摘" 要:該研究通過對(duì)配置磁流變(MR)阻尼器的4層框架基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模,系統(tǒng)討論該結(jié)構(gòu)在2種控制策略作用下的隔震性能。結(jié)果表明,相較于經(jīng)典的bang-bang控制策略,采用模糊控制策略能同時(shí)降低結(jié)構(gòu)在地震作用下的基底位移與上部結(jié)構(gòu)的加速度響應(yīng),從而實(shí)現(xiàn)隔震性能的顯著提升。
關(guān)鍵詞:模糊控制;磁流變阻尼器;隔震結(jié)構(gòu);地震響應(yīng);仿真分析
中圖分類號(hào):TU352.11" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A" " " " " 文章編號(hào):2095-2945(2025)05-0067-04
Abstract: In this paper, a four-story frame isolated-structure equipped with magnetorheological (MR) dampers is modeled, and the isolation performance of the structure under different control strategies is discussed. The results show that compared with the classical bang-bang control strategy, the implementation of a fuzzy control strategy can simultaneously reduce both the base displacement and the super structure acceleration response under seismic actions. This leads to a significant enhancement in seismic isolation performance.
Keywords: fuzzy control; magnetorheological(MR) damper; base-isolated structure; seismic response; simulation analysis
基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)通過在建筑物基礎(chǔ)與上部結(jié)構(gòu)間設(shè)置隔震層,延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的自振周期,達(dá)到降低結(jié)構(gòu)加速度響應(yīng)的目的[1]。常見的隔震層結(jié)構(gòu)采用內(nèi)含鉛芯的橡膠隔震支座附加阻尼裝置[2],其中,MR阻尼器憑借裝置簡(jiǎn)單、響應(yīng)快、阻尼力大和能耗小等優(yōu)勢(shì)成為隔震層的優(yōu)選組件[3]。MR阻尼器的工作原理:通過調(diào)節(jié)輸入阻尼器的電流來改變其內(nèi)部的磁場(chǎng)強(qiáng)度,引發(fā)磁流變液黏度的變化,進(jìn)而得到所需的阻尼力[4]。值得注意的是,采用不同的阻尼器控制策略會(huì)直接影響阻尼器的性能表現(xiàn),進(jìn)而影響對(duì)隔震結(jié)構(gòu)的控制效果。因此,本研究深入探討了2種不同控制策略對(duì)該結(jié)構(gòu)隔震性能的具體影響:一是經(jīng)典的bang-bang控制策略,它基于簡(jiǎn)單的閾值邏輯,通過迅速切換阻尼器的狀態(tài)以實(shí)現(xiàn)隔震效果;二是更為先進(jìn)的模糊控制策略,該策略利用模糊邏輯理論,能夠根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到的地震動(dòng)參數(shù)和結(jié)構(gòu)響應(yīng),靈活調(diào)整阻尼器的輸入電流,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)震動(dòng)的更精細(xì)控制。
1" 隔震系統(tǒng)
1.1" 隔震結(jié)構(gòu)模型
如圖1所示,本研究采用4層混合式基礎(chǔ)隔震建筑模型來評(píng)估地震響應(yīng)。隔震層由4個(gè)完全相同的直徑為100 mm的天然橡膠支座及4個(gè)MR阻尼器組成。隔震系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程為
1.2 MR阻尼器的力學(xué)模型
為了更好地描述 MR 阻尼器的非線性特性,本研究采用了Bouc-Wen模型來評(píng)估其力學(xué)性能,該模型因能通過參數(shù)識(shí)別精準(zhǔn)捕捉滯回動(dòng)力響應(yīng)狀態(tài),從而得到廣泛應(yīng)用。因此,MR阻尼力F可用Bouc-Wen模型(表1)表達(dá)為
1.3" 地震動(dòng)輸入
為了評(píng)估MR阻尼器在不同控制策略下的性能,選用了4條地震波作為輸入激勵(lì),分別是遠(yuǎn)斷層地震動(dòng)記錄中的EI-Centro波、近斷層地震動(dòng)記錄中的Ji-Ji、Kobe_FN和Kobe_FP波??紤]到支座安全,需要對(duì)地震加速度進(jìn)行調(diào)幅,其中Ji-Ji波的峰值加速度被調(diào)至1.5 g,而剩余3個(gè)地震動(dòng)峰值加速度被統(tǒng)一調(diào)至3 g,調(diào)幅后的加速度反應(yīng)譜如圖2所示。
2" 控制策略
2.1" Bang-bang控制
經(jīng)典的bang-bang控制策略是一種基于二進(jìn)制邏輯的簡(jiǎn)化控制算法,其核心思想在于實(shí)施一種直接的“開-關(guān)”操作機(jī)制。當(dāng)隔震層位移x和速度■符號(hào)相同時(shí),增大輸入阻尼器的電流,反之,則關(guān)閉電流。其控制方程如下
