非对称建筑结构的磁流变阻尼器半主动控制
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摘要
理论研究与震害经验表明，扭转反应会加速偏心结构在地震作用下的破坏，在某些情况下甚至成为导致建筑物破坏的主要因素，研究偏心结构在地震作用下的扭转耦联振动控制问题具有重要现实意义。磁流变阻尼器(magnetorheological damper，简称MRD)是目前振动控制中最有效的半主动控制装置，采用MRD对结构进行智能控制成为结构控制领域的一个重要研究方向。国内外学者在这方面进行了大量研究工作，并取得一些成果，但在MRD的动力建模、控制策略以及利用MRD对偏心结构扭转反应的控制等方面仍存在许多问题，有待进一步研究。在此背景下，本论文主要在以下几方面进行系统的理论分析和试验研究：
(1)提出MRD动力模型—双sigmoid模型。在对MRD进行力学性能试验研究的基础上，建立一种新的力学模型—双sigmoid模型。该模型的突出优点是综合考虑了施加电流、激励性质等因素的影响，且参数识别容易、物理概念清晰。与试验结果相比，在不同激励性质和电流下该模型均能较准确地描述MRD低速区的滞回非线性及在高速区的饱和特性。
(2)提出改进Clipped-Optimal控制策略和多态控制策略。针对双态控制易引起结构加速度局部放大和三态控制中刚度不易确定的问题，提出电流连续变化的改进Clipped-Optimal控制策略和以速度响应作为状态切换参数的多态控制策略。通过遗传算法工具得到多态控制策略中最优速度控制参数估算公式。数值计算结果表明本文提出的两种半主动控制策略能较好解决双态控制下在地震动初期、末期和小震时易引起受控结构动力反应局部放大的问题，且简单易行，具有较高应用价值。
(3)仿真分析偏心结构地震反应规律和MRD的振动控制效果。基于简化有限元方法，利用变分原理和静力缩聚技术推导剪力墙的单元刚度矩阵，编制钢筋混凝土框—剪偏心结构空间协同分析的计算程序。计算场地类别、地震动强度、偏心距以及使用荷载等因素对钢筋混凝土框—剪偏心结构地震反应的影响规律，分析MRD在这些因素下对偏心结构扭转反应的控制效果。
(4)进行钢筋混凝土框—剪偏心结构MRD减震振动台试验。利用Matlab／Simulink软件平台和dSPACE实时仿真系统建立一座3层钢筋混凝土框—剪偏心结构试验控制系统的仿真模型，并采用RCP技术对此结构进行MRD控制的振动台试验，在不同地震动输入下比较分析MRD的被动控制和半主动控制的减震效果。振动台试验结果表明：与无控结构反应相比，MRD的两种被动控制对框—剪偏心结构均有一定减震效果，但被动控制效果对地震动频谱特性比较敏感；MRD半主动控制对结构在不同地震动输入下的控制效果比被动控制好，结构扭转反应得到了明显抑制；MRD数量和安装位置对结构的减震效果有重要影响。
Both theoretical analysis and seismic disasters indicate that the torsional response can aggravate destroying of the eccentric structures. So the control of eccentric structures under earthquake is an important issue in seismic response control. Magnetorheological damper (MRD) is a kind of intelligent and the most effective semi-active control device, and it is hot to research the control of structure using MRD. There are a large mount of researches on MRD and its application up to now, and many significant developments have been gained. However, there are many problems required to be further investigated including developing new type MRD, semi-active control strategy, torsional response control of eccentric structure using MRD, etc. The thesis focus on the vibration control of eccentric structures using MRD, and the main effects are devoted to the following aspects:
(1) The double sigmoid model of MRD is proposed. A new mechanical model — double sigmoid model is developed based on the experimental study of MRD. The outstanding feature of the proposed model is a fact that both the magnitude of control current and a wide range of excitation conditions are under consideration. Through this model, the identification of parameters is relatively easy and the physical concept of the model is clear. Under different excitation conditions and control current, the comparison between the results given by this model and the experimental data shows that via the proposed model, the phenomena of the hysteresis nonlinear properties in higher velocity region and the saturation characteristic in lower velocity region of MRD can be described accurately.
(2) The modified clipped-optimal control strategy (MCO) and the multi-state control strategy (MSC) are developed. According to the problems of amplification of local acceleration response appearing in the bi-state control method and the stiffness confirmed difficulty for the tri-state control method, two semi-active control strategies are proposed, the modified clipped-optimal control strategy which adjusts current continuously and the multi-state control strategy which uses the velocity response as state-switch parameter. The value of state-switch parameter in the multi-state control strategy is optimized by genetic algorithm (GA) method, and a formula is proposed. The simulation results indicate that the proposed two kinds of semi-active control strategies can avoid the amplification of local acceleration response, and they are simple, feasible and have a high application value.
