建筑结构的主动隔震控制

建筑结构的主动隔震控制
魏金波;张哲;B.F.Spencer,Jr
【摘要】建筑结构的主动控制和被动控制可以有效地减少地震荷载时结构的动力反应.被动隔震控制已被广泛应用于实际的结构控制.为了进一步降低结构震动,主动控制无疑是一种比较理想的方法,它对于提高结构抵抗外界激励不确定性的能力,直接减少输入的干扰,以及在震动发生时连续自动的调整结构动力特性方面均优于被动控制.通过试验对建筑结构主动隔震控制进行研究,试验在伊利诺伊大学香槟分校的智能实验室进行.试验模型是3层2跨的剪切型结构,设置在底层的3个伺服千斤顶提供不超过2%建筑自重的控制力,控制结构的面内运动(X方向,Y方向和XY平面内的转动).试验结果表明该控制技术不仅可以有效的控制基础隔震层的位移,而且可以控制基底剪力在5%结构自重以内.
【期刊名称】《江西科学》
【年(卷),期】2011(029)002
【总页数】5页(P232-236)
【关键词】主动控制;隔震;系统识别
【作者】魏金波;张哲;B.F.Spencer,Jr
【作者单位】江苏省绿色建筑工程技术研究中心,江苏南京210009;伊利诺伊大学香槟分校,美国61801;郑州大学土木工程学院,河南郑州450001;伊利诺伊大学香槟分校,美国61801
【正文语种】中文
【中图分类】U664.842
被动控制是一种不需要外部能源的结构控制技术,已被证明是一种减少地震荷载时结构动力反应的有效方法。

被动隔震控制技术因构造简单、造价低,易于维护且无需外部能源支持等优点在实际工程中得到广泛的应用。

该技术主要通过在结构特定部位设置如叠层橡胶支座、滑动支座和用高强合金制成的滚珠或滚轴等隔震装置阻止外界对结构的能量输入,直接达到减震控制作用。

如果隔震层是无铅芯橡胶支座等柔性的隔震装置时,可以有效的减少来自地面的震动,但是隔震层会发生很大的位移,甚至超过规定的位移限制。

为了减少隔震层的位移,可以根据输入地震的类型和强度,采用铅芯橡胶支座等隔震装置来保证结构合适的动力反应,然而这些具有非线性特性的装置必须针对具体的地震输入,对其它地震输入并不是最优的。

另外,地震荷载具有随机性,在最大地震荷载作用下,隔震层的大位移更难满足设计要求,因此现在很多规范 (如 ICBO1997)强制考虑隔震层的大位移。

为了避免被动基础隔震的缺点,主动隔震控制和半主动隔震控制是一种比较理想的选择。

被动控制和半主动控制相结合的复合隔震控制技术被证明可用于各种地面激励,但这种复合隔震技术因半主动阻尼器 (如ER,MR阻尼器)的控制能力而受到很大的限制。

运用伺服千斤顶和被动隔震层的主动隔震控制可以克服被动控制和半主动控制的局限性。

主动隔震层的控制效果已经被一些实验所证实[1,2],但是这些研究只局限于一个方向的激励和控制。

本文通过实验运用伺服千斤顶研究主动隔震控制技术。

实验模型是一基础隔震钢框架,隔震层处的 3个伺服千斤顶用于主动控制。

该试验是在伊利诺伊大学香槟分校的智能试验室完成的。

首先,采用频域识别技术识别模型动力特性和伺服千斤顶动力特性等系统参数;其次,用 LQG算法计算减少结构加速度动力反应的最优控制力;然后,通过伺服千斤顶坐标系和总体坐标系之间的转换由 3个伺服千斤顶的长度决定被控制结构的状态;最后,被动控制系统和主动隔震系统在50 Hz带宽的白噪声激
励下的动力反应进行了比较,结果表明主动隔震系统在结构控制中是十分有效的。

