑些塑竺! 竺芝型堕丝旦皇l 一 l - 1 引言 1 绪论 地震是地球h 的一种自然现象，它与地球本身的构造，尤其是它的表 面结构密切相关。地震发生时及发生后，将引起各种宏观现象- 包括人的 感觉，人工结构物的损坏，物体反应和自然界状态的变化等。其中人工结 构物的损坏，是最值得研究的宏观现象之一。通过对它的研究，防止或减 少地震所产生的破坏和人民生命财产的损失，而且可以总结经验，为制定 改进设计规范提供依据。中国最早的有文字可考的地震灾害记载，可追溯 到4 5 0 多年以前。关于地震的直接记载，一般认为开始于公元前1 8 3 1 年发 生的泰山地震。从5 0 年代开始，地震部门已将我国的地震资料编目成册。 自1 9 7 6 年发生唐山大地震，给人民生命财产带来巨大损失以来，工程结构 的抗震理论及试验研究受到了各部门的广泛重视，取得了一系列的研究和 应片j 成果。 类似r 地震和风这种自然现象，对于土木工程结构而言，是种特殊 的外界动力荷载：而且还具有十分丰富、更确切地说是变幻莫测的特性。 我凼位】j 欧业板快的东南端，东面的太平洋板快和南面的印度洋板快 闸时挤向我国，地球上活动最频繁的环太平洋地震带穿过我国的版图，这 决定了我国处于一地震多发地区；不仅如此，我国还是一个风灾严重的国 家。近一t 年来，随着经济的发展，在城镇中兴建了大羹的高层建筑，对 高层建筑和高耸结构而言，水平荷载是主要的荷载之一，而且往往起者控 制作用。这罩的水平荷载主要指的就是风荷载和地震荷载，这两种荷载都 属于动力荷载。随着高层建筑和高耸结构高度和高宽比的增大以及轻质高 强材料的运用，其刚度和阻尼不断降低，在强风和强烈地震作用下，结构 的动力反应剧烈，很难满足人们对结构安全性和舒适性的要求。按照传统 的抗震和抗风设计方法，通过提高结构自身的强度和刚度来抵御地震和风 载的作用，很不经济，也未必安全，因为人们目前尚不能准确地估计结构 未来口j + 能遭遇的地震和风等灾难动荷载的特性和幅值。 为了克服传统的结构抗震抗风对策的不足与缺点，近几十年来人们发 艘了新的结构抗震抗风对策即“结构控制方法”。结构控制是在结构上设置 坝i 沧义 牡j 。智能m 尼的建筑结构粹制优化咒 附：c | | 的控制系统，由控制体系与结构共同抵御地震和风等动荷载的作用， 使结构的动力响应减小以满足人们对生命安全和舒适性的要求。自从7 0 年 代初美国学者j ，y a o 提出结构控制的概念后，世界各国的学者对这一 新兴科学领域产f r 了极大的兴趣，并在结构控制理论的研究、结构模型实 验以及工程应用等方面取得了丰富的研究成果。 1 2 结构控制技术概述 传统的抗震设计方法从概率思想出发使结构在强度和变形两方面满 足“三水准”的设防要求。即结构在遭遇频度较高、强度较低的多遇地震 时，一般不损坏也不需修理，结构在弹性阶段工作，用弹性反应谱求得地 震作用，按照强度要求进行截面设计：当遭遇设防烈度的地震时，允许结 构部分达到或超过屈服极限，或者结构的部分构件发生开裂，结构通过塑 性变形耗散部分地震能量，结构的变形和破坏程度在可以修复的范围之内； “1 结构遭遇到高于没防烈度的罕遇的强烈地震时，不至于发生倒塌或危及 生命安全的，”重破坏，从抗震措施上主要是通过提高结构的延性，使结构 的塑性变形不超过其容许的变形极限。概而言之，传统的抗震思想从结构 自身出发主要依靠结构构件屈服后的延性来抵御地震荷载。而结构控制 思想则是通过附加控制体系与结构的共同作用，隔离、吸收和耗散大部分 的地震能景束抵御地震作用。 通常，可将结构控制体系分为主动控制、被动控制、半主动控制和混合 控制四大类。主动控制在理论上效果明显，但是控制机构复杂，对土木工 程结构而言它需要巨大的外部能源来驱动控制机构，而且整个体系的稳定 性低：被动控制体系构造简单，而且无需外部能源输入，在工程领域已得 到了大量的运用；但是像地震动、风这类动荷载具有很强的随机性，被动 控制系统l 足红= f ：r 限的带宽上是有效的。