隔震和半主动控制组成的结构振动混合控制系统分析

1、| 维普资讯 h ttp:/ 013 隔靈和半主动控制组成的结构振动合控制系统分析李江何玉敖丸津大学土木：T起系天谭300072，tt 91本文甚于隔廉技术和结构半主动規制技术提岀r 种新的娠动混合控制方法.其中半主动 控制部分釆用作苕提出飽等效力开关控制法.这种混合控制充分諏补r隔震和半主动控制各自的 映陷或不足.提高了揑制系统的可靠性*旷扎了两若各昌的应用范围.关闵 基底隔農，半主动控制.逼合控制.零敢力开关拎制法1引言结构基底隔震和半主动控制技术的联合应用具有诸多优越性：小隔震技术虽然已 经较为成熟、徂由于自身固有的龌陷使得它只能应用于髙度不高最大高宽比不丸 建 造在中硬地基十匕的建筑物

2、*这严重地限制了隔靂技术的应用范围 与半主动控制技术相 结合.在结构上部的若干层布置 些控制器*就可以k扎提高抗倾覆性 从而扩火隔震技 术的应用范围；i2）半主动控制技术虽然有其它结构控制技术难臥比拟的优势*但由于它 出现较晩，国此目前在我国还没有L程应用实例.在世界其它各国也都应用较少.对丁半 主动控制而言，控制装置的性能和造价是影响其厂程应用的最主要因素-如果和隔震联合 应用，隔震技术可以使结构地震时的加速度反应降低到无控时的约1 121/4.在此基 础上进f亍結构振动半主动控制时.就可以降底对控制装置饱和控制力雷数的要求.井增大 釆样周期.易于半主动控制装置的研制生产和工程实际应用:U）

3、当结构物受到风振或小 震作用时，半主动控芾IJ系统可以启动以減小结构反应.箱漑系统基本不参与工作；当结构 受到中强慝件用时，半主动控制系统利隔震系统都参与工作，进一步保证结构安全°所以 两套系统的控制能力具有互补性（4）结构隔震和振动半主动控制技术相结合*可以进一 步廿背结构匸程造价，并提髙减震控制的可靠度。因此本文对这两种振动控制技术的联合应用进行了研究.在半主动控制部分中采用 的是本文柞者提出的等效力开关控制法通过计算机仿真分析表明这种混合控制方案控 制效果好，利于匸稈实际应用。2捺动混合控制条统模型建立本文提岀的混合控制系统由两个部分组成；（O基底隔震部分：（2；基于等效力开关

4、 控制法的半主动控制部分.这一系统的计算模型如图2所示：李江.环1釦5出生，靜士生,tdjj 也彖自然科学基金畫肪顼R<5（XJ78&37J9fi9541O）*t工程力学)増刊 200】年3等效力开关控制法3- 1算法握出设单自由度集中质量结构体系的振动反应方程为；my(t + cy(t) + 即(f) = 1)当结构的刚度变化处”阻尼变化血肘，振动反应方程为：匹p(f + ayi) + kyQ) = mJ(t)-de-yt) -dk y(f)C2)也就是说改变控制器的刚度与阻尼相当于对结构施加了一个等效控制力。令0(f) = -mxs (f)p"-mxs(i - de

5、 y(i) - dk y(£)由(1)式及(2)式可知，為了达到控制目的、应使：pr(i) < |p(O|由此式可得等救力开关控制律。本文将KOBORI幵关控制律与本文提出的等效力开关控 制律对比如下.从表中可以看出，分別采用这两种不同的控制俸时，控制器工作时程有很 大差别°KOBORI开其控制律的基本含文是;把单自由度体系的一个振动周期划分为两个阶 段即阶段h结点振动速度与位移同向阶段2：结方振动速度与位移反向.这样,在 振动的两个阶段内分别改变结构的动力特性，便得结构恢复力、阻尼力在整个振动过程中 都处于对结构撮幼衰减有利的狀态从而达到控制目的"本文上述

6、方袪提出了另外一种半主动控制策略：改变控制器刚度*阻尼的工作状态. 使得由于变则度、变阻尼所产生豹尊效控制力在振动过程中都能抵消地震作用力，从而达 到控制结构地震反应的目的.本文称这种开闭环腔制方法为等效力开关控制法.可见，等 效力开关控制法是主动控制力法的基本思想在半主动控制中的推广应用。仿真分析表明.对于单自由度结构体系，KOBORi Jf关控制律和等效力开关控制禅的| 维普资讯 h ttp:/CL程力学增刊2001年控制效果基本相似。*1等效力开关控制律K0B0RI开关控制律xg(r)<0则>0 dc>Q.dfc>Qde <Q,dkXO < 0dc&l

