结构振动控制
2014/9/5 14:42:51
结构振动控制是利用机械、液压或电磁等装置抑制结构体系有害振动的理论和方法,可分为隔震(振)、消能减振和主动控制(含半主动控制)三大类。
与传统抗震设计不同,结构振动控制技术可大幅度改变结构体系的动力特性(周期和阻尼),通过隔离、转移和耗散地震能量减小结构体系的地震反应、保护主体结构,也更有利于满足不确定的地震作用下结构的安全性和使用性要求。
隔震技术通过设置在被分隔的结构部分之间的隔震装置改变结构体系的自振特性、减少和耗散输入结构的地震能量。耗能减振是在结构体系中设置阻尼器或吸振器,吸收并耗散结构振动能量。以上两类控制无需监测体系运动状态、且无需外界能源的支持,均属被动控制(亦称无源控制)范畴。主动控制应监测体系运动状态、通过伺服反馈系统对结构施加控制力,需借助外界能源的支持。半主动控制只需很少的能量调节控制器的参数、通过改变结构振动周期或增加阻尼减小地震反应.主动和半主动控制一般均属反馈控制系统.智能控制是人工智能与控制理论的结合属主动控制范畴.混合控制是不同控制技术的组合。
振动控制技术应用示意图
(1)主动控制 主动控制是借助外界能源的支持,通过监测控制装置抑制结构体系有害振动的理论和方法,又称有源控制。
实施结构主动控制需利用传感器实时监测受控结构的振动反应(或地震动等环境干扰),控制器根据监测信号和预定的控制算法计算控制力,作动器利用外界能源将该控制力施加于受控结构,达到减小结构体系振动的预期目标(见图1)。基于结构振动反应监测的主动控制称为反馈控制或闭环控制;基于外界环境干扰监测的主动控制称为前馈控制或开环控制(图2);结合上述两者的主动控制称为开-闭环控制。结构地震反应主动控制多为反馈控制。
图3 半主动变刚度装置
图4 半主动变阻尼装置
(2)半主动控制 半主动控制是借助少许能量调节控制装置、通过改变振动体系刚度或阻尼特性实施反馈控制的技术。半主动控制亦称参数控制,其反馈控制原理与主动控制相同;然而,它并不直接向受控结构输入强大的机械能,控制装置一般为参数可调的被动装置。半主动控制有变刚度控制、变阻尼控制和变摩擦控制等多种。一些文献中常将半主动控制称为主动变刚度(或变阻尼)控制。
图5 基底隔震建筑
图6 隔震桥梁
图3所示变刚度装置是设置在受控结构层间的一个变孔流体阻尼器。液压缸旁通回路上设有电磁阀开关。液压缸缸体由水平刚度为K的斜撑支撑于楼层下部;液压缸的活塞杆则与楼层上部固定连接。在水平地震动作用下,受控结构层间发生相对运动。此时,若调节电磁阀开关处于开启状态,液压缸内的油将由活塞带动经旁通回路自由流动,结构层间刚度不变。在忽略液流阻力的情况下,液压缸和支撑对结构振动没有影响;若考虑液流阻力,液压缸可视为阻尼器。相反,若调节电磁阀开关处于闭锁状态,由于油液不可压缩,活塞在液压缸内不能移动,此时结构层间必然增加水平刚度K。这样,只须按某种控制策略调节电磁阀的启闭状态,就可令结构体系在线改变刚度,达到控制地震反应的目标。电磁阀启闭所需的能量很小、可由电池供给。
图4所示变阻尼装置是设置在结构层间的可调磁流变液阻尼器。当结构层间发生相对运动时,缸体中的磁流变液将经旁通回路流动。改变旁通回路励磁线圈的磁场强度,磁流变液的性态将发生变化,产生不同的阻尼效应。故可根据控制体系的实测状态、按照某种控制算法调节磁场强度,增加阻尼耗能,达到减振目的。
(3)被动控制 被动控制是在结构体系中设置控制装置,通过改变结构体系动力特性减小结构振动反应的技术。与主动控制相比,被动控制无需
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