于是研究人员结合主动和被动控 制的优越性提出了半主动控制概念。半主动控制的基本思想是实施结构参 数的修改，更确切地说是结构参数的在线调节( r e a l t i m e s t r u c t u r a lp a r a m e tm o d i f i c a t i o n ) 。 结构控制是门交叉学科，涉及振动理论、控制理论、结构设计、材 料科学等多门学科。要想对结构反应进行有效的控制，首先就必须对结构 系统和结构参数进行识别：然后决定采用何种控制策略，运用何种控制设 施对结构施加控制。这其中还包含设计者对工程整体的把握以及经济等因 素的考虑。 帧j 玲_ ) 己，南十智能阻尼的锉筑结掏柠制优 墨! 塑羔 1 2 1 被动控制系统 1 2 1 1 基础隔震 隔震是隔离地震动的简称。地震动通过隔震装置传递到上部结构，隔 震装置起到减弱或改变上部结构动力响应的作用。如图1 1 所示。隔震技术 是结构控制中应用最广泛的一种减震技术。根据目前可查到的文献记载， 基础隔震概念最早是山f 1 本学者河谷浩减于1 8 8 1 年提出的，其做法是先在 地基上横竖错放几层圆木，圜木上做混凝土基础，然后在此基础上建造房 屋。虽然当时的隔震概念已经比较清楚，但限于当时的理论和技术水平， 基础隔震技术应用的可能性和优越性未能充分发挥出来。近二、三十年来， 随着大量强震记录的积累，结构非弹性动力分析方法的趋于成熟，特别是 实用隔震元件的开发取得重大进展，基础隔震技术已经从理论探索、试验 研究阶段发展到了推广使用的阶段。六十年代未，新西兰、日本、美国等 多地震国家对隔震技术投入大量的人力物力，丌展了深入系统的研究，取 得了卓有成效的成果。七十年代初，新西兰的科研技术人员开发了可靠、 经济实用的隔震元件一铅芯叠层橡胶支座，大大推动了隔震技术的实用化 进程。国内从八十年代以来，周锡元、周福霖、唐家祥等一批学者对隔震 技术进行了人量的研究和推广应用工作，并建成了一系列不同隔震体系的 建筑物，其中汕头市i i j 物馆是目前国内采用隔震技术的最高公共建筑，共 卜二层，4 2 米高，建筑面积1 8 0 0 0 吖。 1 2 1 2 被动阻尼减振 i 芏| i i 碥震结构1 ：意幽 塑1 ：丝兰兰塑丝坠丝竺些垫竺塑丝型垡垡业! ! 现代 ：程结构多属r 复杂的多自由度体系，在风浪、地震等环境中 结构要承受的是宽频带的随机激励，很难用简单的方法进行减振，也没有 统一的减振模式，需要根据具体对象的动力特性和激励条件进行具体分析， j 能进行正确的减振设计。众所周知，复杂结构的模态响应与模态阻尼成 反比因而增大阻尼可以抑制振动，可惜常用的工程材料在设计应力水平 f 的阻尼比都很小，故发展了附加耗能器的被动阻尼减振技术。近三十年 来，研究和应用于土木工程结构中的耗能阻尼器主要有粘滞、粘弹、余属 脬服和摩擦型四类。其中前两类阻尼器的特性与速度有关，称为速度相关 型，后两类阻尼器的恢复力具有滞变特性，称为滞变型。目前国内外已有 许多的被动阻尼减振装置安装在结构工程中，作为提高新建工程抗震能力 或已有结构抗震加固的措施。1 9 8 5 年在美国洛衫矶的两幢公寓中安装了带 螺旋状软钢弹簧和粘滞流体阻尼器的隔震装置；在意大利，有一座l 公里 长的大桥，重约2 5 0 0 0 吨，在每一个桥墩上安装了粘性硅脂阻尼器，每个 阻尼器长2 m ，重2 吨，具有5 0a n 的冲程，并可抵抗5 0 0 吨的力同时耗散 2 0 0 0 k j 的能量；1 9 9 4 年，r 本静冈市的一座高7 8 。6 m 的1 4 层办公楼安装 了粘性阻尼墙；以及在9 1 1 事件中被撞倒的纽约世界贸易中心。