地震是人类面临的最严重的自然灾害之一,

强烈地震往往带来巨大的生命和财产的损失。我

国地震区域广阔而分散, 地震频繁而强烈, 在二十

世纪内震级等于或大于8的强地震已经发生10次

之多, 其中发生在人烟稠密地方的地震损失惨重,

就如2008年5月12日的汶川大地震。1 地震工程学的研究内容、目的与意义

地震工程学是研究地震动、工程结构地震反

应和抗震减灾理论的科学

[1]

。其中地震动的研究又

包括: 地震地质背景、强震观测、地震动基本特性、

地震动的模拟及震害现象分析等; 工程结构地震

反应包括试验观察与理论分析两部分; 抗震减灾

理论主要包含抗震设计理论、结构振动控制理论、

地震危险性分析、震害预测理论、防灾规划与灾害

控制理论等。

地震工程学研究地震动的目的在于通过对地

面运动规律、地震动特性与震害现象的了解与总

结, 结合地震工程学其它方面的研究内容, 探求从

工程角度减轻和控制地震灾害的方法。而抗震减

灾理论的研究目的在于通过研究地震动与工程结

构的动力性能, 以达到减轻、控制地震灾害的目的。我国是一个多地震的国家, 海城、唐山、汶川等

强烈地震给人民的生命财产造成了巨大损失。对

地震灾害应贯彻预防为主的方针, 其中最根本的

预防措施是搞好抗震设防, 提高工程结构的抗震

能力

[2]

。地震工程学的最终任务是根据地震预报现

有结果, 在国家经济政策的指导下, 经济、安全而

又合理地规定兴建工程的抗震设防技术措施, 同

时对已有的工程规定鉴定标准和加固措施[3]。

近年来将磁流变(MR)、形状记忆合金(SMA)和压电陶瓷

(PZT)等智能材料引入其中,为建造大震不倒的结构提供了光辉灿烂的前景,也为

振动控制的研究平添了无穷的活力。目前对MR阻尼器的研究已经比较深入和成

熟,故有必要加强对其它半主动控制装置的研究与开发。本文基于形状记忆合金

(SMA)和压电陶瓷(PZT)两种智能材料的特点,提出了三种压电复合变摩擦

阻尼器,它们充分利用PZT的正、逆压电效应和响应速度快的优点以及SMA丝

出力大、性能稳定的特性,结合摩擦阻尼器的简单构造,改善了现有压电阻尼器

的性能,力图推进压电阻尼器的实用化进程。

在电场作用下,变形被约束的叠层压电陶瓷驱动器能够瞬间提供可控的驱动

力(即逆压电效应),而且控制系统简单可靠,这些特点为其实用化提供了方便。

利用这个特点,分别研发了水平面内无方向性的压电变摩擦阻尼器和压电-SMA

复合变摩擦阻尼器,与圆形隔震橡胶支座协调工作,能够在水平各个方向提供可

控的摩擦阻尼。对安装有新型阻尼器的智能隔震结构进行了理论分析和试验研究。

在此基础上,还提出了压电自发电的智能隔震系统的理论构想。主要工作包括以

下几个方面?.

