基于雙線性恢復(fù)力模型的mr智能基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)分析

基于雙線性恢復(fù)力模型的mr智能基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)分析

基礎(chǔ)振動主要由層橡膠雨棚覆蓋和消耗，吸收和消耗地震能量，減少地震波向上部結(jié)構(gòu)的傳遞，從而減少建筑物的地震反應(yīng)。然而，在高層建筑中，基本的地震能量只能部分地減少，并且界面的過度變形可能會破壞界面。當安裝了一些控制裝置時，采用混合控制的方法可以獲得較小的控制效果。磁共振跟蹤裝置是一種性能非常優(yōu)越的智能偶氮分析儀。磁共振源檢測器可以快速改變mr溶液的衰減特性，并調(diào)節(jié)其監(jiān)護人的控制。在這項工作中，我們研究了基于mr智能基本振動結(jié)構(gòu)的振動性能，并使用了雙線性補償模型來描述橡膠基層的彈塑性特征。采用模糊半主動控制策略計算mr波束模型的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，建立了該結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型，并對該結(jié)構(gòu)的地震作用下的時間反應(yīng)進行了分析，評估了mr智能獨立振動系統(tǒng)的抗衰減性能。1橡膠層的雙重線性恢復(fù)模型在地震荷載作用下,可用雙線性恢復(fù)力模型簡化柔性隔震層的彈塑性特性,雙線性恢復(fù)力模型如圖1所示.2磁場強度的確定目前,國際上普遍采用Bingham塑性模型來描述MR液在穩(wěn)態(tài)條件下的流變學(xué)本構(gòu)關(guān)系,可表述為:τ=η0˙γ+τysgn(˙γ)?(1)其中,τ為剪應(yīng)力;˙γ為剪切應(yīng)變速率;η0為表觀粘度,一般不隨場強而變化;τy為剪切屈服應(yīng)力,與外加磁場強度成正比.MR阻尼器在外力作用下,阻尼器中的活塞只有克服了MR液的剪切屈服應(yīng)力,使其產(chǎn)生塑性流動,才能在缸體中運動.因此,只要調(diào)整磁場強度,就可以調(diào)整阻尼器中阻尼力的大小.MR阻尼器的阻尼力由粘滯項和可控庫侖力項組成:Fd(t)=Cd˙xd(t)+fdsgn[˙xd(t)]?(2)其中,Fd(t)為阻尼器的阻尼力;Cd為粘滯系數(shù);fd為摩擦力,與MR液的剪切屈服應(yīng)力有關(guān).MR阻尼器的阻尼力具體表達式為:Fd(t)=12η0LApπDh3AΡ˙xd(t)+3LτyhAΡsgn[˙xd(t)]?(3)AΡ=π4(D2-d2)?(4)其中,L為活塞的有效長度;D為缸體的內(nèi)徑;d為活塞直徑;h為活塞與缸體的間隙;AP為活塞的有效面積;˙xd(t)為活塞與缸體的相對運動速度.3隔震層恢復(fù)力模型的建立圖2為MR智能基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu),其中基底通過疊層橡膠隔震墊支承在地基上,橡膠隔震墊部分地減少地震能量向結(jié)構(gòu)傳播,設(shè)置在隔震層的MR阻尼器進一步減小結(jié)構(gòu)的動力反應(yīng).假設(shè)該結(jié)構(gòu)為剪切型的結(jié)構(gòu),整個結(jié)構(gòu)按(n+1)個質(zhì)點的模型來建模,運動微分方程如下:[Μ]{¨x}+[C]{˙x}+[k]{x}=-[Μ]{1}¨xg-{Ρ}+{U}?(5)其中,[M],[C]和[k]分別為質(zhì)量矩陣、阻尼矩陣和剛度矩陣;x為各質(zhì)點相對于地面的位移向量;¨xg為地震加速度;{P}為各質(zhì)點的恢復(fù)力向量;{U}為控制力向量.各矩陣的具體形式如下:[Μ]=[mbm10?0mn-1mn]?[k]=[kb+k1-k1-k1k1+k2-k20???0-kn-1kn-1+kn-kn-knkn][C]=[cb+c1-c1-c1c1+c2-c20???0-cn-1cn-1+cn-cn-cncn],{Ρ}={pb0?0},{U}={-Fd0?0},(6)其中,mb,kb,cb和pb分別為隔震層的質(zhì)量、剛度、阻尼和恢復(fù)力;kb和pb按隔震層恢復(fù)力圖形的階段確定,這里采用雙線性恢復(fù)力模型;Fd為MR阻尼器的控制力.本文采用wilson-θ法求解運動微分方程式(5).4結(jié)構(gòu)的模糊控制準則設(shè)計簡單而有效的控制器是施加MR阻尼器的控制力和有效保護隔震層變形的關(guān)鍵.由于模糊控制不依賴結(jié)構(gòu)本身的參數(shù),控制準則是根據(jù)專家的經(jīng)驗確定,且模糊控制所需采集的響應(yīng)數(shù)據(jù)少,控制器也較簡單.本文采用使MR阻尼器實現(xiàn)的半主動控制力盡量接近模糊主動控制力的智能控制策略,其中模糊主動控制力是以隔震層的層間位移和層間速度為模糊輸入,依專家的經(jīng)驗而確定的模糊控制規(guī)則得出的模糊輸出.4.1模糊語言變量的模糊控制在MR智能基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)中,考慮到MR阻尼器是通過調(diào)整參數(shù)fd來實現(xiàn)調(diào)節(jié)控制力的.因此,它所實現(xiàn)的可調(diào)控制力受到阻尼器本身滑動位移和滑動速度的制約,而其滑動位移和滑動速度又與隔震層的變形有關(guān).