其顶楼上 安装了1 力只粘弹性阻尼器：目前将粘性流体阻尼器和粘性阻尼墙应用于 钢筋混凝：l 结构尚处于研究阶段有许多试验研究表明，安装阻尼器能减 小结构的非弹性变形，起到减小结构损坏的目的。许多国家也已经制定或 i r 在制定结构被动耗能减振的设计规范或设计指南。 ( 1 ) 速度相关型阻尼器的力与位移和速度的关系一般可表示为： f ，= 臼文+ 心x ( 1 1 ) 式中勺和k 。，分别是i ! u ) e 器的阻尼系数和刚度；x 和文分别是阻尼器的相对 位移和相刈速度。 对于粘滞型阻尼器，q = c 即阻尼器的粘滞阻尼系数，k 。= 0 。粘滞 型阻尼器的阻尼系数c ，由阻尼器产品型号给定或试验确定。目前粘滞型阻 尼器已丌发研制出了粘滞阻尼墙和粘滞流体阻尼器等工程装! 霹! 。通常。粘 滞流体阻尼器通过活塞或可移动板在充满硅树脂或其他复合油液的腔室内 的运动来消耗动能；在很宽的频带上，阻尼器均表现出粘性流体的特性。 粘弹性阻尼器通常采用央层固体粘弹性材料的往复剪切变形来耗散能 量。对 二这类粘弹性阻尼器，t ，= c 。( 印) ，l = t 。( ) ，且 c 。( 刚= 业掣，。( ) ：g c a _ o a ( 1 2 ) c w d 式中爿和j 分别是粘弹性材料的受剪面积和厚度：是结构振动的频 ；笨，列r 多自i “度结构通常取结构弹性振动的基频；叩( 国) 和g ( c o ) 分别是粘 竺! 堡兰 苎塑丝坐里堕些垫竺丝丝型塑蔓型丛壅一 卅陀利利的坝牦_ ；f 剪切模戢， 般_ 频率和温度有关，由实际出产的 耗，弹：材料特性n n 线决定。 ( 2 ) 滞变犁阻尼器的力与变形的关系一般可用折线型或光滑曲线滞变 恢复力模型表示。当阻尼器与支撑结构串联使用时，阻尼器剐度应考虑串 联构件的影响。1 9 7 9 年1 w a n 等人比较了滞变恢复力的九种等效线性化方法 的精度认为基于割线刚度和耗能的等概率幅值平均的等效线性化方法具 囱较蚶的柑度。例内欧进萍等提出了割线刚度和阻尼系数等概率幅值平均 的等效线性化方法，即滞变阻尼器的等效线性阻尼和刚度可按下式计算： 。击p 虮去了挚l3 ， k 。= 号一i 女( 口) 出i 式中c ( 口) ，t ( 口) 和a w ( a ) 分别是阻尼器的滞变恢复力在位移幅值为日时的 等效线性阻尼、割线刚度和恢复力曲线包围的面积：j 0 是地震作用时阻尼 器的最大相对位移。 1 2 i 3 调谐质最阻尼( t m d ) 及调谐液体阻尼( t l d ) 减震 调谐质量阻尼器( t u n e dm a s sd a m p e r ) 是一个能与结构发生相对运动的 振动r f - 系统，由质量、弹簧和阻尼器构成结构运动时t m d 装置发生相对 运动，丽t m d 系统的相对运动引起的控制力又反馈到结构上来控制或影响 结构的榉休运动：凋谐液体阻尼器( t u n e dl i q u i dd a m p e r ) 作为一种结构的 被动控制装置利用振动时容器中液体的晃动来吸收或耗散结构的动能， 以达到对结构的减振作用。动力减振原理是当激励频率趋近结构的固有 频率时，结构将产生强烈振动，即共振。这时，通过调整动力减振器的固 有频率( 假设令动力减振器的固有频率等于激振力频率，即动力调谐条件) ， 动力减振器与主质量间的作用力恰巧等于激励力，但二者的方向相反，彼 此甲衡，从而抑制 = 振动系统的振动。 1 9 0 2 年安装在德国大型邮船上的f r a h m 防摇水箱大概是工程中最早应 用的动力调谐减振器。当激励频率稳定不变时，它的减振效果很好，而且 结构简单。t l d 装置具有造价低，易安装，维护少，自动激活性能好，容 易匹配涮谐频率等优点，而且可以设置在已建结构物上，并可兼作生活水 箝川。