王菁菁, 劉志彬, 李浩博, 岳洪滔
(1.廣州大學(xué)土木工程學(xué)院 廣州,510006) (2.湖南工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院 株洲,412000)
結(jié)構(gòu)控制技術(shù)通過對控制裝置所依附的結(jié)構(gòu)施加被動或主動的作用力,改變結(jié)構(gòu)主體的剛度、質(zhì)量和阻尼等,以達(dá)到減小能量輸入和加速能量消耗的目的[1-2]。目前,基礎(chǔ)隔震、TMD以及各類阻尼裝置[3]等結(jié)構(gòu)控制技術(shù)已經(jīng)被大量運用到實際工程之中。TMD是應(yīng)用最為廣泛的被動控制技術(shù)之一,遠(yuǎn)小于主體結(jié)構(gòu)質(zhì)量的TMD在運動過程中消耗大量能量[4-8]。為了使結(jié)構(gòu)響應(yīng)有效減低,TMD的自振頻率被調(diào)至與主體結(jié)構(gòu)相近,但也因為如此,TMD只在較窄的頻率范圍內(nèi)運作良好。在連續(xù)地震作用下控制結(jié)構(gòu)TMD的魯棒性難以保持,減震效果相對減弱[9]。NES是一種新型的被動控制方法。非線性能量阱由一個質(zhì)量或一組質(zhì)量組成,通過阻尼單元和非線性的彈簧單元與主體結(jié)構(gòu)相連,使其產(chǎn)生本質(zhì)非線性的回復(fù)力,因此NES能夠在較寬頻帶發(fā)揮控制作用[10-12]。其中一型NES研究較多,在一型NES的現(xiàn)象學(xué)模型中,NES質(zhì)量塊通過立方剛度的彈簧單元和黏滯阻尼單元與主體結(jié)構(gòu)相連。通過對某2層結(jié)構(gòu)模型分別附加一型NES和TMD在地震作用下的響應(yīng)對比可知,當(dāng)主體結(jié)構(gòu)固有頻率發(fā)生變化時,NES仍表現(xiàn)卓越[13],但同時一型NES減震性能容易受到初始能量的影響,在初始能量不同時減震效果差別較大。
為解決上述問題,筆者提出了將非線性和線性兩類控制方法聯(lián)合使用的結(jié)構(gòu)控制方法,使一個或一組裝置同時具備TMD的線性特點和NES的非線性特點,在脈沖型荷載作用下,非線性-線性聯(lián)合的控制方法展現(xiàn)出較強的能量魯棒性和頻率魯棒性[14]。劉良坤等[15]對TMD與NES并聯(lián)的控制方法利用復(fù)變量平均法和多尺度法進(jìn)行了分析,結(jié)果表明混合系統(tǒng)既拓寬了頻帶又降低了對初始能量的敏感性。
筆者在某8自由度主體結(jié)構(gòu)模型上附加TMD、一型NES、單質(zhì)量聯(lián)合阻尼器和雙質(zhì)量聯(lián)合阻尼器4種控制裝置。首先在脈沖型荷載作用下進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化,考察了各控制方法的能量魯棒性和頻率魯棒性。然后在7條實測地震作用下進(jìn)行減震效果對比和分析,并根據(jù)地震反應(yīng)譜和系統(tǒng)頻譜特性討論各類控制方法的減震性能差異。
單質(zhì)量聯(lián)合阻尼器(簡稱單聯(lián))在附加質(zhì)量運動正負(fù)方向分別采用非線性和線性回復(fù)力-位移關(guān)系,如圖1所示,是一種構(gòu)造緊湊、占用空間相對較小的結(jié)構(gòu)控制方法。單聯(lián)在正方向上遵循3次方回復(fù)力-位移關(guān)系,與一型NES相同;在負(fù)方向上遵循線性回復(fù)力-位移關(guān)系,與TMD相同,如圖2所示。
圖1 單質(zhì)量(左)與雙質(zhì)量(右)聯(lián)合阻尼器示意模型
圖2 單聯(lián)回復(fù)力-位移關(guān)系
單聯(lián)運動方程為