7、t;tdkQ血工展W 0则<0 . de <Q,dk血艺a岔t H 0XO>0 de S 0, c/i < 0耳("0M) > o 1必£ 0,朋畫0此£ 0,冰工0y(n < o .dedk <0t/c > 0t dt £ 0y(D < 0 -de>0t/c S 0, (/Ar S 0y(0 > 0de < 0t dk 3 0de 乏 O¥djt £ 03. 2算法在务自由度霸构休系中的推广KOBOR1开关控制律虽熱机理简单明确、但是推广到多层结构休系时却因振型

8、耦合问 题难以实现.如果根据层间相对位移和相对速度的符号来决定控制器的工作状态、物理意 义并不明确，会带来很大误差f我国某些学者试图在模态空间中解决推广应用的问题,并 取得了一些研究成.果.但仍然不能令人满意"本文提出的等效力开黄控制注则可以严格地 在多层结构体系中进行摧广.为了阐述方便本文下述推导过程中以一个齐层剪切型捱架结构为钢。假设在n层 结构的每一层均布置一个采用等效力开关控制法的半主动控制器。当在幷层结构中布置 滞个控制器时，这种稚广方法完全适用*谿构振动方稈为：M阳+C蹈+KJX=F式中，M为结构质量矩阵；匕为结构阻尼矩阵；K为结构刚度矩阵;F为外荷 裁向量.展开式，得：

9、龙禹 + (q + c2 )i)- C2Xy + (k + £)曲 2X2 - fin砧 + (c; + c1+l xt -q 无T 一匕王M 一 & J 十 & + Ar+| xt 一 &+斗=zi = 23 (料2人(h - 1)m启+ J人-畸九_i -+忍心=£设在第初时刻，结构第/层刚度变化为刃巧 阻尼变化为屁(丿= 1,2*町"则由(3) 式可得：叭沐+。比+曲> 朮一陽匕-一 dcn 為_j - g_ -叭 %- + knxn +必j 口 " 对上式进行整理”得$叫爲+心九-呻心一褊斗-+ 5 = £

10、亠血此+丘昇宅-I +此 J -<*八耳 令 /；=人-血*也+血“ 九j +川忍 %、- %-x即fH矶*(九-S-叭-(% 一耳)上式中，吃-兔J是第月层与第(n-!)层之间的相对速度；(斗一几)是第月层与| 维普资讯 h ttp:/电工程力学壇利2001年第M）层之间的相对位移“摄据等張力开关控制法，应有；1X21 用这与单自由度结构体系中的情形完全相同。于是可得dcdk .在式（6中+当i = n- 1时.可得：丁：一 = A-i -牝、氐"-无一工 H 叱仇一丸J -（ £“ -叫-） + %（%-心_ J上式中 xn - xn_ J是第n层与第（n !）层

11、之间的相对速度：（珥-1-耳丁）是第斤 n层与第54丿层之间的相对速度；（耳-热丿暹第M层与第（n-U层z间的相对忖 移，匕一心7）是第（nl>层与第 心）层之间的相对位移.根据劄&力开关控制法、应有=|刀勻九小而比.和总，已经由第山层的等效力开 关控制法所决定.令/ =人“七血J也一為-J+必（叫r-J疔是：fti-l ftr_l dj_-“ £fi-2）i 砍a I " Xn-2 >这与单自由度结构体系中的情形完全相同"亍是可得血心和叽、依次类推.就得 到在第*时刻结构第F层刚度变化次,和阻尼变化必.J = 12 n）通过上述分折可见.采用

12、本文提出的零效力开提屋制法理论上是严谨的.可且准确方 便地推广到多层结构体系中.斗仿真分析为r验证上述控制方案的有效性*本文以-个咅层剪切型结构为例ififfffi真分靳.结 拘参数如卜表所示.隔霊层tP41568LOO.O506. 5506. 5506.5498.S498. 61馳649B. 0498 6刚度i门少干牛4,06416.2416. 2416.23朋6398. 6398. 6L396,6398.6隔震层阻尼比为盒 壯莖动控制装置的参数为.刚度収0.05倍的结构层间刚度*阻 尼取2倍的结拘阻尼。振动控制体系在EL<ENTRO（ NS ）波的昨用卜.有控和无控时结 构顶层位移响

13、应对比如图2.另外各项动力反应参数也对比如下"醍3顶层位楼反应a顶层理度反应!（CM/S）岡展加速度反应（CM/S1）无控12.9775. 241297,6泯合控制2 5444,06612.?吕结论| 维普资讯 h ttp:/匸E程力学增刊2001年017 本文提出了由隔震和半主动控制组成的结胸振动混合控制系统.其中半主动控制部分 采用作者提出的等菊力开黄控制法这种方法物理概急清晰，可以严格地推广到多展结构 体系中“通过理论分折和仿真计算我明，这种混合控制系统可以在隔靈的基础上”进一步减小 结构的动力反应.不仅减小了结构的倾覆力矩，扩大了隔震技术的应用范围，而且可以减 小半主动控制装置的力学参数，易于其研制和生产.综上所述，由结构隔震和结构振动半主动控制技术构成的