1 9 8 0 年m o d i 等首次提出利用液体阻尼器来抑制地面结构物的风致失 稳，1 9 8 4 年b a u e r 提出了种新的抑制结构物振动反应的阻尼器，即利用 坝1 论义皋十智能m 尼的建筑结构挎制优化! ! 兰 贮自曲搓j 小十h 容的小f 司密度液体的矩形容器作为阻尼器安装在结构上t 依靠两层液体交界面的运动产生动侧压力来提供减振力；1 9 8 7 年s a t o 提出 用t l d 控制建筑结构的振动：同年，t l d 装置首次应用于地面结构物r 木的n a g a s a k i 机场指挥塔的风振控制。国内也有许多学者对t l d 减振控制 技术进行了理论和试验研究，并在一些工程上加以推广。但是，t l d 及t m d 对高层建筑和高耸结构的动力反应控制，尤其是对地震反应控制技术还不 完善，仍有许多问题尚待解决。 1 2 2 主动控制系统 根抓：被控系统的动态特性，采 取出外部输入能量的控制方式使被 控系统实现减振，称为振动的主动 控制。主动控制系统包括：传感器、 控制系统和驱动系统如图1 2 所示。 斟1 2 生动控制系统辩i 构求惑蹦 在理论上它能在任何范围内控制系统的位移、速度以及加速度。 主动控制按照控制论原理分为开环主动控制和闭环主动控制，开环控 制系统如图1 3 ( a ) 所示，其控制作用出系统的初始状态确定。需能预测 激励的情况：闭环主动控制又称为反馈控制，如图1 3 ( b ) 所示。在土木 r 程结构控制- i i 所运用的主动控制主要指反馈控制。 设计扣动控制系统的基本任务是决定控制系统采用何种策略，或者说 在控制系统一| | 采用何种控制算法。控制算法是控制系统的“灵魂”，目前国 内外许多学者针对不同的结构和激励情况提出了多种控制算法，主要有： ( 1 ) 经典线性最优控制( y a n g ，1 9 7 5 ) ： ( 2 ) 瞬时最优孛孥制( y a n g ，1 9 9 2 ) ： ( 3 ) 鲁棒控制( d y k e 等，1 9 9 5 ) ： ( 4 ) 滑动模态控制( a d h i k a r i 等，1 9 9 8 ) ： ( 5 ) 改进瞬时最优控制( 阎维明等，1 9 9 6 ) ： ( 6 ) 非线性控制( a g r a w a l 等，1 9 9 6 ) ： ( 7 ) 神经刚络控制( b a n i - h a n i 等，1 9 9 8 ) ： ( 8 ) 模念预测控制( m e i 等，2 0 0 1 ) 。 i jl j u ，多利新的控制算法还在创立和发展。但至今为止，最广泛采用 的足经贝最优控制及瞬时最优控制算法。 在驱动系统巾- 运用于结构主动控制的控制手段形式主要有：主动质 塑i 堡兰 堡! ：型丝坠! 星竺些垫竺塑丝兰! 苎些型兰王一 景驱动器( a m d ) ，丰动拉索系统( a t s ) ，电液伺服驱动系统以及智能材料 驱动器等。以a m d 为例，主动控制系统的组成及工作流程如图1 4 所示。 ( a ) 开环控制 幽i 3 曲类振功士动静制 址然主动控制系统已在理论研究、试验 和应用上取得了某些突破，但至目前为止， 仍有许多问题尚待解决：第一控制系统的稳 定性鲁棒性不能令人满意；第二它需要巨大 的能源输入，在最近举行的“第六界全国地 震丁程学术会议”上，就有学者提出：当地 震水临叫，从减小次生灾害的角度考虑就要 求切断电源，所以，面对地震主动控制系统 很难j f 常工作。目前应用主动控制技术建成 ( b ) 闭环控制 的建筑物柯近4 0 例， 曼集l j 住h 本利 幽1 4a m d 主动控制结构体系爪_ c ；c 幽 荚h ，有些已经经历过地震，但在大震 时绝大部分不能f 常运作。于是，从提高控制稳定性的角度发展了混合控 带l ( h y b r i dc o n t r 0 1 ) 系统，即将被动控制与主动控制结合起来，南京电视塔的 抗风控制即为例。 