基于MR阻尼器的智能复合隔震系统的半主动控制(1)

铁道勘测与设计ＲＡＩＬＷＡＹＳＵＲＶＥＹＡＮＤＤＥＳＩＧＮ２００６（４）
基于ＭＲ阻尼器的智能复合隔震系统的半主动控制
石城林
（铁道第四勘察设计院城建院
武汉
４３００６３
）基于ＭＲ阻尼器的智能复合隔震系统的半主动控制石城林
１引言
基础隔震技术已经是很成熟的地震防护技术了。

常见的隔震系统包括橡胶支座隔震系统、滑移支座隔震系统、套管桩隔震系统、弹簧隔震系统和摆动隔震系统。

这些隔震系统除用于桥梁、建筑的抗震设计、加固维修以外，还用于核电站、工业设备等的抗震设计。

基础隔震对在短周期地面运动影响下的中短周期结构和远震场地的隔震结构而言，其减振效果比较好，但是近震场地的长周期和位移脉冲运动会对隔震建筑的抗震性能和设计带来不利影响，最明显的一点就是隔震层较大的位移使整个结构遭受破坏。

在该情况下，本文将磁流变液智能阻尼器并联于被动橡胶隔震垫上，通过阻尼器的耗能极大的减小了隔震层的层间位移从而保护隔震垫不受破坏。

２
原理与公式
２．１
ＭＲ阻尼器的力学模型
２００２年，瞿伟廉等提出了ＭＲ智能阻尼器修正的Ｂｉｎｇｈａｍ力学模型［１］，如图１所示。

该模型可以
用下面的方程表示：Ｆ（ｔ）＝Ｃｄｅ
!＋Ｆｄ（Ｅ）ｓｇｎ（ｅ!）－Ｆ０＝Ｋｄ（ｅ２－ｅ１）－Ｆ０
（１）
式中：
Ｃｄ为粘滞阻尼系数；
ｅ１为阻尼器滑动位移；Ｆｄ（Ｅ）为可控库仑阻尼力；
Ｋｄ为ＭＲ智能阻尼器的等效轴向刚度，它与
阻尼器的连接刚度和ＭＲ智能材料屈服前区的初始剪切模量等有关。

其中
Ｃｄ＝Ｃ１
・１２η０ＬＡｐ
ｂｈ
３
・Ａｐ；Ｆｄ（Ｅ）＝Ｃ２（Ｅ）
・Ｌτｙ（Ｅ）ｈ
・Ａｐ＋Ｐｙ（２）
Ｃ１＝１．０；Ｃ２（Ｅ）＝２．０７＋１．０１．０＋０．４Ｔ（Ｅ）
；
Ｔ（Ｅ）＝
ｂｈ２
τｙ（Ｅ）１２Ａｐ
η０・ｅ
!（ｔ）（３）
式中：
Ｌ为窄缝或旁路（磁流变阀）的长度；ｈ为窄缝或旁路磁极之间的距离；ｂ为窄缝或旁路的展开宽度；Ａｐ为活塞的净面积；
ｐｙ为活塞与缸体间相对运动时的机械摩擦力。

由式（１）－（３）可知，ＭＲ智能阻尼器中只有Ｆｄ（Ｅ）可随磁场强度进行调节，而Ｃｄ保持不变
［１］。

２．２
基础智能隔震结构的运动方程
一维地震干扰下，基础隔震结构系统地震反应
的运动方程为：
［Ｍ］｛Ｘ｝＋［Ｃ］｛Ｘ
!｝＋［Ｋ］｛Ｘ｝＝－［Ｍ］｛Ｉ｝Ｘｇ（ｔ）＋｛Ｓ｝ｕ（４）
式中｛Ｘ｝，
｛Ｘ
!｝和｛Ｘ｝分别为结构节点层相对于［摘要］将磁流变液（ＭＲ）智能阻尼器并联于传统的被动隔震装置上形成智能复合隔震系统，并采用半主动控
制策略对该系统实施智能控制。

