浅谈半主动控制在建筑结构中的应用

孙健 张佳

摘 要：地震是一种具有破坏性的自然现象，全球每年大约会发生500万多次地震，其中，绝大多数地震是微小地震，我们人类一般是感觉不到的。地震给人类带来了难以估量的损失，但人类在技术上仍不能准确地预测地震和控制地震的发生，因此如何减少地震带来的破坏成为我们高度关注的问题。传统的减震方法主要是通过结构本身来抵御外界荷载的，如加大构件的截面尺寸、提高材料的强度等级、增加结构的上部阻尼或者在基础设置橡胶支座等措施以达到增强建筑结构体系抗震动力特性的目的，这会导致成本大大提高，是被动消极的结构对策，违反了建筑结构经济性和安全性的要求，而且在大震作用下，其抗震性能往往不太理想。因此，在建筑物中考虑结构减震控制是对建筑结构发展的必然要求。本文对半主动控制装置中的磁流变阻尼器进行了分析研究，并提供了磁流变阻尼器应用于建筑结构中的模拟方案。

关键词：半主动控制；地震；磁流变阻尼；结构振动控制

1 结构振动控制

结构控制是通过在结构上施加子系统或耗能隔振装置来抵御外界动荷载以减轻结构在地震作用下的反应，工程结构振动控制根据是否需要外界能量的输入划分为：被动控制（无外界能源的输入）、主动控制（有外界能源的输入）、半主动控制和混合控制（有部分能源的输入）。

（1）被动控制是一种不需要外界能源输入的结构控制技术，通常是指在建筑结构的某个部位附加一个子系统，或在建筑结构本身的某些构件上做构造上的处理以达到增强建筑结构体系抗震动力特性的目的。采用被动控制的结构体系其优点是构造简单，应用型强，但是建筑结构体系对复杂环境变化的适应力和控制力相对较弱。

（2）主动控制是一种需要外界能源输入的结构控制技术，建筑结构在受到外界激励时，是通过施加与振动方向相反的控制力来实现建筑结构控制，从而快速地降低建筑结构的振动响应。结构主动控制的优点是控制效果好、适用范围广和目标选择灵活。缺点是结构的组成系统非常复杂，而且耗能大，其费用也远远高于其他的结构控制方式。

（3）结构半主动控制的原理同结构主动控制的原理大致相同，即实施控制力的作动器需要提供少量的能量调节，这样可以主动并巧妙地利用结构振动控制的反复变形或相对速度，尽可能地实现主动最优控制力。半主动控制的优点是：它比主动控制更容易实施、更经济，由于其控制效果与主动控制相近，故有较大的研究与应用开发价值，因此选用半主动控制进行研究比较合适。

半主动控制有多种装置，其中磁流变阻尼器是应用最为广泛的一种，与其他半主动控制装置相比较，磁流变阻尼器具有响应快、机构简单、动态范围大、阻尼力连续、可逆可调的优点，而且其耐久性良好，同时又能与计算机结合控制，具有良好的减振效果。

2 磁流变阻尼器半主動控制研究

磁流变液在磁场的强度的作用下由自由流动或粘性流动的液体在毫秒级的时间范围内转变为半固体，这是磁流变液最重要的特性，这种变化是连续的、可逆的，具有屈服强度高而且粘性相近、性能更稳定的优点。

2.1 国内外对磁流变阻尼器半主动控制研究

2002年隋莉莉、欧进萍提出了四种半主动控制算法，在一个三层剪切型建筑结构上安装了MR减振驱动器，并进行了仿真模拟，分析和对比了各种半主动控制算法和被动控制算法的控制效果。经分析表明，MR减振驱动器可以有效地控制结构的振动响应。

2003年U.Aldemir对磁流变阻尼器的最优控制减振性能进行了研究，U.Aldemir将磁流变阻尼器应用于单自由度体系，同时在该体系上施加多种形式的动力荷载。磁流变阻尼器的减振效果要比传统的被动TMD减振效果好。

2004年Yoshioda等利用MRD采用了改进的Clipped-optimal控制算法对一座20层的结构进行了半主动控制分析。经计算发现，采用MRD半主动控制效果与主动控制效果相当，甚至比主动控制效果还要好，而且半主动控制消耗的能量非常少。

2006年周云、吴志远、邓雪松，优化了磁流变阻尼器半主动控制系统，通过选择合适的控制算法和控制律，进一步优化了控制系统。

2011年G.C.Kim.和J.W.Kang.分析了磁流变阻尼器在相邻建筑结构地震动力反应控制中的应用。经分析表明，在相邻结构中应用磁流变阻尼器的减振控制是很有效的。

2.2 计算研究应用-最优Bang-Bang磁流变阻尼控制算法

磁流变阻尼器具有反应迅捷，动力调谐连续和过程可逆的优点，所以目前备受关注。但是与传统的粘性变阻尼控制相比，这种半主动智能控制装置同样具有类似的问题，与被动控制效果相比较，半主动控制方案并未能进一步改善控制效果，故一般运用最优Bang-Bang的控制算法或对其做相应的修改。

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3 设计思路

被动控制系统和主动控制系统各自的优点被半主动控制综合利用，所以半自动控制既有被动控制系统可靠性的优势，又有主动控制系统适应性强的特点，而且根据相应的算法控制可以达到主动控制系统更好地控制的效果，并且构造较简单，所需要的能量较小，所以半主动控制将会成为当前结构振动控制领域研究的新热点。

通过了解振动控制理论在土木工程领域的应用，分析多自由度建筑结构体系磁流变阻尼器半主动控制的减震效果。根据研究目标，建立20层的多自由度结构体系模型，并根据龙格-库塔方法给出算法的求解公式，利用MATLAB软件编写程序，通过运动方程进行求解结构体系地震动力反应。然后根据体系地震动力反应计算结果，分析评价多自由度结构体系在磁流变阻尼器半主动控制系统下的减震效果。关键步骤如下：

（1）建立多自由度结构体系磁流变阻尼器半主动控制体系运动方程，根据龙格-库塔方法，给出控制算法的求解过程，利用MATLAB软件编写求解软件。

（2）对不同的半主动控制算法（控制力计算方法及施加方法）分别计算处地震动力反应，比较减震效果，提出修正的半主动控制算法。

（3）根据地震动力反应分析结果确定最佳的磁流变阻尼器半主动控制算法。

（4）利用MATLAB语言编制求解软件。求出各楼层的层间位移、楼层位移、楼层速度以及楼层加速度，评价控制方案与算法的减震效果。

（5）计算结果分析，磁流变阻尼器半主动控制减震研究与AMD控制进行对比（层间位移，楼层位移，楼层速度，楼层加速度）。

根据已建成的采用多自由度结构体系变阻尼半主动控制的结构特点，结合实际的工程项目，进行归纳总结多自由度结构体系变阻尼半主动控制体系减震效果，为研究进一步研究半主动控制系统的实用性提供了有力的理论依据。磁流变阻尼器结构简单、响应快、动态范围大，即使控制系统发生了故障其仍然可以起到被动控制的作用，所以半主动控制具有很强的可靠性，综上，磁流变阻尼器是当前结构减振控制中最为有效的半主动控制装置。

参考文献：

[1] 李桂靑，徐家云等.结构控制与控制结构计算理论和方法北京：地震出版社，2006.

[2] 汗建晓，孟光.磁流变液装置及其在机械程中的应机械强度，2001（1）：50+56.

[3] 周云，谭平.磁流变阻尼控制理论与技术[M]北京：科学出版社，2007.

[4] 欧进萍.结构振动控制—主动、半主动和智能控制[M].北京：科学出版社，2003.