1 2 3 半主动控制系统 这足种利_ h _ j 少量的外部能源去调节结构体系的阻尼或其他参数以实 现减震的一种控制方法。半主动控制不直接提供驱动力，控制过程依赖于 绐构反应信息或外界激励信息。与被动控制相比，半主动控制的特点是能 够随着结构反应或外界激励的变化及时调整控制装置的工作状态，使控制 装置的减振作用更好地发挥出来：与主动控制相比，其优点是不需要大的 外界能量输入。 在1 二木i ：程结构中进行半主动控制的思想首先出h r o v a t 提出，在此之 坝i 硷土堆十增能眦慰妁建筑结捣控制优化研究 后，f = 1 本以k a w a s h i m a 为代表的学者丌展了关于桥梁结构的半主动控制理 沦和实验研究。荚闲的y a n g 等对半主动控制的算法进行了深入的研究。在 罔内哈尔滨建筑大学的刘季教授 等率先 腱j 7 系统的半主动控制方面的理论和实验研究。 目前常用的半主动控制方法有变阻尼和变刚度两种。k o b o r i 提出了一 种“主动变刚度系统”( a v s ) 。a v s 系统是由计算机控制的快速反应锁定 装置束控制和改变系统的刚度，以此躲避共振的影响，从而降低结构的反 应。r i c h t e r 等提出的“能量消耗约束”装置。在加载和卸载状态时可以提 供不同的刚度。h r o v a t 首先提出了应用变阻尼控制器控制结构的j x l 振反应， 并进行了数值模拟计算。k a w a s h i m a 等对变阻尼控制器进行了实验，并研究 了变阻尼控制器与橡胶支撑组成的混合控制结构对桥梁结构在地震激励下 的控制效果，其分析结果表明这种控制结构的控制效果是很明显的。在 n o r t r ed a m e 大学，s p e n c e r 等研究了利用电磁流变( e r i v l r ) 阻尼器来实 现半主动控制。 1 3 本文的主要研究内容 结构的振动控制策略是减小其振动响应的一种有效方式，其中半主动 控制山i 其有很强的鲁棒性。且不需要巨大的外部能源支持，能根据结构 f j i l 阳廊情况调祭其_ _ i _ = 作状态。而成为结构振动控制中的最有前景的控制方 式之。本文的研究内容主要包括以下几个方面： ( 1 ) 结构半主动控制中产生连续可控阻尼力的磁流变( m r ) 液体的可 控阻尼机理，及m r 阻尼器的力学模型： ( 2 ) 基于最优控制理论的结构主动控制算法与半主动控制算法： ( 3 ) 运用所提出的限值拟合连续最优主动控制力的半主动控制算法， 刈两种结构模秘进行控制仿真分析，对时程分析的结果除采用峰值评价指 标以外，补充一项范数评价指标比较分析结构在无控、被动控制和半主动 控制下的各项性能，并给出了相应的计算结论。 竺! 堡兰 竺! ：塑堂坐竺塑些丝竺塑丝型垡! 兰! 丝塑一 2 半主动控制系统中的智能阻尼结构 2 1 电磁( e r m r ) 流变现象及研究概况 电流变现象简称为e r ( e l e c t r o r h e o l o g i c a l ) 现象，最早由k o e n i n 8 在 1 8 8 5 年、d u f f 在1 8 9 6 年和o n i n p e 在1 8 9 7 年的报告中提到。电流变液体是 由岛介电常数、低电导率的电介质颗粒分散于低介电常数的绝缘液体中形 成的悬浮体系，它可以快速而且可逆地对电场作出反应。其过程可简单描 述为，在电场作用下电流变液颗粒自身发生极化，由于极化颗粒间产生静 电引力而使颗粒排成链或柱状结构；当电场高于某一值时，流体状态由液 态 0 变为夜怠。流体类型也山n e w t o n 流体转变为非n e w t o n 流体：当电 场减弱时或消失时，它又可以快速地恢复到原始状态，如图2 1 所示。