(1)针对新型的压电阻尼器和压电-SMA变摩擦阻尼器,制作了其实验室比

例的模型。分别进行了压电陶瓷出力性能试验、SMA丝材料性能试验和两种新型

阻尼器的动力性能试验:压电驱动器出力性能试验结果表明,开始阶段预压力的

增加能提高压电陶瓷驱动器的出力,但随着约束钢架被预压得越来越紧密,压电

驱动器出力趋于稳定。阻尼器性能试验主要研究其动力特性,研究了施加固定预

压力(对应于“被动关”状态)和同时施加预压力和变电压下阻尼力(对应于半

主动控制状态)的特性,特别是研究了双向滑动时压电摩擦阻尼器的动力特性,

还测试了大行程下SMA丝提供的阻尼力特性。结果表明,SMA丝能够在隔震层

位移较大时,提供很好的复位力。智能阻尼器半主动和被动状态下的可控阻尼力

稳定,滞回性能在低频段基本不随加载频率的变化而改变。双向滑动时,起滑阶

段x、y方向初始刚度相差较大,滑移稳定后双向的动力特性稳定。

(2)由于压电-SMA复合变摩擦阻尼器构造复杂,而且两种智能材料(叠层

压屯驱动器和SMA丝)都在贡献阻尼力时导致阻尼器变形,而目前研究中基于

单向胡克定律的压电可调正压力计算公式已经不再适用。所以,提出了基于有限

元分析的智能阻尼器可调阻尼力计算模型和带电压参数的形状系数计算公式。通

博I:学位论文

过Ansys分析还证明了长行程的)五电复合阻尼器中,压电正压力偏心,对可调阻

尼力的影响非常小,并推导了可调阻尼力偏心影响的计算公式。在此基础上,还

优化了复合智能阻尼器的刚度参数。

(3)对基于压电-SMA复合变摩擦阻尼器的智能高位层间隔震系统进行了仿

真分析。以一 14层的高位(第9层)层间隔震实际工程为算例,进行了限幅最优

半主动控制和被动开、关控制以及最优电压控制的比较分析,首先确定了加层隔

震抗震加固的智能隔震结构的控制效果评价指标,应用限幅最优控制策略和最优

电压被动控制策略对层间隔震结构的地震响应进行了分析。结果表明,最优电压

被动控制能取得半主动控制非常接近的控制效果,有效减小结构的地震响应(特

别是隔震层的层间位移)。

(4)进行了安装压电-SMA摩擦阻尼器的钢框架隔震模型结构(包括基础隔

震和层间隔震)的振动台试验。试验结果表明,新型智能阻尼器的主要构件(压

电套筒、约束钢架和SMA丝调节阀)都能在隔震层与圆形隔震垫协调工作,提

供水平任一方向的可控阻尼力。比较分析了不同地震波输入下压电摩擦阻尼器的

控制效果,特别是研究了隔震层位置不同时(基础隔震、首层隔震),智能隔震的

控制效果。试验结果表明,压电-SMA复合变摩擦阻尼器和相应的控制策略都是

非常有效的:被动 、关控制和最优电压控制均能减小结构的响应,最优电压控

制不仅费效比是最好的,而且能充分发挥压电-SMA摩擦阻尼器的性能,获得很

好的控制效果,特别是大幅减少了隔震层的位移,对层间隔震结构而S,不仅仅

