蔡曉虹

摘 要：針對被動的基礎(chǔ)隔震系統(tǒng)不能保證在任何地震作用下都是有效的。本文提出了半主動控制系統(tǒng)與被動的基礎(chǔ)隔離系統(tǒng)相結(jié)合的智能基礎(chǔ)隔離系統(tǒng)，編制了相應(yīng)的Matlab程序，利用這一程序本文對一個八層結(jié)構(gòu)進(jìn)行了仿真分析，結(jié)果表明本文所提出的智能基礎(chǔ)隔離控制系統(tǒng)比原來的被動基礎(chǔ)隔離控制系統(tǒng)具有更好的控制性能。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)隔震

semi-active control for base-isolation structure with MR damper

Cai Xiao-hong

Abstract：the base-isolation system is studied， and the author finds that the validity of the base isolation system depends upon the dynamic characteristics of the earthquake ground motion， so a new system that can be effective for a wide range of ground excitation is necessary. Hybrid control strategies， consisting of the passive isolation system and semi-active control， is proposed in this paper. The author complied a relevant program with Matlab language， simulation analysis of a eighth-story structure is made. The results of study are shown that the performance of smart isolation system is better than the passive isolation system in terms of achieving the good reduction in base drifts.

1.引言

結(jié)構(gòu)隔震已被工程界廣泛接受和使用。結(jié)構(gòu)隔震就是在結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)之間加一有適當(dāng)阻尼的隔離層，把上部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)隔離開來，以隔離地震能量向上部結(jié)構(gòu)的傳輸，達(dá)到對上部結(jié)構(gòu)的位移和加速度的控制。結(jié)構(gòu)隔震的主要原理是在延長結(jié)構(gòu)的周期的同時，并給予結(jié)構(gòu)適當(dāng)?shù)淖枘?，這樣使結(jié)構(gòu)的加速度反應(yīng)大大減小，同時，結(jié)構(gòu)的位移主要由結(jié)構(gòu)物底部與基礎(chǔ)之間的隔震裝置提供，而不是由結(jié)構(gòu)自身的相對位移承擔(dān)，結(jié)構(gòu)在地震過程中上部結(jié)構(gòu)的層間位移相對位移很小，僅像剛體那樣作輕微的平動，從而保障了上部結(jié)構(gòu)的安全性。

然而，近年來的幾次規(guī)模較大的地震災(zāi)害表明，傳統(tǒng)的被動基礎(chǔ)隔離不能保證在任何地震作用下都有良好的控制效果。例如，傳統(tǒng)的基礎(chǔ)隔離結(jié)構(gòu)在遠(yuǎn)場地面運動作用下有良好的控制效果，但在近場地面運動作用下反而會增大的結(jié)構(gòu)的響應(yīng)而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞[1-3]。如1994年的美國 Northridge地震和1995年的日本Kobe的地震，相當(dāng)多已建成的隔震結(jié)構(gòu)都有不同程度的破壞。因此，發(fā)展一種可以保證基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)在近場地震作用下的有效性的控制系統(tǒng)是非常重要的。

針對上述的問題，許多研究者提出組合基礎(chǔ)隔離系統(tǒng)，并對此作了大量的研究，但主要的研究集中在采用主動控制和被動基礎(chǔ)隔離的組合[4， 5]，然而主動控制雖對各種地震作用都有很好的控制效果，但由于它需要很大的外部能量，很難在實際工程中得到廣泛的應(yīng)用。本文提出應(yīng)用半主動控制和基礎(chǔ)隔離的組合控制系統(tǒng)來提高結(jié)構(gòu)的性能，半主動控制裝置采用磁流變阻尼器。磁流變阻尼器的工作原理和阻尼力可參見文獻(xiàn)[6]。

2.基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)控制的狀態(tài)方程

隔震結(jié)構(gòu)承受兩個方向的地震作用時，假定上部結(jié)構(gòu)是線彈性系統(tǒng)。上部結(jié)構(gòu)的方程為：

此時的n是上部結(jié)構(gòu)總層數(shù)的三倍，M、C、K、X和 分別為質(zhì)量、阻尼、剛度矩陣和位移、地震加速度向量，R是地震影響系數(shù)矩陣， 是基礎(chǔ)相對于地面的加速度向量。

對于基礎(chǔ)層它受到了四種外力：（1）隔離層的合力；（2）磁流變阻尼器的合力；（3）上部結(jié)構(gòu)引起的剪力；（4）地面運動的慣性力?；A(chǔ)層方程可表示為：

式中， 是剛性基礎(chǔ)的對角質(zhì)量矩陣； 是隔離層的和阻尼矩陣； 是隔離層的和剛度矩陣； 是磁流變阻尼器的阻尼力； 仍為地面運動的加速度； 為基礎(chǔ)相對與地面的加速度； 和 為基礎(chǔ)的位移和速度反應(yīng)的列向量。