1 9 4 5 q - ：w i l l i sw i n s l o w 取得了在矿物油内掺入淀粉或硅胶的胶质弥散体，具有电 流变效应，并取得了电流变离合器的专利，1 9 4 9 年在杂志上发表，被认为 是最早的电流变理论。以后又有很多学者进行研究，今天在理论上已趋于 成熟，并制成产品走向市场。我国从2 0 世纪8 0 年代米期开展电流变技术 的研究。幽内有巾科院物理所、化学所、复旦大学、清华大学、北京理工 大学、西北工业大学、中国科技大学、哈尔滨工业大学、武汉工业大学等 一l 。多家单位郝进行了这方面的研究。 大约在发现e r 现象的同时，人们也发现了磁流变 ( m a g n e t o t h e o l o g i c a l ) 现氖，简称为m r 现象。m r 液体是由微米量级的 磁性口f 分做存介适的液体载体巾形成的悬浮液，在外加磁场作用下，其 中的磁性微粒沿磁场方向排列成有序结构，可使m r 液韵表观粘度和屈服 应力发生显著变化，其过程同e r 相似。 m r 液由于具有较强的剪切应力而受到广泛的重视，通常m r 液的剪 切屈服应力比e r 液大约大一个数量级。另外m r 液具有较宽的工作温度范 围，而且构成m r 液的原材料价廉且丰富。通常m r 液中的磁性粒子的材料 为铁、铺、镍及其合会。载体可以是油、水和其他的混合液体。由于磁性 粒子通常比载液的密度大，为了防止沉淀，可加入各种不同的表面活性济， 或将磁性粒子与密度小的其他材料复合改善其沉淀问题。目前应用m r 液制 成的智能器件主要用于机械控制、液压阀、阻尼减振器等。美国的l o r d 公 l 仑正捧十镨能m 屁的锉筑! 甜匀挎删优化州究 司已有多利，产：品推向市场。 ! ；：i c = = = ：；! c = = = ： ii ；：i 。一j j ；ij “i ( a ) 未抽电场的七规则分佰( b ) 加电场后的畦状分布 ( c ) 上瞎电场恢复庙状 l 芏| 2 ie r m r 现豫d j 惑幽 2 2 磁流变( m r ) 流体阻尼产生机理 从流体力学的角度看，m r 流体具有粘滞性和粘塑性的双重特性，也就 硅潍k 流体同时具有牛顿流体和非牛顿流体的物理属性。对于牛顿流体， 通常j = i 流体的粘度来定义它的流动阻力。流动相当于许多很薄的流体层作 相对滑动，就像一叠纸牌一样，如图2 2 所示。流体的内摩擦力或粘度在作 相对滑动的各层之间产生了剪应力f ，其作用是 使移动较快的一层减速，而使较慢的一层加速。 现代粘滞理论的基础是出牛顿在1 7 世纪奠定 f t j 。他般设粘滞剪应力与剪应变率成币比。剪应 变牢等1 二速度的梯度驯砂，它们之间的关系可 发尔为： r = ，7 宰= 彬( 2 1 ) 砂 比例常数q 称为粘度系数，国际单位为 m s ；常用的单位为p i o s e ( p , 简称泊1 圈1 2 流体阻尼水意图 i p i o s e = l c m s = o ，i n s m 。牛顿流体的剪应力与剪应变率关系曲线是通 过原点的赢线。而对于牛顿流体以外的流体( 统称 为非牛顿流体) 它不止有一个粘度值，为区别对待， 通常用“袁观粘度”来定义剪应力与剪应变率之比。 b i n g h a m 粘塑流体模型是目前应用的最多的非牛 坝流体模型之+ ，剪应力就与剪应变率的关系为： f = 夕+ r ，s g n ( 户)( 2 2 ) 它描述的物理现象是：这种流体在丌始流动 或变形之静需要定的剪应力，但一旦超过此剪应力 变率成一比，如图2 3 所示。 三一一 0 。 豳2 3 粘塑流体蚰心九 腑变牢关系 剪应力就与剪应 f ! j i 论卫阜j 一智能m 尼的建筑结构控制优化研究 m r 流体在无磁场作用时，呈现出牛顿流体的性质：当受到强磁场作 川时，怂浮j m r 澉q - 的t ，j 磁化极性颗粒感应磁化，彼此问相互作用，形 成粒，链，此叫若要侄这种流体中流动或运动就首先要克服一定的剪应力， ”一 丑超过此剪成力，剪应力就与剪应变率成正比关系。