非对称建筑结构的磁流变阻尼器半主动控制

论文摘要

理论研究与震害经验表明，扭转反应会加速偏心结构在地震作用下的破坏，在某些情况下甚至成为导致建筑物破坏的主要因素，研究偏心结构在地震作用下的扭转耦联振动控制问题具有重要现实意义。磁流变阻尼器（magnetorheological damper，简称MRD）是目前振动控制中最有效的半主动控制装置，采用MRD对结构进行智能控制成为结构控制领域的一个重要研究方向。国内外学者在这方面进行了大量研究工作，并取得一些成果，但在MRD的动力建模、控制策略以及利用MRD对偏心结构扭转反应的控制等方面仍存在许多问题，有待进一步研究。在此背景下，本论文主要在以下几方面进行系统的理论分析和试验研究： （1）提出MRD动力模型—双sigmoid模型。在对MRD进行力学性能试验研究的基础上，建立一种新的力学模型—双sigmoid模型。该模型的突出优点是综合考虑了施加电流、激励性质等因素的影响，且参数识别容易、物理概念清晰。与试验结果相比，在不同激励性质和电流下该模型均能较准确地描述MRD低速区的滞回非线性及在高速区的饱和特性。 （2）提出改进Clipped-Optimal控制策略和多态控制策略。针对双态控制易引起结构加速度局部放大和三态控制中刚度不易确定的问题，提出电流连续变化的改进Clipped-Optimal控制策略和以速度响应作为状态切换参数的多态控制策略。通过遗传算法工具得到多态控制策略中最优速度控制参数估算公式。数值计算结果表明本文提出的两种半主动控制策略能较好解决双态控制下在地震动初期、末期和小震时易引起受控结构动力反应局部放大的问题，且简单易行，具有较高应用价值。 （3）仿真分析偏心结构地震反应规律和MRD的振动控制效果。基于简化有限元方法，利用变分原理和静力缩聚技术推导剪力墙的单元刚度矩阵，编制钢筋混凝土框—剪偏心结构空间协同分析的计算程序。计算场地类别、地震动强度、偏心距以及使用荷载等因素对钢筋混凝土框—剪偏心结构地震反应的影响规律，分析MRD在这些因素下对偏心结构扭转反应的控制效果。 （4）进行钢筋混凝土框—剪偏心结构MRD减震振动台试验。利用Matlab／Simulink软件平台和dSPACE实时仿真系统建立一座3层钢筋混凝土框—剪偏心结构试验控制系统的仿真模型，并采用RCP技术对此结构进行MRD控制的振动台试验，在不同地震动输入下比较分析MRD的被动控制和半主动控制的减震效果。振动台试验结果表明：与无控结构反应相比，MRD的两种被动控制对框—剪偏心结构均有一定减震效果，但被动控制效果对地震动频谱特性比较敏感；MRD半主动控制对结构在不同地震动输入下的控制效果比被动控制好，结构扭转反应得到了明显抑制；MRD数量和安装位置对结构的减震效果有重要影响。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 1 绪论
• 1.1 课题背景和研究意义
• 1.2 结构减振技术概述
• 1.2.1 被动控制系统
• 1.2.2 主动控制系统
• 1.2.3 混合控制系统
• 1.2.4 半主动控制系统
• 1.2.5 结构振动控制算法
• 1.3 智能材料与结构
• 1.3.1 智能材料与结构
• 1.3.2 智能感知材料
• 1.3.3 智能驱动材料及控制装置
• 1.4 磁流变液及其工程应用
• 1.4.1磁流变液的特点
• 1.4.2 MRD构造特点
• 1.4.3 MRD在土木工程中的研究进展
• 1.4.3.1 国外研究进展
• 1.4.3.2 国内研究进展
• 1.4.4 MRD在其它领域中的应用
• 1.4.5 问题与讨论
• 1.5 建筑结构扭转反应对策
• 1.5.1 抗震设计措施
• 1.5.2 振动控制措施
• 1.6 结构损伤修复的研究与应用
• 1.6.1 普通耗能减震装置的应用
• 1.6.2 电/磁流变阻尼器用于抗震加固
• 1.7 本文主要研究内容
• 2 磁流变阻尼器动力模型研究
• 2.1 引言
• 2.2 MRD参数化动力学模型
• 2.2.1 Bingham模型及其改进形式
• 2.2.2 非线性双粘性模型
• 2.2.3 非线性滞回模型
• 2.2.4 Bingham粘弹-塑性模型
• 2.2.5 修正的Dahl模型
• 2.2.6 Bouc-Wen模型