通过对一栋三层的振动台试验模型的仿真分析表明：在不影响隔震效果的同时大大的减小了隔震层的相对位移；半主动控制策略能有效控制智能复合隔震系统。

［关键词］半主动控制基础隔震ＭＲ阻尼器仿真
技术应用、研究
图１ＭＲ阻尼器修正的Ｂｉｎｇｈａｍ模
：
：３３
铁道勘测与设计ＲＡＩＬＷＡＹＳＵＲＶＥＹＡＮＤＤＥＳＩＧＮ２００６（４）
地面的位移、速度和加速度向量；
［Ｍ］、［Ｃ］和［Ｋ］分别为基础隔震结构系统
的质量、阻尼和刚度矩阵；
｛Ｉ｝为单位矩阵；Ｘｇ为地面运动加速度；｛Ｓ｝＝［１
０…０］Ｔ１×４ＭＲ智能阻尼器作用
位置矩阵；
ｕ为ＭＲ阻尼器实现的控制力。

３半主动控制策略
为了保证ＭＲ智能阻尼器更多地耗能，对ＭＲ智能阻尼器参数Ｆｄ（ｔ））的调节采用既易于实现、又有较好减振效果的“开关－耗能”半主动控制策略
［３］。

Ｆｄ（ｔ）＝
Ｆｍａｘｕｅ・ｕｏ＞０且ｕｏ＞ｕｅ
Ｆｍｉｎ
其他
!
（５）
式中Ｆｍａｘ和Ｆｍｉｎ是屈服剪应力分别为对应于τｙｍａｘ和
τｙｍｉｎ时ＭＲ阻尼器的库仑阻尼力的幅值，
ｕ０为半主动控制力，ｕｅ为ＭＲ阻尼器所实现的阻尼力。

４仿真分析
为了验证上述分析的有效性，本文采用一个三层钢筋混凝土框架结构模型作为计算对象，智能基础隔震结构系统的计算模型如图２所示，计算模型采用集中质量系统。

原结构模型的计算参
数为：ｍ４＝３１２ｋｇ，
ｍ２＝ｍ３＝３３０ｋｇ；层刚度，
ｋ１＝ｋ２＝ｋ３＝１８１０ｋＮ／ｍ，结构第一振型的自振周期
Ｔ１＝０．１９ｓ，阻尼比ζ＝０．０５。

智能基础隔震结构的
计算参数为：隔震层的质量ｍ１＝３１２ｋｇ，隔震层刚度ｋ１＝１０２ｋＮ／ｍ，结构第一振型的自振周期Ｔ１＝０．８３ｓ，ＭＲ阻尼器选用ＬＯＡＤ公司生产的ＲＤ－１０９７－０１Ｘ摩擦型ＭＲ阻尼器，最大阻尼力１００Ｎ，隔震层阻尼比取ζ＝０．０５。

结构输入的是Ｅｌ－Ｃｅｎｔｒｏ地震波的南北向分量，其最大峰值加速度取１００ｇａｌ，地震持续时间为２０秒。

在分析计算过程中上部结构依次为１～３层，隔震层为第０层。

衡量结构隔震效果的性能指标主要有三个方面：隔震层位移、隔震结构的相对位移和隔震结构的绝对加速度，三个指标都是越小越好
［４］。

为
了考察智能隔震系统的隔震效果，本文比较了原结构、普通隔震结构（仅有隔震垫）、被动－关（ｐａｓｓｉｖｅ－ｏｆｆ）控制结构和被动－开（ｐａｓｓｉｖｅ－ｏｎ）
控
制结构和半主动控制结构减震效果的差别。