提高了隔震结构性能,而且也减少了效应引起的弯矩和剪力,提高了层间隔

震系统的可靠性。

(5)对于偶然偏心作用导致结构的地震扭转响应,压电-SMA复合变摩擦阻

尼器中的SMA丝能够提供抗扭拉力和阻尼,抵抗偶然偏心的作用。数值分析和

振动台实验都证明,当压电-SMA复合阻尼器安装在结构平面位置的中心时,偶

然偏心不会导致结构有明显的扭转振动。而一般的智能阻尼器都要求布置在结构

平面位置的四周来抗扭,以牺牲半主动控制力为代价。

(6)提出了一种压电自发电的变摩擦阻尼器和相应的智能层间隔震系统的理

论构想。以隔震层地震波输出激励为发电激振力,设计了强制式叠层压电发电装

置,推导了地震激励下发电装置发电能力的计算公式,并对两质点层间隔震模型

进行了仿真分析,理论证明了 IE电自发电智能隔震系统的可行性1.2减震控制的研究进展

控制理论上,1972年姚治平结合机械与自动化学科的成果,首先提出了土木

工程结构振动控制的概念[5],通过世界各国土木工程研究人员和工程师的不断努

力[6】,取得了丰硕的研究成果:国际上,Housner等17】在1997年的国际结构振动

控制的会议上对其从1972年以来研究成果进行了系统总结,并对未来的发展进行

了展望。国内,也是在上世纪七十年代后期周福霖、周锡元、王光远、唐家祥等,

进行了开拓性的工作,使我国的振动控制技术紧跟国际水平。

工程实践中,20世纪70年代,美国首先开始建造减振大楼。纽约市的Citicorp

大厦采用了被动减振的TMD,此后在波士顿等城市一个接一个地出现了采用该方

式的超高层建筑,但TMD作为狭带控制,并不能完全抑制超高层的风致振动,

因此在美国被动减振的构想就中断了。円本作为一个两大地质板块交汇处的海岛

国家,强烈的太平洋台风和频繁的地震使这个国家对振动控制有迫切的需求,故

其能传承美国的经验,将被动控制向主动控制方向推进。80年代后期,通过大学

和企业研究者之间非常活跃的交流,1993年在横滨建成地标塔,这座高76层296

米的超高层建筑,在塔顶安装有2台主动型控制装置,这是世界上最早的AMD

超高层建筑。现在的日本有超过60栋采用主动控制的大楼,安装有AMD或HMD

(混合型质量阻尼器)。2002年,采用多塔楼之间主动连体减振装置的东京Triton

广场建成,它克服了 AMD中质量惯性力对高层建筑而言控制力偏小的问题,在

三个高185ni、165m、130m的塔楼利用2台主动控制天桥实现减振主动控制,主

-动控制天桥还可以作为大楼之间的连接通道。可以预见,耗能低、可靠性高的半

主动控制在超高层和桥梁等大型土木工程中也将得到使用。

综上所述,振动控制是在工程结构的特定位置(例如,楼顶连接天桥、

隔震层和层间位移较大的建筑底层等)安装某种控制装置(如隔震支座,摩擦滑摆

等)或控制机构(如阻尼器、耗能支撑、耗能剪力墙等)或某种子结构(TMD或TLD)

