磁流变阻尼器对隔震结构的半主动控制

蔡晓虹

摘 要：针对被动的基础隔震系统不能保证在任何地震作用下都是有效的。本文提出了半主动控制系统与被动的基础隔离系统相结合的智能基础隔离系统，编制了相应的Matlab程序，利用这一程序本文对一个八层结构进行了仿真分析，结果表明本文所提出的智能基础隔离控制系统比原来的被动基础隔离控制系统具有更好的控制性能。

关键词：结构隔震

semi-active control for base-isolation structure with MR damper

Cai Xiao-hong

Abstract：the base-isolation system is studied， and the author finds that the validity of the base isolation system depends upon the dynamic characteristics of the earthquake ground motion， so a new system that can be effective for a wide range of ground excitation is necessary. Hybrid control strategies， consisting of the passive isolation system and semi-active control， is proposed in this paper. The author complied a relevant program with Matlab language， simulation analysis of a eighth-story structure is made. The results of study are shown that the performance of smart isolation system is better than the passive isolation system in terms of achieving the good reduction in base drifts.

1.引言

结构隔震已被工程界广泛接受和使用。结构隔震就是在结构和基础之间加一有适当阻尼的隔离层，把上部结构和基础隔离开来，以隔离地震能量向上部结构的传输，达到对上部结构的位移和加速度的控制。结构隔震的主要原理是在延长结构的周期的同时，并给予结构适当的阻尼，这样使结构的加速度反应大大减小，同时，结构的位移主要由结构物底部与基础之间的隔震装置提供，而不是由结构自身的相对位移承担，结构在地震过程中上部结构的层间位移相对位移很小，仅像刚体那样作轻微的平动，从而保障了上部结构的安全性。

然而，近年来的几次规模较大的地震灾害表明，传统的被动基础隔离不能保证在任何地震作用下都有良好的控制效果。例如，传统的基础隔离结构在远场地面运动作用下有良好的控制效果，但在近场地面运动作用下反而会增大的结构的响应而导致结构破坏[1-3]。如1994年的美国 Northridge地震和1995年的日本Kobe的地震，相当多已建成的隔震结构都有不同程度的破坏。因此，发展一种可以保证基础隔震结构在近场地震作用下的有效性的控制系统是非常重要的。

针对上述的问题，许多研究者提出组合基础隔离系统，并对此作了大量的研究，但主要的研究集中在采用主动控制和被动基础隔离的组合[4， 5]，然而主动控制虽对各种地震作用都有很好的控制效果，但由于它需要很大的外部能量，很难在实际工程中得到广泛的应用。本文提出应用半主动控制和基础隔离的组合控制系统来提高结构的性能，半主动控制装置采用磁流变阻尼器。磁流变阻尼器的工作原理和阻尼力可参见文献[6]。

2.基础隔震结构控制的状态方程

隔震结构承受两个方向的地震作用时，假定上部结构是线弹性系统。上部结构的方程为：

此时的n是上部结构总层数的三倍，M、C、K、X和 分别为质量、阻尼、刚度矩阵和位移、地震加速度向量，R是地震影响系数矩阵， 是基础相对于地面的加速度向量。

对于基础层它受到了四种外力：（1）隔离层的合力；（2）磁流变阻尼器的合力；（3）上部结构引起的剪力；（4）地面运动的惯性力。基础层方程可表示为：

式中， 是刚性基础的对角质量矩阵； 是隔离层的和阻尼矩阵； 是隔离层的和刚度矩陣； 是磁流变阻尼器的阻尼力； 仍为地面运动的加速度； 为基础相对与地面的加速度； 和 为基础的位移和速度反应的列向量。

因此组合上两式可得到此基础隔离的状态方程：

3.分析程序

通过上述的分析，作者以Matlab和Simulink为平台，编写了相关的计算机程序，程序中无控结构的Simulink块和受控结构的Simulink块的示意图如图1和图2所示。上部结构模型采用层间剪切模型，结构的质量认为集中在楼面或屋面上，假定上部结构处于线弹性状态，时间步长为0.005s。

