磁控摩擦阻尼器对信号塔的地震反应控制

磁控摩擦阻尼器对信号塔的地震反应控制

罗威;涂建维

【摘要】针对常摩擦阻尼器摩擦力恒定的问题，设计一种新型筒式磁控变摩擦阻尼器，并建立磁控变摩擦阻尼器的力学模型。以机场信号塔结构为工程背景，将信号塔的三维空间有限元模型简化为二维串联多自由度模型；采用LQG主动控制算法和界限Hrovat半主动控制策略对磁控变摩擦阻尼器实施控制；讨论常摩擦阻尼器被动控制和磁控摩擦阻尼器半主动控制对地震作用下信号塔结构振动响应的控制效果。计算结果显示，磁控摩擦阻尼器的半主动控制取得明显优于常摩擦阻尼器被动控制的减振效果，在实际工程中有着良好的应用前景。%To cope with the issue of constant slip force of passive friction dampers, a new type barrel electromagnet friction damper was designed. The mechanical models of the passive friction damper and the magnetic friction damper were introduced respectively. With the airport signal tower structure as the research background, a three-dimensional finite element static model was established by means of ANSYS. Then, based on some assumptions, the three-dimensional model was simplified to a series of two-dimensional lumped mass dynamic models. The vibration control effects of the passive friction damper and the magnetic friction damper for the airport signal tower under the earthquake were discussed. Results of this study show that the semi-active control of the magnetic friction damper performs much better than the passive control of the passive friction damper. It may have a good prospect in actual engineering application.

【期刊名称】《噪声与振动控制》

【年(卷),期】2016(000)001

【总页数】6页(P177-182)

【关键词】振动与波;磁控变摩擦阻尼器;信号塔;半主动控制;控制算法

【作者】罗威;涂建维

【作者单位】武汉理工大学道路桥梁与结构工程湖北省重点实验室，武汉430070;武汉理工大学道路桥梁与结构工程湖北省重点实验室，武汉 430070

【正文语种】中文

【中图分类】TB53

国际机场信号塔台是民航的专项工程，为特殊设防类（甲类）建筑。为了满足建筑美观和功能要求，塔台多为体型细长、造型独特的高耸结构。由于信号塔台的活动层和机房设备层都集中在塔台顶部，这使得顶部活动层的质量刚度比会远远超过下部筒体结构的质量刚度比。在地震作用下，顶部活动层会产生较大的地震鞭梢效应，采用常规设计方法很难满足结构的抗震设计要求。因此，对机场信号塔台实施振动控制措施将显得尤为重要。

国外较早进行摩擦阻尼器对塔架结构的减震研究，美国在波音公司发展中心大楼[1]、高地水塔和罗林山水塔上安装了常摩擦阻尼器进行减震加固[2]，在满足抗震

需求的前提下节省了大量加固费用。在国内，瞿伟廉，陈朝晖对常摩擦阻尼器用于高柔塔架结构风震和地震响应控制进行了系统的研究[3]。由于常摩擦阻尼器的起

滑力不能根据控制需要而实时改变，当风荷载或者地震干扰强度发生改变时，其减振效果和使用范围就受到很大局限。

电磁摩擦的出现解决了上述摩擦力恒定的问题，其原理是由磁通产生的电磁吸力吸引衔铁，将摩擦片压紧，进而在摩擦片上摩擦耗能，由于磁场变化的可连续性，使得摩擦力具有自动调节和自动变化的能力。王伟等利用电磁铁的磁力效应设计了电磁摩擦控制装置，在一个五层钢框架结构模型上安装了电磁摩擦控制装置，并在振动台上完成了结构震动控制的试验研究，结果表明该控制装置具有良好的可靠性和适应性，并且减震效果显著[4–7]。本文提出一种筒式磁控变摩擦阻尼器，建立磁

控变摩擦阻尼器的力学模型，并对机场信号塔台结构进行地震响应控制，最后比较地震作用下信号塔台在常摩擦阻尼器被动控制和磁控变摩擦阻尼器半主动控制下的减震效果。

以武汉天河国际机场三期扩建空管工程信号塔作为工程背景，此柔性结构高115.6 m，高宽比达到14，体型细长，其立面图如图1（a）所示。塔台下部为混凝土筒体结构，从标高89.4 m到标高115.6 m（16层—23层）悬挑了钢框架幕墙结构，机房、通讯设备等质量都集中在16—23层。塔台顶部活动层的平面为鸡蛋形，X 向（如图）刚度小于Y向刚度，并且X向的质心与扭转中心严重不重合，扭转效

应会增加。利用ANSYS软件建立信号塔的三维空间有限元模型，幕墙、楼梯等附加组件都转化为集中质量作用于信号塔结构的相应位置，模型不同构件的形状与尺寸则按照实际结构取值。信号塔主体结构三维空间模型如图1(b)所示。

信号塔的三维有限元模型计算工作量大，耗时长，需要进行模型简化，将信号塔的三维空间有限元模型简化为二维串联集中质量模型。二维串联多自由度模型的质量个数依赖于所选取节点层的个数，形成的质量矩阵为一个由n个质量点组成的n

维对角矩阵，矩阵中各对角元素代表各节点层的质量。对于此机场信号塔，选取

15个节点层作为集中质量点。

该信号塔结构简化模型的刚度矩阵采用如下步骤求得：

（1）在三维模型的第i楼层施加总和为1(是否有误？)的水平力，解如下方程求结