甚至是某种施加外力的设备(如液压作动器和直线电机),对结构施加控制力或调

整结构的动力特性,控制结构的动力响应,使之在极端情况下不倒塌甚至是能正

常的使用。一般地依照是否需要能源输入分为被动控制系统、主动控制系统、半

主动控制系统、智能控制系统和混合控制系统t7];按照控制过程可分为无反馈控

制和反馈te制。 基十压电-SMA变摩擦附尼器的智能隔震系统试验.1J理论研究

1.3.2层间隔震

层间隔震(Inter-story isolation)是由基础隔震结构发展而来的复杂结构体系,

即隔震层设在建筑物上部结构两楼层之间,将隔震层上提,已不再是基础隔震,

其动力特性同时受到隔震层以上的上部结构及下部结构的影响。国际知名学者和

田章[161]如是描述“为了使与容许隔震层变形的周围有较小的缝隙,防止隔震层

受拉拔起,以及为了控制高宽比,将隔震层上提,已不再是基础隔震,而是一种

m的隔震体系一层隔震系

博士学位论文

减少下部结构的地震响应。+

1.3.1基础隔震

基础隔震(Base isolation)是指在结构物的底部与基础面之间设置隔震装置

而形成的结构体系,包括上部结构、隔震层(隔震装置)两个重要的组成部分。

隔震系统的特点就在于隔震层水平刚度很低,甚至可以只有正常楼层的百分之一

左右,可使结构前几阶周期延长到2?5s,故隔震结构周期的长短是衡量一个国家

隔震研究和设计水平的重要标志。

1978年现代橡胶制作技术和机械加工技术的结合,美国Kelly和Eidinger提

出叠层钢板橡胶支座隔震方法和技术标志着现代隔震技术进入了工程实用

化的阶段。1981年铅芯橡胶支座在新西兰的William Clayton政府办公大楼首次采

用,大幅推进了它的发展,1985年高阻尼橡胶隔震支座首次在美国第一栋隔震建

筑(加州圣丁司法事务中心)采用[163],进一步完善了该技术。这三种隔震支座

的实用化,表明现代隔震技术已经走向成熟和完善。而上世纪90年代北岭地震(美

国)和阪神地震(曰本)中隔震建筑的优异表现[164_165],非常幸运地使隔震技术

在其成熟后10年左右就得到了世界范围内的认可和普及。

基础隔震建筑承受实际地震的考验最经典的范例是美国洛杉肌南加州大学校

医院,北岭地震中这栋建筑完好无损,橡胶支座起到了很好的隔震作用,震后医

院内部设备仍然能正常使用(成为救灾应急中心)。从动力学理论上全面地研究分

析而言,有一定的偶然性:这次地震的地面运动周期偏短(卓越周期小于0.4s),

而该隔震结构的周期延长到了 2s。如果是1985年墨西哥地震那样长周期的成分

比较多,它的表现将是另外一个样子。

叠层钢板橡胶支座隔震结构在国内最早的应用是1993年由周福霖主持的汕

头的8层框架商住楼,减少地震反应达1/4?1/8,而且节省7%造价,达到了隔震

在国内普及特别重要的目标一即安全又经济,为推广应用隔震做出了开拓性的贡

献周福霖带领的团队卓有成效的工作,使叠层橡胶支座隔震技术的研究在

我国己经逐渐趋于成熟,并且已初步成为我国工程应用的主流,弹性滑板支座、

黏滞阻尼器隔震及高阻尼橡胶支座隔震为辅助。

摩擦滑移支座和以滚轴或滚珠等为手段的隔震元件也是常用的隔震装置。摩

擦滑移隔震是通过设置摩擦滑动层,地震激励下滑动面滑移消耗和阻止能量传递

到上部结构特点是对各种长周期的地震波也能有很好的隔震效果;最大的缺

点是缺乏自复位与限位的功能,地震后恢复建筑物的正常使用功能比较困难。摩

擦摆隔震[18〗的特点是隔震支座的滑块在圆弧形的滑道上往复滑动(相当于单摆),

巧妙地利用结构的重力水平分量来限制建筑物过大地偏离其初始位置。

-9-

1.3隔震研究概况

隔震包括基础隔震、层间隔震(首层、中间层隔震和顶层隔震),指在结构的

基础或某一中间层或顶部设置隔震器,阻隔地震对上部结构的作用从能量的

观点就是阻隔地震能量向上部结构的传递。对与顶层隔震还能通过动力吸震效应

层M隔震体系反应了实际工程对隔震形式多样化的需求。由于其隔震层设置

灵活和形式多样的特点,在工程实际中得到了广泛应用,甚至出现了应用先于理

论研究的局面,这在振动控制领域非常少见 基于)K电-SMA变摩擦阻尼器的智能隔震系统试验I;;理论研究

度等静力和动力参数测试优点是响应速度快、尺寸制作灵活,可以埋入

结构中,但是极限应变较小丨I28】。同时压电材料也能利用逆压电效应制成驱动器,

驱动器和传感器的合成是压电材料独特的优势,能大幅度降低智能控制系统的成