4.算例分析

本节将结合一个八层的框架结构。应用本文提出的智能基础隔震系统对其进行控制仿真分析，比较智能基础隔离系统与传统的基础隔离系统的控制性能。

4.1结构的参数和模型

本文采用一八层基础隔震建筑[7]，是模拟美国南加州大学一座基础隔离的八层医院建筑，建筑物长82.4m，宽54.3m。结构一到六层的平面是L型，七层和八层的平面是矩形。上部结构的支柱位于建筑物的周边，基础和地面之间用一隔离层。被动的基础隔离装置采用31个低阻尼的橡胶垫和61个铅芯橡胶垫，前一种元件可以看作是线弹性元件，后一种元件为双线性元件，具体的分析可参见文献[8]。本文在文献[7]的结构基础上，在建筑物基础中心和周边共加有12个磁流变阻尼器，以比较智能基础隔震和被动基础隔震的性能。结构的精确模型是复杂的，在此将其简化为两部分：（1）八层上部结构；（2）基础、隔离轴承和磁流变阻尼器。上部结构每层的质量中心有三个主自由度，即有24个自由度。基础部分有以其质量为中心的三个自由度。总结构有27个自由度。基础板和楼板都假设刚度无限大。上部结构的阻尼比定为5%。结构的总重是202000kN。上部结构和基础的质量如表1所示。endprint

4.2地震波的选取

本算例主要是验证智能基础隔震系统在近场地震作用下的控制效果，选取以下的7种近场地震记录：1979年的EL-centro波、1995年日本Kobe地震波、Erzincan地震波、1994年美国Northridge的Newhall站、Sylamar站和Rinaldi站记录的地震波、jiji地震波。

5.分析结果

被动控制主要是由于隔离层的位移过大而导致结构的破坏，本文从位移、剪力等方面的最大值给出基础隔离系统的评估标准。在本节的讨论中，无控结构是指基础隔离系统中不包含磁流变阻尼器的被动基础隔离系统。

经程序计算分析后，7种地震波作用下两种控制方法的的结构楼层的峰值位移、峰值层间位移、峰值加速度和峰值基底剪力的比较图如图3、图4所示。

图3和图4中，横坐标中1代表EL-centro地震波，2代表Kobe地震波，3代表Erzinkan地震波，4代表Newhall地震波，5代表Sylmar地震波，6代表Rinaldi地震波，7代表jiji地震波。

从分析结构可以看出，智能基础隔离系统对隔离层的位移有很好的控制，并且不以增大基础的剪力和楼层的加速度为代价。因此，在原基础隔离系统中加入半主动控制装置而形成的组合智能基础隔离系统具有有更好的性能。

6.小结

本文结合半主动控制的特点，针对目前基础隔震建筑在近场地震波作用下也有可能破坏的现象，提出了半主动控制与基础隔震系统的混合控制系统。对一个采用基础隔震的八层框架结构在七种近场地震波作用下的性能进行了仿真分析，并比较了所提出的混合控制系统和采用低阻尼橡胶垫和铅芯橡胶垫的被动控制系统的控制性能，以验证本文所提出的智能混合基础隔震系统比原来的组合被动控制系统有更好的控制性能，并且不以增大基础的剪力和楼层的加速度为代价。

参考文献

[1] R.S.Jangid， J.M.Kelly. Base isolation for near-fault motion. Earthquake Engineering and Structural Dynamics，2001，30：691-707

[2]PRAVEEN K.MALHOTRA. Response of building to near-field pulse-like ground motions. Earthquake Engineering and Structural Dynamics，1999，28： 1309-1326

[3] G J.Madden， N.Wongprasert， M.D.Symans. Adaptive seismic isolation systems for structures subjected to disparate earthquake ground motions. Journal of Engineering Mechanics，2004，130（2）：1-8

[4] Riley，M.A.， Reinhorn，A.M.， Nagarajaiah，S. Implementation issues and testing of a hybrid sliding isolation system. Journal of Engineering Structural，20（3）：144-154

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[6] Laura M.Jansen， Shirley J.Dyke. Semiactive control strategies for MR dampers：comparative study. Journal of Engineering Mechanics，2000，126（8）：795-803

[7] Nagarajaiah S， Sun Xiaohong. Response of base-isolated USC hospital building in Northridge earthquake. Journal of Structural Engineering，2000，126（10）：1171-

1186

[8] Nagarajaiah S， Rwinhorn A.M. Constantinou M.C. Nonlinear dynamic analysis of 3-D-base-isolated structure. Journal of Structural Engineering，1991b，117（7）：

2035-2054

【文章編号】1006-2688（2017）10-0023-04endprint