其中:ma為附加質(zhì)量;Ca為附加質(zhì)量的黏滯阻尼系數(shù);kasN和kast分別為附加質(zhì)量非線性和線性剛度系數(shù);ua為附加質(zhì)量相對于主體結(jié)構(gòu)位移;xhost·abs為主體結(jié)構(gòu)絕對位移。
雙質(zhì)量聯(lián)合阻尼器(簡稱雙聯(lián))使用2個附加質(zhì)量(見圖1),包括1個非線性質(zhì)量(即一型NES)和1個線性質(zhì)量(即TMD)。兩者不直接接觸,同時與主體結(jié)構(gòu)發(fā)生相互作用。
2個附加質(zhì)量的運動方程分別為
(2)
(3)
其中:maT和maN分別為雙聯(lián)中TMD和NES的質(zhì)量;caT和caN分別為TMD和NES的黏滯阻尼系數(shù);kaN和kaT分別為TMD和NES的剛度系數(shù);uaT和uaN分別為TMD和NES相對于主體結(jié)構(gòu)的位移。
為考察所提出兩類聯(lián)合阻尼器的減振性能,筆者將單聯(lián)、雙聯(lián)以及用于對比的一型NES和TMD分別置于同一主體結(jié)構(gòu)頂層,并采用相同優(yōu)化方法對各質(zhì)量阻尼器控制參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化在Matlab中通過建立Simulink模型進(jìn)行。所采用主體結(jié)構(gòu)為8層鋼框架結(jié)構(gòu)[16],首層高為3.9 m,其他層高為3.3 m。簡化為1個8自由度層串模型,使用State-space模塊模擬。各層質(zhì)量為2.3×105kg,剛度為3.9×108N/m,模態(tài)阻尼比為0.02,前3階自振周期分別為0.83,0.29和0.17s。優(yōu)化采用脈沖型荷載,通過設(shè)置初始運動條件施加,使各質(zhì)量(包括主體結(jié)構(gòu)和控制裝置)具有0.25 m/s的初始速度。優(yōu)化目標(biāo)為使各控制系統(tǒng)中主體結(jié)構(gòu)頂層位移10 s內(nèi)均方根達(dá)到最小值。當(dāng)控制裝置附加質(zhì)量越大時,其減振效果越顯著,但考慮到實際結(jié)構(gòu)中空間和裝置體量的限制,控制裝置質(zhì)量均取為主體結(jié)構(gòu)質(zhì)量的3%,即5.52×104kg。各控制裝置采用相同大小黏滯阻尼,參考TMD最優(yōu)阻尼計算方法[17],為9×104(N·s)/m。
單聯(lián)待優(yōu)化參數(shù)為線性和非線性剛度系數(shù),通過依次計算不同線性與非線性剛度系數(shù)組合下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)(頂層位移均方根)進(jìn)行選擇。優(yōu)化結(jié)果如圖3所示,最優(yōu)線性和非線性剛度系數(shù)分別為1.34×106N/m和1×109N/m3(圖中圓點所示)。
圖3 單聯(lián)剛度優(yōu)化結(jié)果
雙聯(lián)中總附加質(zhì)量為5.52×104kg,線性和非線性質(zhì)量各占50%,兩質(zhì)量阻尼特性相同,因此每個質(zhì)量的黏滯阻尼系數(shù)均為4.5×104(N·s)/m,總和為9×104(N·s)/m。待優(yōu)化參數(shù)為線性質(zhì)量和非線性質(zhì)量的剛度系數(shù),優(yōu)化結(jié)果見圖4,最優(yōu)線性質(zhì)量和非線性質(zhì)量剛度系數(shù)分別為3×106N/m和5×108N/m3(圖中圓點所示)。
一型NES和TMD各有1個待優(yōu)化參數(shù),為各自剛度系數(shù)。優(yōu)化后一型NES的剛度系數(shù)為3×108N/m3,TMD剛度系數(shù)為3×106N/m。