从这一现象出发， 一般认为m r 流体为b i n g h a m 流体。一个很值得重视的现象是m r 流体能 在很短的时问内( 毫秒量级) 由牛顿流体转变为具有定剪切屈服应力的 粘龌件流体，随着磁场的加强，其剪切屈服应力也会相应地增大，由此通 过控制磁场强度来控制m r 流体的剪切屈服应力“，达到控制阻尼力的目 的。这一控制过程具有三个显著的控制特性： ( 1 ) 控制过程的连续性：m r 流体的剪切屈服应力随磁场强度的变化而连 续变化； ( 2 ) 控制的可逆性：m r 流体既可以随磁场强度的增大而“硬化”，又可 以随其减弱而变为流体： ( 3 ) 控制响应灵敏，其力学性能随施加磁场强度的变化时闻为l o o 秒量 级。( 对m r 流体过去存在的磁滞问题目前已有实验研究证明可以通 过反目施加磁场来解决) 2 3m r 可控阻尼器的原理 根据m r 效应制作的可控阻尼器形式有多种多样，但是从其制作原理上 孤小i j 分为两人类。第一种称为运动m r 阀型阻尼器，即被控制的m r 液 位1 卜| ；儿尼器腔膛与活塞之1 1 日j ，它随二者之删 的州刈运动通过活塞与腔膛之i 叫的间隙产生 流动；第二种称为固定m r 阀型阻尼器，其 被摔m r 液何于阻尼器的旁通管路之中，工 作过程中不改变控制位旨。这两类m r 可控 阻尼器的原理如图2 4 所示。 图中可见，所谓运动m r 阀型阻尼器 的m r 阎位十运动的活塞和腔膛问的问隙之 中当活塞与腔膛产生相对运动时就会挤压 幽2 4 阿种m rm 尼器永意l 鳘l 活摩菜侧的m r 液，使其通过缝隙流向腔 膛的另。侧。在活塞和腔膛之问缝隙的两侧线圈通电建立磁场后，出于缝 隙 。m r 液的“固化”，要使m r 液通过就必须使缝隙中的“固化”m r 液广。阱i 泖州流动，从而使活寒与腔脆相对运动的阻尼力增加。这样，通 坝l 沧卫壮j 一智能阻尼的建筑结构摔制优化研究 过控制输入i 乜流或f 乜越来调整磁场强度就可以实现调整m r 阻尼器的阻尼 j 。m 川j 定的m rl 浏| 5 | l 皑器，其m r 阀的工作原理与上述运动型m r 阀阻 尼器是一样的，只不过其线圈位于固定的旁路之中，它通过调整旁路两侧 的磁场强度术实现调整m r 阻尼器的阻尼力。根据上述阻尼器的工作原理 u r 知，要建这两类m ru 】控阻尼器力学模型的关键是在活塞两端有压力 差时m r 液粘塑性流动的力学分析。出于施加磁场后，缝隙或旁路中的m r 液要“固化”，因此m r 阀两端的压力差必须克服“固化”m r 液的屈服应 力，i 能，“生流动。这样，m r 阀中产生粘塑性流动的这部分m r 液的剪应 力和剪应变率的关系可用公式( 2 2 ) 表示的b i n g h a m 模型来描述。其中第 一项称为粘滞剪应力，第二项称为库仑剪应力。显然，只有当阀中的m r 粘塑性体的静态剪应力达到r 。时，才产生粘塑性流动，形成库仑剪应力。 由此，通过分析间隙之间这部分m r 液的流动特征来推导m r 阻尼器的阻尼 力f ( t ) 与活寒和腔瞠问相对速度d “) 的关系。 2 3 1 准静态轴对称模型 当活塞与阻尼器的腔膛发生相对运动时，流体在间隙中流动，假定：1 ) m r 流体为b i n g h a m 模型：2 ) m r 液在间隙中的流动为层流，即不考虑进 l j 段距离的边界层发展；3 ) m r 阻尼器作常值速度的运动。这一轴对称 准静态模型是基于纳维斯托克斯( n a v i e r - s t o k e s ) 方程来描述阻尼器的力 2 。速度的关系的。袱捌沿流向的址强梯度与流体剪应力相平衡有： p 言姒r ) + 瓦0k ( r ) + 鼍望= 塞 ( 2 3 ) 式中i ，( ，) 为流体的流速； r 。