主动控制时有外加能源的控制,其控制力是控制装置按某种控制策略,由外加能源主动施加的,即应用现代控制技术,对输入的外部扰动和结构反应实现联机实时跟踪和预测,并通过驱动器对结构施加控制力来改变系统特性,使结构和系统的性能满足一定的优化准则,以达到减小结构地震或风振反应的目的。

对结构进行主动控制的一些概念最早由 Zuk[3,4]提出的。

形成系统的结构振动控制理论始于 20世纪 70年代[5],Yao[6]给出了基于严格的控制理论的结构振动控制方法。

然而真正从理论和实践 2个方面研究主动控制并应用到土木工程结构上是 1990年左右。

对于提高结构抵抗外界激励的不确定性的能力,直接减少输入的干扰力,以及在振动发生时连续自动地调整结构动力特性方面,主动控制无疑是一种比较理想的方法。

主动控制系统主要由信息采集系统 (传感器)、计算机控制系统 (控制器)与主动驱动系统 (驱动器)三大部分组成。

主动控制系统按照控制器的工作方式可以分为开环控制、闭环控制和开-闭环控制等多种[7]。

1.1 开环控制
控制器通过传感器测得输入结构的外部激励,据此来调整驱动器施加给结构的控制力,而不反映输出的结构动力反应信息。

1.2 闭环控制
控制器通过传感器测得结构动力反应,据此调整驱动器施加给结构的控制力,而不反映输入结构的外部激励信息。

1.3 开 -闭环控制
控制系统通过传感器同时测得输入结构的外部激励和系统输出的结构反应,根据综合信息来调整驱动器施加给结构的控制力。

为了评价主动隔震系统用于建筑结构时的性能,在伊利诺伊大学香槟分校智能试验室建立了一个 3层 2跨钢框架模型进行试验研究。

该模型是由 3块尺寸为 1 143
mm×711.2 mm×25.4 mm,每块重 1 633.38 kg的钢楼板组成;每层钢楼板由 6根强度为 70.3 kg/cm2的钢材制成的柱支撑。

