淺談半主動控制在建筑結構中的應用

孫健 張佳

摘 要：地震是一種具有破壞性的自然現象，全球每年大約會發生500萬多次地震，其中，絕大多數地震是微小地震，我們人類一般是感覺不到的。地震給人類帶來了難以估量的損失，但人類在技術上仍不能準確地預測地震和控制地震的發生，因此如何減少地震帶來的破壞成為我們高度關注的問題。傳統的減震方法主要是通過結構本身來抵御外界荷載的，如加大構件的截面尺寸、提高材料的強度等級、增加結構的上部阻尼或者在基礎設置橡膠支座等措施以達到增強建筑結構體系抗震動力特性的目的，這會導致成本大大提高，是被動消極的結構對策，違反了建筑結構經濟性和安全性的要求，而且在大震作用下，其抗震性能往往不太理想。因此，在建筑物中考慮結構減震控制是對建筑結構發展的必然要求。本文對半主動控制裝置中的磁流變阻尼器進行了分析研究，并提供了磁流變阻尼器應用于建筑結構中的模擬方案。

關鍵詞：半主動控制；地震；磁流變阻尼；結構振動控制

1 結構振動控制

結構控制是通過在結構上施加子系統或耗能隔振裝置來抵御外界動荷載以減輕結構在地震作用下的反應，工程結構振動控制根據是否需要外界能量的輸入劃分為：被動控制（無外界能源的輸入）、主動控制（有外界能源的輸入）、半主動控制和混合控制（有部分能源的輸入）。

（1）被動控制是一種不需要外界能源輸入的結構控制技術，通常是指在建筑結構的某個部位附加一個子系統，或在建筑結構本身的某些構件上做構造上的處理以達到增強建筑結構體系抗震動力特性的目的。采用被動控制的結構體系其優點是構造簡單，應用型強，但是建筑結構體系對復雜環境變化的適應力和控制力相對較弱。

（2）主動控制是一種需要外界能源輸入的結構控制技術，建筑結構在受到外界激勵時，是通過施加與振動方向相反的控制力來實現建筑結構控制，從而快速地降低建筑結構的振動響應。結構主動控制的優點是控制效果好、適用范圍廣和目標選擇靈活。缺點是結構的組成系統非常復雜，而且耗能大，其費用也遠遠高于其他的結構控制方式。

（3）結構半主動控制的原理同結構主動控制的原理大致相同，即實施控制力的作動器需要提供少量的能量調節，這樣可以主動并巧妙地利用結構振動控制的反復變形或相對速度，盡可能地實現主動最優控制力。半主動控制的優點是：它比主動控制更容易實施、更經濟，由于其控制效果與主動控制相近，故有較大的研究與應用開發價值，因此選用半主動控制進行研究比較合適。

半主動控制有多種裝置，其中磁流變阻尼器是應用最為廣泛的一種，與其他半主動控制裝置相比較，磁流變阻尼器具有響應快、機構簡單、動態范圍大、阻尼力連續、可逆可調的優點，而且其耐久性良好，同時又能與計算機結合控制，具有良好的減振效果。

2 磁流變阻尼器半主動控制研究

磁流變液在磁場的強度的作用下由自由流動或粘性流動的液體在毫秒級的時間范圍內轉變為半固體，這是磁流變液最重要的特性，這種變化是連續的、可逆的，具有屈服強度高而且粘性相近、性能更穩定的優點。

2.1 國內外對磁流變阻尼器半主動控制研究

2002年隋莉莉、歐進萍提出了四種半主動控制算法，在一個三層剪切型建筑結構上安裝了MR減振驅動器，并進行了仿真模擬，分析和對比了各種半主動控制算法和被動控制算法的控制效果。經分析表明，MR減振驅動器可以有效地控制結構的振動響應。

2003年U.Aldemir對磁流變阻尼器的最優控制減振性能進行了研究，U.Aldemir將磁流變阻尼器應用于單自由度體系，同時在該體系上施加多種形式的動力荷載。磁流變阻尼器的減振效果要比傳統的被動TMD減振效果好。