在模糊控制中可以取隔震層的層間位移Δxb和層間速度Δvb作為模糊控制的輸入.主動控制力u0作為模糊控制輸出.采用“IF...THEN”語句描述結(jié)構(gòu)的模糊控制規(guī)則.前件為Δxb和Δvb,后件為u0.定義它們相應(yīng)的模糊集為{Δxb}={Δvb}={u0}={NL,NS,ZR,PS,PL},(7)其中,NL=負大(NegativeLarge),NS=負小(NegativeSmall),ZR=零(Zero),PS=正小(PositiveSmall),PL=正大(PositiveLarge).為計算方便,Δxb,Δvb和u0均采用三角形隸屬函數(shù),其中(ax,bx),(av,bv)分別為隔震層層間位移的范圍和隔震層層間速度的范圍,(au,bu)為控制力的范圍,且定義{Δxb={-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4}對應(yīng)于(ax,bx),{Δvb}={-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4}對應(yīng)于(av,bv),{u0}={-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4}對應(yīng)于(au,bu),隸屬函數(shù)曲線如圖3所示.確定了模糊語言變量的模糊集隸屬函數(shù)以后,即可以根據(jù)控制策略的漸變思想形成MR阻尼器減震控制的模糊控制規(guī)則表,其內(nèi)容不依賴結(jié)構(gòu)本身的參數(shù).控制規(guī)則對控制效果有影響,本文采用的控制準則是根據(jù)專家經(jīng)驗確定,如表1所示.根據(jù)模糊控制規(guī)則表可得出模糊輸出,采用重心法對其進行解模糊處理,就可以得到MR阻尼器作用在隔震層上的主動控制力.4.2尼器參數(shù)的調(diào)節(jié)為了使MR阻尼器實現(xiàn)的半主動控制效果盡量接近模糊主動控制的效果,同時又保證MR阻尼器更多地耗能,本文對MR阻尼器參數(shù)的調(diào)節(jié)采用的半主動控制策略如下:Fd(t)={Fmin?|u0|≤|Fmin|?|u0|sgn(Fmax)?|Fmin|<|u0|<|Fmax|?Fmax?|Fmax|≤|u0|?(8)其中,Fmin和Fmax為剪切屈服應(yīng)力分別對應(yīng)于τymin和τymax時MR阻尼器的庫倫阻尼力的幅值;u0為模糊主動控制時的主動控制力.5結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定本文采用一個五層框架作為計算對象,結(jié)構(gòu)的參數(shù)如表2所示.基礎(chǔ)隔震層采用了疊層橡膠隔震墊,其阻尼比ξb=0.2,隔震層的質(zhì)量mb=2.45×103kg.采用雙線性恢復(fù)力模型描述橡膠隔震墊的彈塑性特性,水平初始剛度kb1=1.5×104N/m,屈服后的水平剛度kb2=0.9×104N/m,屈服位移δy=0.02m.MR阻尼器的參數(shù)如表3所示.本文選用的地震波為結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)分析常用的ElCentro波,該地震波的最大加速度為341.7gal,出現(xiàn)在2.12s處.鑒于本算例的框架模型參數(shù)較小,將最大地震加速度調(diào)整為200gal,時程反應(yīng)的持續(xù)時間為8s,時間間隔為0.02s.為了比較,本文計算了原結(jié)構(gòu)、被動基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)和MR智能基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)在地震作用下的動力反應(yīng).各種結(jié)構(gòu)各樓層的的峰值位移如表4所示.由表4可知,雖然被動基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)的頂層峰值位移比原結(jié)構(gòu)減小了31.12%,但卻放大了底部樓層的位移,而且隔震層的位移也較大.MR智能基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)的頂層峰值位移比原結(jié)構(gòu)減小了60.41%,比被動基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)減小了42.52%,底部樓層的位移比被動基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)還小.MR智能基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)的隔震層的峰值位移比被動基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)減小48.98%,而且所需的最大驅(qū)動力不過7.20kN.可見,MR智能基礎(chǔ)隔震的控制效果優(yōu)于被動基礎(chǔ)隔震的控制效果.6m阻尼器作用力本文為研究MR智能基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)的抗震性能,建立了該混合控制結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型,其中應(yīng)用雙線性恢復(fù)力模型