• 2.2.7 现象模型
• 2.2.8 带质量元素的温度唯象模型
• 2.2.9 MRD被动控制的简化模型
• 2.3 MRD非参数化动力学模型
• 2.3.1 利用sigmoid函数构建模型
• 2.3.2 利用多项式构建模型
• 2.3.3 MRD智能化模型
• 2.4 MRD模型应用中存在的问题及解决办法
• 2.5 MRD的双sigmoid模型
• 2.5.1 MRD力学性能试验
• 2.5.2 双sigmoid模型
• 2.5.3 模型参数识别
• 2.6 模型验证
• 2.6.1 不同动力模型比较
• 2.6.2 正弦波激励下的模型验证
• 2.6.3 三角波激励下的模型验证
• 2.6.4 随机波激励下的模型验证
• 2.7 本章小结
• 3 磁流变阻尼结构半主动控制策略研究
• 3.1 引言
• 3.2 研究进展
• 3.2.1 恒定加压式
• 3.2.2 Heaviside函数加压式
• 3.2.3 动力逆模型加压式
• 3.2.4 离散加压式
• 3.2.5 智能加压式
• 3.3 多态控制策略（MSC）
• 3.3.1 数值算例1
• 3.3.2 数值算例2
• 3.4 改进Clipped-Optimal控制策略（MCO）
• 3.4.1 数值算例
• 3.5 本章小结
• 4 框-剪偏心结构动力特性分析及MRD控制研究
• 4.1 引言
• 4.2 无控结构动力方程建立
• 4.2.1 计算假定
• 4.2.2 质量矩阵的建立
• 4.2.3 刚度矩阵的建立
• 4.2.4 阻尼矩阵的建立
• 4.2.5 偏心几何关系
• 4.2.6 结果对比分析
• 4.3 磁流变阻尼结构动力方程
• 4.3.1 位置矩阵的建立
• 4.3.2 结构状态观测器和速度观测器的建立
• 4.3.3 结构状态方程
• 4.4 偏心结构动力反应影响因素分析
• 4.4.1 偏心结构扭转反应的主要影响因素
• 4.4.2 表征偏心结构扭转特性的参数
• 4.4.3 算例分析
• 4.5 MRD控制偏心结构的平扭耦联振动反应
• 4.5.1 场地类别的影响
• 4.5.2 地震动强度的影响
• 4.5.3 偏心距的影响
• 4.5.4 使用荷载的影响
• 4.5.5 结构阻尼比的影响
• 4.5.6 MRD的位置和数量对结构控制效果的影响
• 4.5.7 平面位置不同的 MRD控制电流及滞回曲线
• 4.6 本章小结
• 5 框-剪偏心结构扭转耦联反应半主动控制试验研究
• 5.1 引言
• 5.2 结构控制系统的实现
• 5.2.1 dSPACE系统
• 5.2.2 dSPACE系统开发流程
• 5.3 试验建立
• 5.3.1 试验目的
• 5.3.2 钢筋混凝土框-剪偏心结构模型设计
• 5.3.3 试验装置及 MRD的安装
• 5.4 结构反应的测量
• 5.4.1 信号采集、处理系统以及传感器的布置
• 5.4.2 传感器的标定
• 5.4.3 试验控制平台的设计
• 5.5 试验工况
• 5.5.1 地震动输入
• 5.5.2 试验工况组合
• 5.6 试验结果与分析
• 5.6.1 动力特性分析
• 5.6.2 结构Y向反应峰值
• 5.6.3 结构X向反应峰值
• 5.6.4 结构扭转反应峰值
• 5.6.5 结构位移比
• 5.7 本章小结
• 6 磁流变阻尼器智能加固体系的振动台试验研究
• 6.1 引言
• 6.2 抗震结构的损伤准则
• 6.2.1 材料层次的破坏准则
• 6.2.2 构件层次的破坏准则
• 6.2.3 整体结构的破坏准则
• 6.3 结构损伤的修复
• 6.3.1 有损伤结构的判断准则
• 6.3.2 有损伤结构的修复目标
• 6.3.3 有损伤结构修复目标的量化
• 6.4 MRD抗震加固设计要点
• 6.5 MRD抗震加固振动台试验
• 6.5.1 试验设计
• 6.5.2 结构损伤特性分析
• 6.5.3 加固效果分析
• 6.6 本章小结
• 7 结论和展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 参考文献
• 创新点摘要
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况
• 致谢
• 大连理工大学学位论文版权使用授权书