( r ) 为切向剪应力； p 为流体密度：半为压强梯度。 对于准静态模型，忽略方程( 2 3 ) 中流体的惯性项，有： 要k ( r ) + 三也：拿 ( 2 - 4 ) d 为山边条件决定的常值，由和满足r 。( ) = r o ，f 。( 吒) ：一可得： q = i f 0 ( 2 6 ) 一 研一，掣、一2 pk 得 可程方解求 墼! 笙苎 堡主塑! ! 坐星竺些望墅堂鱼堂坚型望堕壅一 圈2 5 阻l j 岜料荆衄不慧圜 如图2 5 在i 、i i 区，流体发生粘塑性流动，根据( 2 2 ) 式有： “俨f 0 + 叩掣 ( 郧， ) ( 2 7 ) r 。( ，) ：一r 。+ 叩皇兰：兰! ( r 2s ，s 胄2 ) ( 2 8 ) 式( 2 7 ) 、( 2 8 ) 代入( 2 5 ) 并积分得： 姒r ) - 一。, _ l 玎a 积pc 啦r2 ) + 争云一等f o 一p 刚( 2 ” 姒归百la 出p ( 睁一一号i n 争一等( 归鲰：) ( 2 1 0 ) ( f1 1 1 1 1 i 翦j 柚力小丁屈服剪应力r 。，不发生层流，所以有： i ，( r ) = ，( ) = i 。( r 2 ) ( sr ，2 ) ( 2 i i ) 1j t2 9 ) 、( 2 1 1 ) 得： 掣( r ；一彳一只? + 栩4 + d , l n ( r 一2 r 1 ) + d 2 一，7 = 。( 2 1 2 )( d 2 = ( r j + r 2 一一吒) z o 所以有 山i i 自j 隙中部的粘性区i i i 的平衡关系有： 牢厅( 弩一2 ) d x + 2 z ( 5 + r 2 ) f 0 斑= o h x 塑：三l 出r 2 一 体积流速( 流量) q 的计算公式为： 槲 q 2 2 石j ：f ：“。( ，) d r 代入流速的表达式： ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) f i ! ! l 论文雄十智能m 尼的矬筑结构控制优化驯究 一上空( 尺卜一+ 旦l 。二一竺里- - v 0 r ，r _ 4 qd x 一 刁r i 7 7 。 一土牢( 旯；一 z ) 一d , 1 n 旦一盟f 01 ， t ( 2 1 6 ) 4 i 1d xr r 1q 一土牢( r ；一一旦l 。堕一生= f 0r 2 r r ： 4 qd xr r 叩 f ：，： g = 爿。 = 艘；一号 去( 尺：4 一尺? 一+ n 4 ) + 。d l ( r ：2 一只? 一弩+ r 1 2 ) + s 。， 2 1 7 2 = ( r ，2 毋+ r ，2 瘢) = t o r 3 + 矗；一3 一日) 山以卜的推导可得到压强梯度咖出与活塞和腔膛的相对速度以及m r 液 的屈服剪应力“的关系，从而得到阻尼力的表达式： f = - u - 塞- 爿。 ( 2 1 8 ) 其中l 为m r 阻尼器轴向有效长度， a 。为活塞截面积。 2 3 2 平行板模型 i j 阻尼器的1 1 = l j 隙( 一 ) 很小， - t 】_ 以i 殳想将i j 尼器沿径向展丌的形式将女【 i 冬 2 6 所小。i l l l l l 建：, 7 ：i f 行板间的b i n g h a m 圈2 6g l l 尼i a l “i 行扳模型 流体的屈服应力与压强梯度的五次方程： 3 ( 尸一2 7 ) 2 p 3 一( 1 + 3 t 一矿) j p 2 + 4 t 3 ) + 7 t 矿2 p 2 = o i 矿i 3 ( p 一2 t ) 2 i p ( 2 1 9 ) 其中v 、7 1 卡u p 均为尤量纲量： 阽一等薏2 a 值z o ， 2 0 忙