圖4 雙聯(lián)剛度優(yōu)化結(jié)果
圖5對比了在優(yōu)化脈沖型荷載(其初始速度為0.25m/s)作用下無控系統(tǒng)、TMD系統(tǒng)、一型NES系統(tǒng)、單聯(lián)系統(tǒng)以及雙聯(lián)系統(tǒng)的頂層位移響應(yīng)。通過對比可知,4類質(zhì)量阻尼器經(jīng)過優(yōu)化后具有極強的減振性能,在4個周期內(nèi)(約3s)可將位移降至其最大值的1/4以下,四者控制能力相當(dāng)。
圖5同時考察當(dāng)減小和增大脈沖型荷載時及主體結(jié)構(gòu)基本頻率降低25%時各控制裝置的減振效果,即對輸入能量大小變化和頻率變化的魯棒性。當(dāng)作為激勵的初始速度降至0.12 m/s時,TMD系統(tǒng)和雙聯(lián)系統(tǒng)減振性能與優(yōu)化荷載時相比幾乎沒有變化,其中TMD系統(tǒng)為完全線性系統(tǒng),響應(yīng)變化和減振比例不受荷載大小影響。而一型NES系統(tǒng)與單聯(lián)系統(tǒng)控制性能明顯退化,其中一型NES由于非線性更強,對輸入能量依賴更大,響應(yīng)也較單聯(lián)系統(tǒng)更大??紤]到荷載減小時,無控系統(tǒng)本身響應(yīng)很小,且一型NES和單聯(lián)仍具備一定的減振能力,不會對結(jié)構(gòu)安全造成過大影響。當(dāng)初始速度升至0.5 m/s時,可以觀察到與0.12 m/s初始速度時相似的情況,不同的是,此時一型NES系統(tǒng)和單聯(lián)系統(tǒng)響應(yīng)在約5 s時已減至與TMD系統(tǒng)和雙聯(lián)系統(tǒng)相近的水平,且此后響應(yīng)僅存在微小幅值的振動。
圖5 原頻率和變頻率系統(tǒng)在不同初始速度時頂層位移
降低主體結(jié)構(gòu)頻率可用于模擬結(jié)構(gòu)因發(fā)生破壞剛度下降所導(dǎo)致結(jié)構(gòu)特性的變化[18]。當(dāng)主體結(jié)構(gòu)基本頻率降低25%時,TMD與主體結(jié)構(gòu)不再調(diào)諧,不能有效形成共振機制而導(dǎo)致控制能力退化??捎^察到,在3種初始速度作用下,TMD系統(tǒng)響應(yīng)接近無控系統(tǒng),在4種方法中控制性能最弱。當(dāng)初始速度為0.25和0.5 m/s時,一型NES減振能力最強,這是由于輸入能量使附加質(zhì)量產(chǎn)生足夠的回復(fù)力,此時控制裝置的非線性越強越能適應(yīng)主體結(jié)構(gòu)頻率的變化。而在0.12 m/s初始速度作用下,非線性程度越大的質(zhì)量阻尼器等效線性剛度越小,產(chǎn)生的回復(fù)力也遠(yuǎn)小于線性程度更大的質(zhì)量阻尼器,因此一型NES系統(tǒng)的響應(yīng)大于兩類聯(lián)合阻尼器系統(tǒng)的響應(yīng)。在兩類聯(lián)合阻尼器中,單聯(lián)較雙聯(lián)控制能力更強,結(jié)合主體結(jié)構(gòu)頻率無變化時的響應(yīng)可知,兩者中單聯(lián)更接近一型NES,頻率魯棒性更強,雙聯(lián)更接近TMD,能量魯棒性更強。
為考察各類質(zhì)量阻尼器在地震作用下的控制性能,筆者對Pacific Earthquake Engineering Research Center(PEER)網(wǎng)站[19]下載的7條實測地震波作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)進(jìn)行了分析,表1列出了7條地震記錄的特性,地震峰值加速度(peak ground acceleration,簡稱PGA)范圍為0.47 m/s2(1號)至2.34m/s2(7號)。地震加速度的大小對應(yīng)輸入結(jié)構(gòu)的能量大小,各控制裝置在不同峰值加速度地震作用下的減震性能可在一定程度上反映其能量魯棒性。同時,考慮到各地震波頻率成分各異,主體結(jié)構(gòu)頻率的輕微變化有可能激發(fā)地震響應(yīng)的巨大改變,因此筆者還對主體結(jié)構(gòu)頻率下降25%時各系統(tǒng)的減震性能,即頻率魯棒性進(jìn)行了考察。表1同時列出了各地震作用下無控系統(tǒng)在原頻率時和頻率下降25%時的頂層位移峰值。