整个模型与实际结构具有相似的动力特性,因此可以将试验结果应用于以后实际结构的主动隔震设计。

为了实现这个结构模型主动隔震控制,基础隔震装置和连于底层的 3个伺服千斤顶被用于该模型。

由WorkSafe Technologies公司设计制作的隔震基底平台作为基础隔震层。

76.2 mm高的隔震基底平台利用 25.4 mm高的滚珠轴承来保护数据服务器等装置。

连于底层的 3个伺服千斤顶冲程为±111.25 mm,能力为 3 402.39 kg。

加速度计安装于每个楼层,用于测量模型 2个伺服千斤顶方向的结构动力反应。

底层的位移由差动变压器式位移传感器 (LVDT)测量,LVDT连接地面和模型底层。

最后,称重传感器 (load cell)被安装于 3个伺服千斤顶的端部来测量施加于模型的力。

整个试验如图 2所示。

2.1 系统识别
控制设计首先要得到系统输入和系统输出的准确关系。

有许多方法可以识别出系统输入、输出之间的关系,其中最简单、直观的方法是假定此系统是线性时不变系统,由单个输入得到的输出叠加得到。

这种方法已经被已有试验证明[8,9]。

本试验所研究模型的系统识别示意图如图 3所示。

地面激励和伺服千斤顶激励分别施加于结构上时的动力反应可以通过假定其中之一输入为零而得到。

分别从地面或伺服千斤顶激励到底层相对位移和第 1、第 2、第 3层楼板加速度的传递函数可以用 SIGLAB20-42动态信号处理器得到。

传递函数得到后,采用MFD I D程序进行试验数据的曲线拟合得到输入和输出之间的数学表达式。

MFD I D是一个三阶段频域识别方法[10]。

第 1阶段,用线性最小二乘法得到传递函数的估计值。

第 2阶段,用 Steglitz-Mcbride方法来修正第一阶段得到的传递函数。

第 3阶段,用Levenber-Marquart方法得到传递函数的最大可能估计。

理论上,伺服千斤顶可以用一个极点的系统动力模型来模拟。

对于实际的结构需要
更大的伺服千斤顶和更复杂的系统动力模型,而对于一般的试验分析研究,能力为 3 402.39 kg的伺服千斤顶和简单的动力模型已近足够了。

但是,本次试验中,伺服千
斤顶的长度与截面面积的比值比较大,伺服千斤顶在 0～50 Hz的频域中具有更复
杂的动力特性。

曲线拟合关于伺服千斤顶动力特性的试验数据表明该系统有 3个
极点。

2.2 控制设计
系统识别得到系统输入与输出之间的关系后,可以用 LQG控制设计技术来设计加速度反馈控制器。

该控制器需要第 2、第 3层楼板的加速度和 Kal man滤波器来得
到另外 9个结构状态。

运用这些状态,控制器可以控制 3层楼板的加速度和基底相
对位移。

本试验中采用2个不同的控制器。

第1个控制器(控制器A)控制基底位移和第2、第 3层楼板的加速度。

第 2个控制器 (控制器B)仅控制第3层楼板的加速度。

首
先研究 2个控制器的性能,对 2个控制器在 0～50 Hz内的开环增益进行比较,结果如图 4所示,从图 4中可以明确的看出结构识别结果在 0～40 Hz范围内非常精确,因此该控制器可以在此频率范围内应用。

另外,从保证整个系统稳定来说,开环增益
只能被用于 0～40 Hz的频率范围,该范围可保证 2个控制器输入的增益大于 0。

为了评价该控制的性能,50 Hz的白噪声作为结构的外激励。

3.1 分析模型验证
在进行控制器性能研究之前,首先进行此模型的增益试验研究,以确保整个模型的准
确性。

试验结果表明理论和试验增益具有很好的一致性。

为了进一步验证该模型的准确性,又对从地面加速度到结构动力反应的传递函数进行了比较。

如图 5所示,理论和试验所得的传递函数之间吻合的很好,仅有很小的差别。

这些差别很大一方面
是由于存在于结构的不确定因素,如存在于隔震层和伺服千斤顶中的摩擦等非线性
因素引起的。

3.2 控制器性能
为了研究控制器的性能,4种不同的控制应用于本试验。

第 1种控制是被动控制,没
有伺服千斤顶与模型相连,只考虑底部隔震层的作用。

第 2种控制是零控制下基础
隔震技术,虽然伺服千斤顶和模型相连,提供附加的阻尼力,但是没有控制信号传输给伺服千斤顶。

第 3、第 4种控制分别是利用控制器 A和控制器 B的情况。

各种不
同控制下的结果如图 6所示。

应当指出的是,LVDT只能在连接到模型上时才能测
量基底位移,因此在被动控制的情况下,无法测量基底位移。

最后,4种控制下模型的基底剪力进行了比较,结果如图 7所示。

从图 7中可以清楚地看出,在传统地震反应谱的范围,主动隔震情况可以大大降低被动控制时的峰值基底剪力。

3.3 实验结果讨论
利用 50 Hz带宽的白噪声作为该模型外部激励来研究不同传感器的性能。

从这些
结果中,可以明显地看出,虽然仅采用被动控制时结构的动力反应如各楼层加速度和
基底剪力在很大的频率范围内小于采用主动隔震控制时的结构动力反应,但是在
0～2 Hz的频率范围内,控制器 A和 B有更好的控制性能。

因为 0～2 Hz正是地震荷载输入结构最大能量的频率段,所以主动控制在实际地震荷载作用下将具有比被
动控制更大的优势。

对于 0～2 Hz频率段以外的激励,需要设计不同的主动隔震控制器以得到比被动控制更好的控制能力。

当地面激励的主要能量频率段不在 0～2 Hz范围内时,被动控制可以给予结构充分的安全保障。

但是,实际上地震荷载在此频率段输入结构最多的能量,因此可以预测,当仅用被动控制时结构将承受更大的基底剪力。

从实验所得的结果表明主动隔震控制可以有效地减少基底剪力,是一种优于仅有被动控制装置时的更合理的控制技术。

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