本。和压电材料一样,形状I己忆合金是一种兼有传感和驱动功能的材料[142],用作

传感器是基于形状记忆合金的应变电阻特性,优点是可以制成多种形状而且加工

方便,故各种丝状和杆状形状记忆合金材料得到广泛应用。

1.4.2智能驱动材料

磁流变液是已经实用化的智能驱动材料,而形状记忆合金、压电陶瓷等的研

究也方兴未艾,离实用化越來越近。直接利用智能材料的驱动器或制成智能阻尼

器都可以用于结构的振动控制,显然制作智能阻尼器对材料性能的要求没有驱动

器那么高,考虑到土木工程结构体积庞大和重量远大于一般机械的特点,故智能

阻尼器是实用化的方向。MR阻尼器用磁场来控制磁流变液的流变效应,出力大、

响应快而且功耗小、强度高而且粘度可控范围大、温度稳定性好和对杂质不敏感

等特点,使阻尼器的控制性能优越而且耐久性好,即使在控制系统失效的情况下

仍然可以进行被动控制,因而具有很高的可靠性[14 4 ]。压电驱动器在航空航天和高

端机械自动控制领域有广泛的应用,其耐久性好和固态的优点使其在土木工程中

的应用前景非常广阔。磁体中的分子在电场作用下出现伸缩变而且伸缩量可调,

称为磁致伸缩。和压电材料一样,磁致伸缩驱动器也具有体积小和耐老化等优点

[1671,但其材料的研发没有IE电成熟,而且控制时需要磁路设计,剩磁的不利影

响也有待进一步研究。

从以上分析可以看出,土木工程结构智能驱动材料中MR的应用最成熟,压

电材料的应用前景已经显现,而形状记忆合金用于主动控制和磁致伸缩驱动器一

样有待材料性能的大幅度提局。

1.4.3智能结构与智能隔震

智能结构体系是随着是采用智能材料制作的新型传感器和驱动器的研究取得

了巨大进展而发展起来。它给土木工程结构大幅提高抗震性能带来了新的希望

因为它能将力学性能固定不变的死结构,转变为动力特性随外部激励变化

的活的智能结构,进一步还可以实现对结构的在线实时和动态监测与控制。具体

而言,智能隔震系统感知结构系统内部的状态和外部环境激励(传感器量测外部

激励信号通过信号处理器进行挑选与加工)后,控制器按控制算法分析计算后输

出信号到作动器,作动器对结构进行调整与控制,从而有效地抑制地震或强风作

用F的振动。

智能隔震正是这个方向的引领者,在智能结构体系研究中占有领先地位。因

为被动隔震结构已经有大量的实际应用,并且经过了大地震的考验。但是,橡胶

-12-

1.4智能材料与智能隔震

被动隔震对长周期地震波的减震效果非常有限和层间隔震的复杂性,使智能

隔震的研究得到重视,而近年来压电材料、磁流变、电/磁致伸缩材料和形状记忆

合金等智能驱动材料发展为土木工程结构隔震的智能化提供了非常广阔的新天

地。能够感知外部环境条件的变化(对土木工程而言,就是强风和地震引起的结

构振动以致破坏和倒塌)并针对这种变化做出响应,具有自诊断、自修复和自驱

动能力的就是智能材料[135]。智能隔震则是通过传感和信号处理来控制和驱动主

动或半主动隔震器的新型结构系统,能感知外部激励例如地震波或内部动力参数

(主要是阻尼矩阵、质量矩阵和刚度矩阵),对主动或半主动控制作动器发出指令,

从而实现自诊断、自修复和自适应等多种隔震功能。它极大提高了隔震性能和隔

震的可靠度,引起了广泛关注[|36]。

1.4.1智能传感材料

土木工程结构中不仅仅是智能隔震,实际上结构健康监测中对智能传感材料

有巨大的需求。能有效地感知外部荷载和激励,故安置于结构中就能够实现对结

构的实时监测,是结构健康监测的物质基础,常用的传感材料主要有光导纤维、

压电材料、形状记忆合金、疲劳寿命丝等[137_138]。

目前光导纤维是最主要的传感材料,但造价较高。利用正压电效应,压电材

料也可以制成传感元件,丹麦生产的ffi电传感器能进行应力、应变、位移和加速

-II -

博士学位论文

塾隔震结构在遭遇大的罕遇地震时,由于隔震层的位移过大,将引起隔震层的破

坏;在加装常规被动阻尼器后,隔震层位移得到减小,但在中震和小震时,由于

上部结构层间位移和加速度将要放大,这个过大的加速度将使结构内部的物品遭

到破坏。为了进一步扩充隔震结构的应用,智能隔震系统受到各国学者的广泛关

注,将主动或半主动控制设备与隔震系统结合起来,构成智能隔震系统,值得提

出的是,主动与被动组合的混合隔震系统本质上仍然是一个完全主动的控制技术,

仍需外界输入较多的能量。从工程应用的前景来看,华主动与被动相结合的混合

控制方法应该成为土木工程结构振动控制研究和应用的主要发展方向。Pattenli69]