表1 地震記錄特性及無控系統(tǒng)響應(yīng)
Tab.1 Earthquake properties and responses of uncontrolled system
編號地震PEER編號持時/sPGA/(m·s-2)無控系統(tǒng)/mm原頻率75%頻率1KernRSN13_KERN_PAS18077.250.4727.4339.712KernRSN13_KERN_PAS27077.350.5254.2447.553KernRSN12_KERN_PEL_PEL18070.000.5835.2959.084LomaprietaRSN736_LOMAP_A0922739.051.0350.20129.735TabasRSN138_TABAS_BOS-L135.001.0362.6250.596LomaprietaRSN737_LOMAP_AGW00060.001.6640.9166.907LomaprietaRSN739_LOMAP_AND34039.752.3455.0761.55
圖6繪制了原頻率時各控制系統(tǒng)與無控系統(tǒng)頂層位移峰值和均方根的比值。如圖所示,在主體結(jié)構(gòu)頻率保持不變時,各控制裝置均可達(dá)到較好的減震效果,其中3號、7號2條地震作用下,各控制系統(tǒng)與無控系統(tǒng)的響應(yīng)比值均在0.6以下,減震效果顯著。4種控制方法中,一型NES由于非線性最強,能量魯棒性較差,在能量各異的地震作用下減震性能較其他方法較弱。當(dāng)不考慮一型NES系統(tǒng)時,除以上提到的2條地震外,TMD系統(tǒng)、單聯(lián)系統(tǒng)和雙聯(lián)系統(tǒng)還在1號、2號、5號和6號等4條地震作用下響應(yīng)均方根比值小于0.6或略超過0.6。兩類聯(lián)合控制方法響應(yīng)峰值與TMD接近,在大多數(shù)地震作用下減震性能與TMD相當(dāng)。
圖6 原頻率系統(tǒng)在地震作用下頂層位移峰值(左)與均方根(右)比值
圖7 3號和4號地震作用下各系統(tǒng)的頂層位移
圖7顯示了3號和4號地震作用下各系統(tǒng)的頂層位移響應(yīng)時程。由于地震持時較長,前后段結(jié)構(gòu)響應(yīng)微小,圖中時程只截取了響應(yīng)顯著的時間區(qū)間。對應(yīng)圖6可知,4號地震作用下各控制方法減震性能接近,3號地震作用下TMD系統(tǒng)和雙聯(lián)系統(tǒng)響應(yīng)明顯小于一型NES系統(tǒng)和單聯(lián)系統(tǒng)。這種差異可以通過輸入能量大小進(jìn)行解釋,由優(yōu)化荷載作用下各系統(tǒng)位移響應(yīng)(圖5)可知,無控系統(tǒng)頂層位移峰值約為0.05 m,4號地震作用下,無控系統(tǒng)頂層位移峰值與之接近,即此時輸入能量適中,帶有非線性的控制方法減震性能與線性控制方法相當(dāng)。而3號地震作用下,無控系統(tǒng)頂層位移峰值遠(yuǎn)小于優(yōu)化時的響應(yīng)峰值,非線性較強的控制方法,尤其是一型NES的等效線性剛度與主體結(jié)構(gòu)剛度相差較大,無法有效形成共振機制,減震性能不如線性控制方法。