(3) The seismic response characteristics of the eccentric structures and the control effects of MRD are simulated. Based on the simplified method of finite element, the element stiffness
(1)提出MRD动力模型—双sigmoid模型。在对MRD进行力学性能试验研究的基础上，建立一种新的力学模型—双sigmoid模型。该模型的突出优点是综合考虑了施加电流、激励性质等因素的影响，且参数识别容易、物理概念清晰。与试验结果相比，在不同激励性质和电流下该模型均能较准确地描述MRD低速区的滞回非线性及在高速区的饱和特性。
(2)提出改进Clipped-Optimal控制策略和多态控制策略。针对双态控制易引起结构加速度局部放大和三态控制中刚度不易确定的问题，提出电流连续变化的改进Clipped-Optimal控制策略和以速度响应作为状态切换参数的多态控制策略。通过遗传算法工具得到多态控制策略中最优速度控制参数估算公式。数值计算结果表明本文提出的两种半主动控制策略能较好解决双态控制下在地震动初期、末期和小震时易引起受控结构动力反应局部放大的问题，且简单易行，具有较高应用价值。
(3)仿真分析偏心结构地震反应规律和MRD的振动控制效果。基于简化有限元方法，利用变分原理和静力缩聚技术推导剪力墙的单元刚度矩阵，编制钢筋混凝土框—剪偏心结构空间协同分析的计算程序。计算场地类别、地震动强度、偏心距以及使用荷载等因素对钢筋混凝土框—剪偏心结构地震反应的影响规律，分析MRD在这些因素下对偏心结构扭转反应的控制效果。
(4)进行钢筋混凝土框—剪偏心结构MRD减震振动台试验。利用Matlab／Simulink软件平台和dSPACE实时仿真系统建立一座3层钢筋混凝土框—剪偏心结构试验控制系统的仿真模型，并采用RCP技术对此结构进行MRD控制的振动台试验，在不同地震动输入下比较分析MRD的被动控制和半主动控制的减震效果。振动台试验结果表明：与无控结构反应相比，MRD的两种被动控制对框—剪偏心结构均有一定减震效果，但被动控制效果对地震动频谱特性比较敏感；MRD半主动控制对结构在不同地震动输入下的控制效果比被动控制好，结构扭转反应得到了明显抑制；MRD数量和安装位置对结构的减震效果有重要影响。
Both theoretical analysis and seismic disasters indicate that the torsional response can aggravate destroying of the eccentric structures. So the control of eccentric structures under earthquake is an important issue in seismic response control. Magnetorheological damper (MRD) is a kind of intelligent and the most effective semi-active control device, and it is hot to research the control of structure using MRD. There are a large mount of researches on MRD and its application up to now, and many significant developments have been gained. However, there are many problems required to be further investigated including developing new type MRD, semi-active control strategy, torsional response control of eccentric structure using MRD, etc. The thesis focus on the vibration control of eccentric structures using MRD, and the main effects are devoted to the following aspects:
(1) The double sigmoid model of MRD is proposed. A new mechanical model — double sigmoid model is developed based on the experimental study of MRD. The outstanding feature of the proposed model is a fact that both the magnitude of control current and a wide range of excitation conditions are under consideration. Through this model, the identification of parameters is relatively easy and the physical concept of the model is clear. Under different excitation conditions and control current, the comparison between the results given by this model and the experimental data shows that via the proposed model, the phenomena of the hysteresis nonlinear properties in higher velocity region and the saturation characteristic in lower velocity region of MRD can be described accurately.
(2) The modified clipped-optimal control strategy (MCO) and the multi-state control strategy (MSC) are developed. According to the problems of amplification of local acceleration response appearing in the bi-state control method and the stiffness confirmed difficulty for the tri-state control method, two semi-active control strategies are proposed, the modified clipped-optimal control strategy which adjusts current continuously and the multi-state control strategy which uses the velocity response as state-switch parameter. The value of state-switch parameter in the multi-state control strategy is optimized by genetic algorithm (GA) method, and a formula is proposed. The simulation results indicate that the proposed two kinds of semi-active control strategies can avoid the amplification of local acceleration response, and they are simple, feasible and have a high application value.
(3) The seismic response characteristics of the eccentric structures and the control effects of MRD are simulated. Based on the simplified method of finite element, the element stiffness
引文
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