等人在美国Oklahoma的公路桥上安装了半主动控制的阻尼器,实例证明了半主

动控制能大幅减少车辆引起的振动,提高了桥梁的使用年限。最早对MR阻尼器

的足尺智能隔震结构进行了试验研究的是円本学者Yoshidali7。]。李忠献等【】71]提

出将形状记忆合金丝制作的隔震支座的智能隔震。杜永峰对智能隔震结构进行

了系统研究,提出了序列最优控制算法,进行了随机响应分析和动力可靠度分析。

Ribakov 等人提出了智能隔震的选择控制策略(位移超过隔震支座允许最大

位移的50%时,MR阻尼器才施加控制力),以降低控制器的能耗并且减少隔震层

初始刚度,提高了隔震效果。2000年,世界上第一座智能混合隔震建筑在日本

Keio大学建成,这栋办公和试验大楼采用了变孔径半主动阻尼器和隔震橡胶支座

作为地震防护系统。2003年40t的磁流变阻尼器被安装在F1本的一栋住宅楼上,

它与叠层橡胶支座、铅阻尼器和油阻尼器一起为结构提供良好的防震保障。

相对于土木工程悠久的发展历史,智能结构的研究处在刚刚起步阶段,智能

传感器相对比较成熟,但智能驱动器和耗能阻尼器的研究相当薄弱,产品性能远

不能满足要求。结构智能化是土木工程未来的发展方向之一,而减震智能控制是

其中有迫切需求的研究领域[174】。 博士学位论文

使半主动控制效果迅速下降。Bang-Bang控制在三种控制中获得最好的控制效果。

flexible

/aluniiiium ^——_ x(t)

/ 齡 k' ^ k

^'jvwwv^ VWVSAAf

i

\piezoelectnc

base (rigid)

sheets

图1. ]1 PWA/TMD系统示意图

1.6.3压电变摩擦阻尼器

摩擦阻尼器在工程结构中有广泛的应用(见表1.1),但是被动控制装置的缺

点在其身上特别的明显:初始刚度常常远大于正常的摩擦阻尼力,导致阻尼器不

能启滑,无法起到耗能的作用。变摩擦阻尼器在上世纪90年代提出,采用机械液

压装置导致其构造复杂因而可靠性差。压电摩擦阻尼器的提出彻底改变了这种状

态,仅仅需要两根变电压的导线就能提供变摩擦阻尼力,极大简化了正压力控制

系统,但是可调正压力范围偏小和压电驱动器出力远小于液压机械系统是其明显

的缺点。目前国内外学者通过巧妙的机械系统和选择大出力的压电驱动器两条途

径来克服压电材料的缺点,提出了多种压电变摩擦阻尼器,具体情况如下:

(a)压电阻尼器实物

(b)控制工作台

A I

1

1

3 ^ 二 — r 4

Piezoelectric

2

-

— -

-I ` —

□

? , /

N(t) f Stack actuators

ig,

i

i,

— ` 一 财'义(0 .