圖8顯示了7條地震作用下,當(dāng)主體結(jié)構(gòu)頻率下降25%時TMD系統(tǒng)、一型NES系統(tǒng)、單聯(lián)系統(tǒng)和雙聯(lián)系統(tǒng)與無控系統(tǒng)的頂層位移峰值比值和均方根比值。此時減震性能的整體趨勢表現(xiàn)為TMD在所有控制方法中退化最為嚴(yán)重,除4號、5號、6號地震作用下TMD系統(tǒng)均方根響應(yīng)與其他控制系統(tǒng)接近以外,在剩余的4條地震作用下,TMD系統(tǒng)的均方根響應(yīng)明顯大于其他控制系統(tǒng)響應(yīng),甚至超過對能量最為敏感的一型NES系統(tǒng),原因為TMD與頻率下降的主體結(jié)構(gòu)不再調(diào)諧,控制性能顯著減弱。綜合原頻率和變頻率時的結(jié)構(gòu)響應(yīng)可知,同時具有線性和非線性特點的單聯(lián)和雙聯(lián)較TMD和一型NES能夠更好地兼顧輸入能量和主體結(jié)構(gòu)頻率的變化,通過脈沖型荷載優(yōu)化得到的控制裝置在地震作用下亦展現(xiàn)出優(yōu)越的減震性能。
圖8 變頻率系統(tǒng)在地震作用下頂層位移峰值(左)與均方根(右)比值
由地震響應(yīng)可以看出,不同地震作用下各控制方法的減震性能存在差異,對于同一種控制方法,減震效果也存在較大區(qū)別。通過分析圖6中原頻率時各控制系統(tǒng)的響應(yīng)比值得到,TMD在大多數(shù)地震作用下減震效果優(yōu)于具有非線性特點的控制裝置,尤其是完全非線性的一型NES,這是由于TMD的線性特點使其控制性能不受響應(yīng)大小的限制。但在6號和7號地震作用下,一型NES和兩類聯(lián)合質(zhì)量阻尼器系統(tǒng)的響應(yīng)峰值均小于TMD系統(tǒng)。圖9根據(jù)這一特點繪制了在結(jié)構(gòu)自振頻率附近的地震位移反應(yīng)譜,反應(yīng)譜圖中同時還對無控系統(tǒng)的第1階自振頻率(1.176 6 Hz,圖中粗實線)和TMD系統(tǒng)的第1、第2階自振頻率(1.056 9 Hz和1.336 2 Hz,圖中粗虛線)進(jìn)行了標(biāo)注。主體結(jié)構(gòu)附加質(zhì)量后自由度增加,原第1階頻率變?yōu)樵l率上下的2階頻率,高階頻率變化不明顯。對于完全非線性的一型NES和具有部分非線性的兩類聯(lián)合質(zhì)量阻尼器,由于自振頻率可變,附加裝置后結(jié)構(gòu)的第1、第2階頻率變化介于無控系統(tǒng)和TMD系統(tǒng)頻率之間。圖9(a)中繪制了以上提到的2條地震(帶有非線性的質(zhì)量阻尼器減震性能較好)的位移反應(yīng)譜,反應(yīng)譜呈現(xiàn)斜坡特點,無控系統(tǒng)第1階頻率處響應(yīng)明顯小于TMD系統(tǒng)第1階頻率處響應(yīng)。圖9(b)繪制了除此之外的5條地震(TMD減震性能較好)的位移反應(yīng)譜,反應(yīng)譜呈一字型,在所示頻率范圍內(nèi)響應(yīng)變化較平緩。繪制時對反應(yīng)譜進(jìn)行了歸一化處理,即增大或縮小各反應(yīng)譜使其均值為1,以便更清楚地觀察各條地震的頻譜規(guī)律。
圖9 斜坡型及一字型地震位移反應(yīng)譜
上述地震反應(yīng)譜與不同控制方法減震性能之間的規(guī)律可通過對位移響應(yīng)做頻率成分分解進(jìn)行解釋。將整個頻譜劃分為3個部分:小于1.1 Hz(第1部分)、1.1~1.25 Hz(第2部分)和大于1.25 Hz(第3部分),各部分頻譜劃分標(biāo)注于圖10中。無控系統(tǒng)第1階頻率屬于第2部分,TMD系統(tǒng)第1、第2階頻率分別屬于第1和第3部分。圖10對優(yōu)化脈沖型荷載作用下原頻率時各系統(tǒng)的頂層位移響應(yīng)按3個部分頻率范圍進(jìn)行分解,并選擇耗能效率最高的2.5~5 s進(jìn)行對比。