2004年Yoshioda等利用MRD采用了改進的Clipped-optimal控制算法對一座20層的結構進行了半主動控制分析。經計算發現，采用MRD半主動控制效果與主動控制效果相當，甚至比主動控制效果還要好，而且半主動控制消耗的能量非常少。

2006年周云、吳志遠、鄧雪松，優化了磁流變阻尼器半主動控制系統，通過選擇合適的控制算法和控制律，進一步優化了控制系統。

2011年G.C.Kim.和J.W.Kang.分析了磁流變阻尼器在相鄰建筑結構地震動力反應控制中的應用。經分析表明，在相鄰結構中應用磁流變阻尼器的減振控制是很有效的。

2.2 計算研究應用-最優Bang-Bang磁流變阻尼控制算法

磁流變阻尼器具有反應迅捷，動力調諧連續和過程可逆的優點，所以目前備受關注。但是與傳統的粘性變阻尼控制相比，這種半主動智能控制裝置同樣具有類似的問題，與被動控制效果相比較，半主動控制方案并未能進一步改善控制效果，故一般運用最優Bang-Bang的控制算法或對其做相應的修改。

=+（u<0）

=+（u0）

3 設計思路

被動控制系統和主動控制系統各自的優點被半主動控制綜合利用，所以半自動控制既有被動控制系統可靠性的優勢，又有主動控制系統適應性強的特點，而且根據相應的算法控制可以達到主動控制系統更好地控制的效果，并且構造較簡單，所需要的能量較小，所以半主動控制將會成為當前結構振動控制領域研究的新熱點。

通過了解振動控制理論在土木工程領域的應用，分析多自由度建筑結構體系磁流變阻尼器半主動控制的減震效果。根據研究目標，建立20層的多自由度結構體系模型，并根據龍格-庫塔方法給出算法的求解公式，利用MATLAB軟件編寫程序，通過運動方程進行求解結構體系地震動力反應。然后根據體系地震動力反應計算結果，分析評價多自由度結構體系在磁流變阻尼器半主動控制系統下的減震效果。關鍵步驟如下：

（1）建立多自由度結構體系磁流變阻尼器半主動控制體系運動方程，根據龍格-庫塔方法，給出控制算法的求解過程，利用MATLAB軟件編寫求解軟件。

（2）對不同的半主動控制算法（控制力計算方法及施加方法）分別計算處地震動力反應，比較減震效果，提出修正的半主動控制算法。

（3）根據地震動力反應分析結果確定最佳的磁流變阻尼器半主動控制算法。

（4）利用MATLAB語言編制求解軟件。求出各樓層的層間位移、樓層位移、樓層速度以及樓層加速度，評價控制方案與算法的減震效果。

（5）計算結果分析，磁流變阻尼器半主動控制減震研究與AMD控制進行對比（層間位移，樓層位移，樓層速度，樓層加速度）。

根據已建成的采用多自由度結構體系變阻尼半主動控制的結構特點，結合實際的工程項目，進行歸納總結多自由度結構體系變阻尼半主動控制體系減震效果，為研究進一步研究半主動控制系統的實用性提供了有力的理論依據。磁流變阻尼器結構簡單、響應快、動態范圍大，即使控制系統發生了故障其仍然可以起到被動控制的作用，所以半主動控制具有很強的可靠性，綜上，磁流變阻尼器是當前結構減振控制中最為有效的半主動控制裝置。

參考文獻：

[1] 李桂靑，徐家云等.結構控制與控制結構計算理論和方法北京：地震出版社，2006.

[2] 汗建曉，孟光.磁流變液裝置及其在機械程中的應機械強度，2001（1）：50+56.

[3] 周云，譚平.磁流變阻尼控制理論與技術[M]北京：科學出版社，2007.

[4] 歐進萍.結構振動控制—主動、半主動和智能控制[M].北京：科學出版社，2003.