:I =LJ

-! 00 -0 75 0 50 0 25 0 00 0 25 0.50 0.75

DspbcemBrtKn^i

(c)试验获得的滞冋曲线

(d)变摩擦阻尼原理图

图1. 12陈根达等设计的压电变摩擦阻尼器

密苏里罗拉大学的陈根达设计一款压电智能摩擦耗能器如图1.12所示,

选择四个直径2.54cm、高1.27crn压电陶瓷驱动器来增加驱动力。试验确定了该

压电装置的性能,得到了不同的预￡11力和不同的加载频率下的滞回曲线,分析了

摩擦系数、等效阻尼比和有效刚度等变摩擦阻尼器的核心参数。分析表明摩擦力

-21 -

堆于HOll-SMA变摩擦B1尼器的智能隔震系统试验理论研究

善其性能。

2001年,Morita等1179]最早提出了基于压电的智能混合隔震系统,对安装压

电阻尼器的两自由度结构进行了仿真分析。使用Hoc控制策略,使顶层加速度和位

移峰值分别减小了 60%和50% (与只采用被动隔震比较),证明了智能混合隔震

的优良的减震性能。

2006年,西安建筑科技大学的胡卫兵等设计了简单的压电摩擦阻尼器如

图1.9,使隔震层的摩擦阻尼力和初始刚度(即摩擦起滑力)可调,并提出了多

种控制算法和压电阻尼器力学模型智能隔震与非隔震结构和被动隔震结构

的比较仿真结果是:智能隔震大幅减小了结构的层间位移应,阻尼力的智能可调

使得其在多条不同地震波和近地场激励下都有卓越的减震性能。

2

4^

1—丨 、

f

I、

^ ^

2=^ - -^^-6

\

\

6

图1.9西安建筑科技大学设计的压电摩擦阻尼器

1中间带螺栓孔钢板 2丨:下钢板 3驱动器垫片 4高强螺检 5压电陶瓷驱动器 6摩擦片

经典的压电混合阻尼器还有Han[i8G]采用压电陶瓷驱动器设计的粘弹性智能

混合作动支撑。基于智能支撑(如图1.10)的力学模型和本够关系计算公式,对

三层空间钢框架结构采用有限元模型动力参数,非常精确地建立了空间钢框架的

半主动控制仿真模型。在此基础上的仿真分析表明,压电粘弹性混合阻尼器的减

震效果与主动控制的减振效果相当,而鲁棒性比主动控制好。振动台试验证明了

仿真分析的结论。

X

Vl^cmlsssic Damper fVD|

图1. 10压电點弹性混合作动支撑

留美学者陈根达等|181]提出了使用PWA (piezoelectric wedge actutator)的智

能TMD混合控制,装置原理如图1.11所示。采用三种控制策略(比例位移、比

例速度控制和Bang-Bang控制)的混合TMD系统的仿真分析表明:由于压电驱

动器出力有限,导致只有质量小的TMD混合控制的减振效果才好,质量增大会

-20-

1.6.2压电智能混合控制

混合控制是对不同的控制方式相结合的控制方法,即同一个结构联合采用多

种控制装置(主动的、半主动的和被动的相互混合)。前面反复提及被动控制虽然

相对比较成熟,但控制效果也不完美。智能材料的发展使众多研究者的注意到将

其与被动控制系统相结合,特别是将压电材料应用在混合控制系统中,能显著改

-19-

堪于压电-SMA变摩擦阻尼器的智能隔震系统试验丨;I理论研究

和位移的关系曲线接近矩形(如图1.12c),并且曲线的形状与加载频率基本无关。

考虑到压电摩擦阻尼器的耐久性问题,进行了疲劳试验,得到了摩擦系数和有效

刚度与疲劳循环次数的关系。分析表明:它具有良好的耐疲劳性能,摩擦系数和

有效刚度的参数基本与循环次数无关,为土木工程结构的实际应用提供了详细的

实验数据。在此基础上还提出了设计压电变摩擦装置的考虑因素:1)用能量累积

曲线计算其耗能能力;2)针对不同水平的地震激励,优化了智能摩擦耗能器的预