無控系統(tǒng)以其第1階頻率振動,因此可觀察到第2部分頻率成分顯著大于第1、第3部分。TMD系統(tǒng)與無控系統(tǒng)相比第1、第3部分頻率成分增加,與其第1、第2階自振頻率對應(yīng)。帶有非線性的控制系統(tǒng)中,第2部分頻率成分最多,第1部分頻率成分較小,且非線性程度越高(如一型NES)第1部分頻率成分越小,單聯(lián)系統(tǒng)的頻率成分分布更接近一型NES系統(tǒng),雙聯(lián)系統(tǒng)更接近TMD系統(tǒng)。根據(jù)各部分頻率成分對總響應(yīng)的貢獻(xiàn)可知,在各控制系統(tǒng)中,線性系統(tǒng)的響應(yīng)大小主要依賴于第1和第3部分地震反應(yīng)譜的大小,非線性系統(tǒng)的響應(yīng)大小主要依賴于第2和第3部分地震反應(yīng)譜的大小。對于圖10所示的斜坡型反應(yīng)譜,第1部分頻率范圍對應(yīng)的位移響應(yīng)大于第2部分,因此TMD系統(tǒng)響應(yīng)大于非線性控制系統(tǒng);而對于圖10所示的一字型反應(yīng)譜,各部分頻率范圍對應(yīng)的位移響應(yīng)差別較小,此時地震作用的輸入能量大小是影響各控制方法減震性能的主要因素。
圖10 各系統(tǒng)位移響應(yīng)頻率成分
圖11為各系統(tǒng)結(jié)構(gòu)響應(yīng)在無控系統(tǒng)第1階頻率附近的小波變換圖。小波變換圖中陰影深淺對應(yīng)振動的大小,各控制系統(tǒng)小波陰影明顯淺于無控系統(tǒng),即振動顯著小于無控系統(tǒng)。圖11還對無控系統(tǒng)第1階頻率和TMD系統(tǒng)第1、第2階頻率位置進(jìn)行了標(biāo)注。無控系統(tǒng)與TMD系統(tǒng)為線性系統(tǒng),小波圖中所示振動主要集中在各自自振頻率處。一型NES系統(tǒng)為完全非線性系統(tǒng),振動無明顯固定頻率,部分集中于無控系統(tǒng)第1階頻率處,且向高頻區(qū)域延伸。單聯(lián)系統(tǒng)與一型NES系統(tǒng)接近,但低頻區(qū)域振動略大于一型NES系統(tǒng)。雙聯(lián)系統(tǒng)中可以觀察到2個頻率處的振動,其中較高頻振動介于無控系統(tǒng)第1階頻率和TMD系統(tǒng)第2階頻率之間,是振動的主要成分。通過小波變換可驗證響應(yīng)頻率成分分析所得到的結(jié)果,即非線性-線性聯(lián)合的控制方法使系統(tǒng)振動頻率介于TMD系統(tǒng)和一型NES系統(tǒng)之間,單聯(lián)和雙聯(lián)兼?zhèn)浞蔷€性和線性控制方法的特點。
圖11 各系統(tǒng)結(jié)構(gòu)響應(yīng)小波變換
1) 將非線性和線性結(jié)構(gòu)控制方法相結(jié)合,得到了單質(zhì)量聯(lián)合阻尼器和雙質(zhì)量聯(lián)合阻尼器兩類聯(lián)合控制方法。通過脈沖型荷載優(yōu)化得到的各控制裝置在7條實測地震作用下同樣能夠有效減小結(jié)構(gòu)響應(yīng)。綜合輸入能量大小和主體結(jié)構(gòu)頻率變化兩方面因素,兩類聯(lián)合質(zhì)量阻尼器較完全線性和完全非線性的控制方法減震性能更加優(yōu)越。
2) 通過對地震位移反應(yīng)譜、響應(yīng)頻率成分和小波變換分析可知,當(dāng)?shù)卣鸱磻?yīng)譜在系統(tǒng)振動頻率附近呈斜坡型時,TMD的減震效果相對非線性控制方法較差。此時應(yīng)優(yōu)先選擇帶有非線性的控制方法,尤其是兼?zhèn)漕l率魯棒性和能量魯棒性的單質(zhì)量聯(lián)合阻尼器和雙質(zhì)量聯(lián)合阻尼器兩類聯(lián)合控制方法。