半主动控制的国内外研究现状

2010-07-20赵有泽

山西建筑 2010年17期

赵有泽

结构振动控制是20世纪60年代控制理论在结构工程中加以应用而形成的一门交叉学科,主要研究在风或地震等动力荷载作用下减小结构动力响应、改善结构性能的技术途径、装置和方法,以及各种控制算法等。目前,结构振动控制领域正处在蓬勃发展的阶段。

1 振动控制概述[1-4]

土木工程振动控制一般按是否有外界输入能量可将其分为主动控制与被动控制两大类,以及由这两种方式结合而进一步形成的半主动控制和混合控制。

被动控制是最早研究和使用的结构控制方式,具有无需外部能源、易于实现的突出优点,因而在工程中获得广泛的应用。但控制效果受到一定限制,对复杂多变的外部环境的适应能力较差。常用的被动控制方式有:1)基础隔振;2)消能构件减振体系;3)耗能器减振;4)吸振器减振。

结构主动控制首先由美国普渡大学的J.T.P.YAO教授于1972年提出,确定了结构主动控制研究的开始。结构主动控制主要的控制方式有:主动调频质量阻尼器(AMD:Active Mass Damper),主动锚索控制,脉冲控制,空气动力挡风板等。

半主动控制是一种根据结构的振动反应或动荷载的信息来实时改变结构的参数(如阻尼、刚度等),以减小结构反应的控制方式。目前已有一定研究的半主动控制方式主要为主动变刚度和主动变阻尼控制。

混合控制是将主动控制与被动控制同时施加在同一结构上的振动控制方式,是一种充分利用主动、被动控制优点、克服各自缺点的策略,与半主动控制不同,混合控制可以根据不同控制装置的特点及结构动力反应特性,将几种控制装置同时安装于结构上(同时设置主、被动控制系统),通过合理设计主动控制准则以尽可能减小能量需要,提高系统的可靠性,具有控制效果好,造价低,易于实现等优点,因而具有广阔的应用前景。混合控制系统主要有以下几种:1)AM D与TMD相组合的控制系统;2)主动控制与耗能装置相结合的控制系统;3)主动控制和基础隔振相结合的混合控制系统等。

2 半主动控制研究现状[5-7]

半主动控制一般分为半主动隔振系统、主动变刚度控制系统、主动变阻尼控制系统以及主动变刚度变阻尼控制系统四种。下面主要简述变刚度和变阻尼控制系统。

结构变刚度控制是通过探测并预见地震的特性或利用变刚度控制装置来改变结构的附加刚度,从而改变结构的刚度,使结构的周期避开地震的卓越周期,建立一种所谓的非共振状态,从而达到减少结构的振动反应的目的。从能量转换的角度而言,主动变刚度控制是通过刚度元件的变形将结构部分振动能量转化为刚度元件的弹性应变能,同时阻尼元件消耗部分结构振动能量,达到减小结构振动的目的。1990年日本学者Kobori等首先提出了结构主动变刚度控制的概念,并提出了一种“主动变刚度系统”(AVS),如图1所示,且提出了结构主动变刚度非共振算法。应用该主动变刚度系统,1990年建成了世界上第一幢采用半主动控制的建筑物——东京鹿岛技术研究所大楼。另一种变刚度系统是由Richter提出的“能量消散约束”装置(EDR),该装置在加载和卸载时可以提供不同的刚度。第三种变刚度装置是Nagarajaiah和Mate 1998年提出的半主动连续变刚度的调频质量阻尼器(SCVS-TMD:Tuned Mass Damper with Semi-active Continuous Variable Stiffness),美国Bufalo地震研究中心的梁钟等研究者开发结构参数实时调节系统,该系统仅仅应用简单的两态开关控制支撑或绳索的连接和脱离,试验和理论分析均表明效果很好。国内刘季、李敏霞和欧进萍等学者1998年及之后进行了一系列有关结构主动变刚度控制的研究工作,研究开发了足尺主动变刚度控制装置,通过试验验证了该装置具有良好性能,可提供480 kN的控制力,达到了设计的要求。

变阻尼系统由Hovat首先提出,可变阻尼器装置原理图见图2。他对应用可变阻尼器控制结构的电液伺服阀振动反应进行了研究,并进行了数值模拟计算,得到了变阻尼控制效果与主动控制接近的Active Variable Damper——AVD结论。

1994年Syman和Constantinous等研制开发了粘滞流体变阻尼控制器,在地震或风荷载作用下,该阻尼器中的活塞和缸体就会在结构的带动下产生相对运动,此时液压油在活塞的作用下由可变阻尼器液压缸的一腔通过旁通管路和节流阀流入另一腔,由于液压油在流经旁通管路和节流阀时有压力损失,因而产生了阻尼力,如图2所示。

通过改变节流阀的开口大小可以确定阻尼力的大小,该阻尼器又称为可变孔径阻尼器。第二种变阻尼装置是Akbay等提出可变摩擦阻尼器,这种阻尼器用一个摩擦杆与结构的支撑刚性连接,通过调节滑动距离来确定摩擦面上的阻尼力。还出现了基于被动控制装置的、可调节隔板孔洞的柱形液体阻尼器(TLCD)。

3 半主动控制策略及算法[8,9]

目前半主动控制结构的控制算法主要是基于主动控制的算法,并尽量使半主动控制力跟踪或实现主动最优控制力为原则的,具体的控制算法有振型控制、瞬时最优控制、滑动模态控制等。同时,还有基于频率分析的预测算法、STFT等。Yamada,K.,Kobori,T.等人提出了一种变结构刚度结构反应控制的预测算法,且该方法已经在一栋3层楼房的地震作用下的测试中被证实是可行的。Pnevmatikos等则提出了前馈变刚度主动控制系统,该系统可以在地震波到达建筑物之前发出警报,提示系统通过改变自身的刚度以调节结构自振频率,避免与地震波发生共振,从而达到减小地震作用的目的。J.N.Yang,Wu.J.C等学者将变结构理论应用在地震作用下建筑结构的变刚度系统中,根据滑动模态控制法(SMC)设计了半主动控制系统的控制律。该方法非常适用于非线性和时变结构。

4 半主动控制实用性研究的发展方向

当前,结构振动半主动控制应用开发还存在着有待进一步研究的问题,即未来半主动控制实用性的主要发展方向:1)设计功能更强、实用性更好、价格低廉的半主动控制装置,提高其加工工艺,制定其产品标准;2)进一步研究智能材料和结构在半主动控制中的应用;3)基于随机振动理论的结构时变和非线性半主动控制的研究;4)控制系统的可行性、稳定性、耐久性和经济论证,这是结构主动控制技术推广应用的关键;5)多维地震动半主动控制技术的研究,控制由于刚度、质量的不均匀分布而产生的扭转振动;6)更成熟、更稳定、鲁棒性更强的半主动控制律的研究;7)半主动控制的时滞处理方法以及传感器与振动器的数量及位置最优化研究;8)半主动控制系统的试验研究,受控结构体系的室内地震模拟试验研究,建立标准试验规程和评价系统性能的指标;9)与半主动控制在线监测、系统识别和控制计算相关的人工智能、神经网络及模糊理论的研究;10)结构振动半主动控制系统商业软件的开发和与现有抗震设计程序接口问题的研究;11)由于设置控制装置所产生的控制力,引起半主动控制部位局部受力问题的研究。