ffi力。提出的半主动控制算法综合了库仓摩擦阻尼、黏滞阻尼和限位型阻尼[83],

仿真分析包括对20层钢结构框架benchmark模型和实验室3层模型结构。振动台

试验研究(如图1.13),验证了控制算法的有效性以及阻尼器的饱和性能,仿真

分析和试验结果吻合良好。缺陷是选用的压电驱动器出力偏小,导致可调阻尼力

范围不大,同时驱动电压达1000V,使实用化设计不够完美。

麵

图1.13三层钢框架振动台试验

香港理工大学徐幼麟等181]设计了非常有特色的多摩擦面变摩擦压电阻尼器,

如图1.14所示。并把它安装在试验室带裙楼的高层结构模型的主楼和裙房之间,

提出了该结构形式的半主动控制性能指标,进行了不同控制算法的比较,仿真分

析和振动台试验表明,半主动控制的压电摩擦阻尼器能解决裙楼和主楼刚度突变

的问题,减震效果明显。但多摩擦面并没有解决可调摩擦力范围太小的问题(如

图1.14d所示),而且增加了装置的复杂性、降低了可靠性,实验中也回避了疲劳

实验和耐久性等问题。

瞿伟廉、徐幼麟等f89]将压电陶瓷设置于活塞内,复合成打?状压电变摩擦阻

尼器,其构造和力学模型如图1.15所示,特别适合空间析架结构半主动控制。它

利用压电驱动器在电场驱动下伸缩变形,改变活塞与刚性外筒之间的正压力,因

此形成可控的摩擦阻尼力。当电压改变时,就可以根据空间桁架结构的响应实时调整摩擦阻尼力,控制结构的风振响应。

-

1.6.4压电摩擦阻尼器的优点

可控的变摩擦阻尼器是一种较为广泛使用的振动控制设备,但是早期的可控

变摩擦阻尼器采用液压机械装置控制正伍力,控制器的机械构造复杂而导致可靠

-25-

于压电-SMA变摩擦胆尼器的智能隔震系统试验I jJf_论研究

性差,液压机械系统施加正压力时产生的时滞也很难满足地震激励下半主动控制

的需求,故实际应用时控制效果欠佳。基于压电材料的控制系统的优点是可控性

好、时滞小和控制设备简单。但是压电提供的行程非常小,所以压电材料一直以

来都难以用于较大规模结构的振动控制。而变摩擦阻尼器的正ffi力控制器并不需

要大行程,综合两者的优点克服其不足作者认为它能成为一种优良的控制装置。

Hi电摩擦阻尼器作为一种半主动控制系统,很完美地克服了摩擦阻尼器的缺点,

拓展了摩擦阻尼器的长处。

被动的摩擦阻尼器,由于材料和工艺方面的问题,摩擦力对环境、温度和荷

载都非常敏感,当温度、正压力发生变化,以及发生多方向滑动时,摩擦力都会

发生变化。故1970年以后,美国的工程师在实际工程中基本上放弃了摩擦阻尼器

的使用。而作为半主动的智能阻尼器,压电摩擦阻尼器能通过控制系统实时传感

摩擦阻尼力,从而回避了被动摩擦阻尼器的缺点。而摩擦阻尼器构造简单,相对

于液体阻尼器,不存在漏油等问题,维修方便,相对于MR等半主动控制装置,

它无疑大大简化了半主动控制系统。压电材料的一个特点是响应速度非常快,相

关研究表明,响应速度能达到微秒数量级,比MR还快2倍左右。这对半主动控

制是非常有利的。而时间滞后对控制系统控制效果的影响表述如下:

对于一采用闭环控制算法的《个自由度的受控结构,无时间滞后理想情况的

系统状态方程如式(1.7)所71<。当控制系统存在一个时间r的滞后时,则在/时

刻产生的最优控制力为r),于是控制系统的状态方程变为:

Z{t) = AZ{t) + BU{t-T) + DF{t)

(1. 7)

由于时间滞后7□的存在,使控制系统产生的控制力不能满足实际过程的最优

化条件,其结果是控制系统的控制效果下降,同无时间滞后的理想条件相比,结

构的响应增大,并导致控制装置产生的控制力不准确。对土木工程控制而言,压

电材料基本能够做到无时滞。

-8-

地震