因此組合上兩式可得到此基礎(chǔ)隔離的狀態(tài)方程：

3.分析程序

通過上述的分析，作者以Matlab和Simulink為平臺，編寫了相關(guān)的計算機(jī)程序，程序中無控結(jié)構(gòu)的Simulink塊和受控結(jié)構(gòu)的Simulink塊的示意圖如圖1和圖2所示。上部結(jié)構(gòu)模型采用層間剪切模型，結(jié)構(gòu)的質(zhì)量認(rèn)為集中在樓面或屋面上，假定上部結(jié)構(gòu)處于線彈性狀態(tài)，時間步長為0.005s。

4.算例分析

本節(jié)將結(jié)合一個八層的框架結(jié)構(gòu)。應(yīng)用本文提出的智能基礎(chǔ)隔震系統(tǒng)對其進(jìn)行控制仿真分析，比較智能基礎(chǔ)隔離系統(tǒng)與傳統(tǒng)的基礎(chǔ)隔離系統(tǒng)的控制性能。

4.1結(jié)構(gòu)的參數(shù)和模型

本文采用一八層基礎(chǔ)隔震建筑[7]，是模擬美國南加州大學(xué)一座基礎(chǔ)隔離的八層醫(yī)院建筑，建筑物長82.4m，寬54.3m。結(jié)構(gòu)一到六層的平面是L型，七層和八層的平面是矩形。上部結(jié)構(gòu)的支柱位于建筑物的周邊，基礎(chǔ)和地面之間用一隔離層。被動的基礎(chǔ)隔離裝置采用31個低阻尼的橡膠墊和61個鉛芯橡膠墊，前一種元件可以看作是線彈性元件，后一種元件為雙線性元件，具體的分析可參見文獻(xiàn)[8]。本文在文獻(xiàn)[7]的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，在建筑物基礎(chǔ)中心和周邊共加有12個磁流變阻尼器，以比較智能基礎(chǔ)隔震和被動基礎(chǔ)隔震的性能。結(jié)構(gòu)的精確模型是復(fù)雜的，在此將其簡化為兩部分：（1）八層上部結(jié)構(gòu)；（2）基礎(chǔ)、隔離軸承和磁流變阻尼器。上部結(jié)構(gòu)每層的質(zhì)量中心有三個主自由度，即有24個自由度。基礎(chǔ)部分有以其質(zhì)量為中心的三個自由度。總結(jié)構(gòu)有27個自由度。基礎(chǔ)板和樓板都假設(shè)剛度無限大。上部結(jié)構(gòu)的阻尼比定為5%。結(jié)構(gòu)的總重是202000kN。上部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)的質(zhì)量如表1所示。endprint

4.2地震波的選取

本算例主要是驗證智能基礎(chǔ)隔震系統(tǒng)在近場地震作用下的控制效果，選取以下的7種近場地震記錄：1979年的EL-centro波、1995年日本Kobe地震波、Erzincan地震波、1994年美國Northridge的Newhall站、Sylamar站和Rinaldi站記錄的地震波、jiji地震波。

5.分析結(jié)果

被動控制主要是由于隔離層的位移過大而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的破壞，本文從位移、剪力等方面的最大值給出基礎(chǔ)隔離系統(tǒng)的評估標(biāo)準(zhǔn)。在本節(jié)的討論中，無控結(jié)構(gòu)是指基礎(chǔ)隔離系統(tǒng)中不包含磁流變阻尼器的被動基礎(chǔ)隔離系統(tǒng)。

經(jīng)程序計算分析后，7種地震波作用下兩種控制方法的的結(jié)構(gòu)樓層的峰值位移、峰值層間位移、峰值加速度和峰值基底剪力的比較圖如圖3、圖4所示。

圖3和圖4中，橫坐標(biāo)中1代表EL-centro地震波，2代表Kobe地震波，3代表Erzinkan地震波，4代表Newhall地震波，5代表Sylmar地震波，6代表Rinaldi地震波，7代表jiji地震波。

從分析結(jié)構(gòu)可以看出，智能基礎(chǔ)隔離系統(tǒng)對隔離層的位移有很好的控制，并且不以增大基礎(chǔ)的剪力和樓層的加速度為代價。因此，在原基礎(chǔ)隔離系統(tǒng)中加入半主動控制裝置而形成的組合智能基礎(chǔ)隔離系統(tǒng)具有有更好的性能。

6.小結(jié)

本文結(jié)合半主動控制的特點，針對目前基礎(chǔ)隔震建筑在近場地震波作用下也有可能破壞的現(xiàn)象，提出了半主動控制與基礎(chǔ)隔震系統(tǒng)的混合控制系統(tǒng)。對一個采用基礎(chǔ)隔震的八層框架結(jié)構(gòu)在七種近場地震波作用下的性能進(jìn)行了仿真分析，并比較了所提出的混合控制系統(tǒng)和采用低阻尼橡膠墊和鉛芯橡膠墊的被動控制系統(tǒng)的控制性能，以驗證本文所提出的智能混合基礎(chǔ)隔震系統(tǒng)比原來的組合被動控制系統(tǒng)有更好的控制性能，并且不以增大基礎(chǔ)的剪力和樓層的加速度為代價。

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【文章編號】1006-2688（2017）10-0023-04endprint