其仿
真结果列于表１中。

表１
仿真分析结果
原结构
普通隔震
Ｐａｓｓｉｖｅ－ｏｆｆ
Ｐａｓｓｉｖｅ－ｏｎ半主动控制
隔震层最大位移／ｍｍ
－－－１２．９９．８３．８３．８结构层间最大位
移／ｍｍ
１
１．２０．５９０．４６０．４５０．３２２０．９５０．４５０．３５０．４０．２６３０．５３０．３０．２３０．２４０．１７各层最大绝对加速度／ｍ・ｓ－２
１
１．８１１７０．７７７２０．６１４２０．８９３６０．７５２５２２．２８７４０．８２２３０．６５１１０．９０２８０．７１６２３
２．９８９９
０．８５８３
０．６７８１
１．２９８９
０．９６２０
图２智能基础隔震结构系统计算模型
铁道勘测与设计
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石城林：基于ＭＲ阻尼器的智能复合隔震系统的半主动控制
通过对表１中的仿真结果进行比较，我们可以看出：ａ）普通隔震使得上部结构的最大层间位移由１．２ｍｍ减小至０．５９ｍｍ，结构最大加速度由２．９８９９减小至０．８５８３ｍ・ｓ－２，但是隔震层最大位移为１２．９ｍｍ，是所有结构中的最大位移。

ｂ）在隔震层附加ＭＲ阻尼器的Ｐａｓｓｉｖｅ－ｏｎ状态，隔震层位移大大降低，从１２．９降到３．８ｍｍ，各层间最大位移均小于相应的普通隔震结构的各层间位移，但是，由于隔震结构的等价刚度增大，从而影响了隔震效果，结构最大加速度从普通隔震的０．８５８３增加到１．２９８９ｍ・ｓ－２。

ｃ）而在隔震层附加ＭＲ阻尼器的Ｐａｓｓｉｖｅ－ｏｆｆ状态，隔震层最大位移由３．８增大至９．８，除第一层的层间最大位移比附加ＭＲ阻尼器的ｐａｓｓｉｖｅ－ｏｎ状态下的层间最大位移值稍大以外，第二和第三层的层间最大位移均明显小于普通隔震和阻尼器ｐａｓｓｉｖｅ－ｏｎ状态下的位移值，并且各层间的最大绝对加速度亦明显小于普通隔震结构的各层最大绝对加速度。

表明在普通隔震结构基础上隔震性能指标进一步降低，即隔震效果进一步提高。

ｄ）对隔震结构的附件阻尼器进行半主动控制时，隔震层的最大位移值和各结构层间的最大位移值分别为３．８，０．３２，０．２６和０．１７ｍｍ，为所有结构中的最小值，各层间的最大绝对加速度介于阻尼器ｐａｓｓｉｖｅ－ｏｆｆ和ｐａｓｓｉｖｅ－ｏｎ状态下的相应值之间。

这表明对阻尼器进行半主动控制时的隔震效果最为明显。

因此，对阻尼器进行半主动控制获得了最为理想的隔震效果，在上部结构响应变化不大的情况下隔震层的响应显著减小，它大大减小了减小隔震层位移、各层间位移，进一步减小结构绝对加速度，因而是隔震模型中的最优方案。

５结论
为了减小基础隔震中隔震层的层间位移，本文将磁流变液智能阻尼器并联于被动隔震垫上形成智能复合隔震系统，并采用模糊半主动控制策略对该系统实施智能控制。

通过对一栋三层钢筋混凝土基础隔震模型的仿真分析表明：该结构能够显著降低隔震层的位移和各层间的位移。

其隔震效果明显优于普通隔震和被动隔震等模型，因而，与其相比，智能半主动控制隔震是一种最佳的隔震模型。

参考文献
［１］瞿伟廉，周耀．ＭＲ阻尼器对地震反应的模糊半主动控制［Ｊ］．武汉理工大学学报．２００３，２５（１１）：４４－４６．
［２］周云，徐龙河，李忠献．磁流体阻尼器半主动控制结构的地震反应分析［Ｊ］．土木工程学报．２００１，３４（５）：１０－１４．
［３］欧进萍．结构振动控制［Ｍ］．北京：科学出版社．２００３．
收稿日期：２００６－７－１１
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