2.2" 模糊控制
模糊控制是一種基于模糊集合論、模糊語言變量及模糊推理原理的智能控制方法。該方法不依賴于被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型,而是巧妙地總結(jié)專家知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)來執(zhí)行直觀、有效的控制,因此在結(jié)構(gòu)震(振)動(dòng)控制領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。模糊控制的設(shè)計(jì)過程分為4個(gè)階段:①確定輸入和輸出變量,并界定其基本論域范圍;②定義隸屬度函數(shù),將輸入精確值轉(zhuǎn)換為模糊值;③編寫推理規(guī)則并將輸入變量映射為輸出變量;④將輸出的模糊量轉(zhuǎn)換為精確量[5-6]。
本研究采用單輸入單輸出的模糊控制系統(tǒng),旨在優(yōu)化隔震系統(tǒng)的性能。具體而言,系統(tǒng)的輸入被設(shè)定為位移x和速度■的乘積,這一復(fù)合指標(biāo)能夠綜合反映結(jié)構(gòu)的震動(dòng)狀態(tài);而輸出則設(shè)定為阻尼器的控制電流。采用三角函數(shù)來表征輸入輸出的模糊集合的隸屬度,如圖3和圖4所示。其中,語言變量negative、zero和positive分別對(duì)應(yīng)于輸入變量的負(fù)值、零值及正值狀態(tài),而low和high則分別代表了控制電流的低水平和高水平。
3" 仿真結(jié)果分析
為了全面且系統(tǒng)地評(píng)估2種不同的控制策略在4層隔震結(jié)構(gòu)中的控制性能表現(xiàn),本研究采用MATLAB對(duì)目標(biāo)結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值仿真分析,在此分析過程中,特別選取了具有代表性和實(shí)用價(jià)值的性能指標(biāo),即峰值基底位移與峰值加速度,作為衡量控制效果的關(guān)鍵依據(jù)。仿真結(jié)果見表2。通過對(duì)比分析可以發(fā)現(xiàn),在面對(duì)這4種地震波輸入時(shí),模糊控制策略相較于經(jīng)典的bang-bang控制策略,展現(xiàn)出了更為優(yōu)越的控制性能,不僅能夠有效地限制并減小基底位移的峰值,還能夠大幅度地降低加速度響應(yīng)的峰值,從而在多個(gè)維度上提升隔震結(jié)構(gòu)的整體抗震性能。具體而言,在模糊控制策略下,峰值基底位移相較于bang-bang控制策略的最大降幅可達(dá)26.09%,更為顯著的是,峰值加速度的最大降幅更是高達(dá)50.29%,這一結(jié)果有力表明,簡(jiǎn)單地在最大值與最小值之間切換MR阻尼器的電流,反而可能加劇結(jié)構(gòu)的響應(yīng),凸顯了模糊控制在提升隔震結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性方面的顯著優(yōu)勢(shì)。
4" 結(jié)論
本研究采用了單輸入單輸出的模糊控制系統(tǒng)作為核心控制策略,該系統(tǒng)反饋信息少,控制規(guī)則相對(duì)簡(jiǎn)單,從而在仿真過程中展現(xiàn)出高效的計(jì)算速度。通過實(shí)施這一控制機(jī)制,系統(tǒng)能夠顯著地抑制基底位移和上部結(jié)構(gòu)的加速度響應(yīng),控制效果優(yōu)于經(jīng)典的bang-bang控制,這對(duì)于提升結(jié)構(gòu)在地震作用下的整體穩(wěn)定性具有重要意義。此外,該系統(tǒng)還展現(xiàn)出了在不同地震輸入條件下的廣泛適應(yīng)性,即無論是面對(duì)遠(yuǎn)斷層地震還是近斷層地震,系統(tǒng)均能保持穩(wěn)定的控制性能,這一特性極大地拓寬了其在實(shí)際工程應(yīng)用中的潛在價(jià)值。綜上所述,本研究提出的單輸入單輸出模糊控制系統(tǒng)不僅優(yōu)化了控制隔震結(jié)構(gòu)的效率,還顯著增強(qiáng)了其在復(fù)雜地震環(huán)境下的實(shí)用性和可靠性。
參考文獻(xiàn):
[1] 李春祥,龍秋雨,曹黎媛.混合基礎(chǔ)隔震體系優(yōu)化設(shè)計(jì)及性能[J].振動(dòng)工程學(xué)報(bào),2024,37(1):137-147.
[2] 楊衛(wèi)星,劉曦.基于調(diào)諧慣容阻尼器的基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)性能優(yōu)化研究[J].廣州建筑,2023,51(6):25-28.
[3] PARLAK Z, SAHIN I, PARLAK N. One-way coupled numerical model utilizing Viscoelastic Maxwell model for MR damper[J]. Journal of Intelligent Material Systems and Structures,2022,33(19):2391-2404.
[4] 貝偉明,李宏男.采用磁流變阻尼器的地震結(jié)構(gòu)模糊控制[J].自然災(zāi)害學(xué)報(bào),2006(4):172-176.
[5] RAYEGANI A, NOURIG.Application of smart dampers for prevention of seismic pounding in isolated structures subjected to Near-fault earthquakes[J].Journal of Earthquake Engineering,2020,26(8):4069-4084.
[6] 趙大海,李永興,李宏男,等.基于多級(jí)模糊控制的半主動(dòng)隔震結(jié)構(gòu)減震研究[J].振動(dòng)與沖擊,2016,35(13):78-84.