地震作用下建筑结构摩擦阻尼器半主动控制算法制造技术

本发明专利技术公开了一种地震作用下建筑结构摩擦阻尼器半主动控制算法，步骤如下：一，选 定结构模型；二，对结构采用线性二次型(LQR)经典最优控制算法计算并设计建筑结构能量 最小时的最优控制力；三，利用此最优控制力分别设计出摩擦阻尼器的实时变阻尼和变刚度， 据此计算得到摩擦阻尼器的半主动摩擦控制力，实现对建筑结构的半主动控制；四，利用摩 擦阻尼器半主动控制力对建筑结构进行控制，并采集建筑结构在地震作用下返回的振动响应。 数值实验结果表明，本发明专利技术的算法在控制多层建筑结构的动力响应上更为有效，新算法解决 了已有技术对建筑结构加速度响应控制效果差的问题，随着层数的增加，建筑结构在地震作 用下的加速度控制优势更明显。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及的是建筑工程结构抗震
，具体地说是涉及一种耗散建筑结构振动能 量的阻尼器。
技术介绍
目前，摩擦阻尼器是国内外广泛研究的各种耗能阻尼器中构造比较简单的一种。其主要 构思是通过受有预紧力的两块固体之间的相对滑动所产生的摩擦力来耗散结构的振动能量。 它对于多层、高层乃至超高层建筑的结构控制都具备很好的优越性能。首先，摩擦阻尼器可 以制作为摩擦杆件，代替普通杆件直接安装在建筑结构上，不占用建筑结构适用空间，不影 响建筑结构造型；其次，摩擦阻尼器的外形简洁且紧凑；最后，摩擦阻尼器作为一种耗能装 置，可以控制结构所有振型的地震和(或)风致振动反应。应用摩擦阻尼器在建筑结构进行振 动控制很有发展前途。但是，被动式摩擦阻尼器对控制力没有自调能力，不同的地震波对建 筑结构的破坏力是有不同的，因此，被动式的摩擦阻尼器应用范围有限。半主动摩擦阻尼器 作为被动式摩擦阻尼器的更新和改进，能够完善被动式摩擦阻尼器的不足，提高对建筑结构 的控制效果。已有的半主动变阻尼摩擦阻尼器中大多采用Semi3半主动控制算法，该半主动控制算法 有一定的效果，被广泛使用，然而，数值模拟实验证明，在远场地震波作用下，该控制算法 下的摩擦阻尼器对建筑结构的加速度的控制效果很差，有时反而还会加大建筑结构的加速度。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有技术存在的不足提出一种地震作用下建筑结构摩擦阻尼器半主 动控制算法，基于该算法的半主动摩擦阻尼器能对建筑结构在地震作用下的加速度响应给予 有效的控制，而且，随着楼层的增加，其对建筑结构位移、速度响应的控制更有效。为达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案上述地震作用下建筑结构摩擦阻尼器半主 动控制算法，首先采用线性二次型(LQR)经典主动最优控制算法，计算建筑结构在地震作用 下的能量最小，并得到此状态下所需的最优控制力；然后，利用已得到的最优控制力分别设 计计算出摩擦阻尼器的实时变阻尼和变刚度，并利用它们计算得到摩擦阻尼器的实时半主动 摩擦控制力，实现对建筑结构进行半主动控制。该控制算法具体步骤如下第一步，选定建筑结构模型，根据需要每建筑结构楼层设置若干个摩擦阻尼器，采集地 震波数据；第二步，采用线性二次型(LQR)经典最优控制算法计算，使建筑结构在地震作用下的能量最小，并设计此时的最优控制力；第三步，利用上述得到的最优控制力分别设计出摩擦阻尼器的实时变阻尼和变刚度，并 利用它们计算得到摩擦阻尼器的实时半主动摩擦控制力，从而对建筑结构进行摩擦阻尼器半 主动控制；第四步，利用上述摩擦阻尼器半主动实时控制力对建筑结构进行控制，并使用MATLAB工 具箱提取建筑结构在地震作用下摩擦阻尼器半主动控制时返回的振动响应数据。上述基于LQR经典最优控制算法计算得到的最优控制力来设计阻尼器的变阻尼和变刚 度，并据此进一步设计得到摩擦阻尼器在地震作用下的实时半主动摩擦控制力，为建筑结构 实施半主动控制，其半主动摩擦控制力的设计见以下公式-<formula>formula see original document page 4</formula>其中x、 C,^分别为建筑结构第i层摩擦阻尼器的最大和最小阻尼系数； ^为阻尼器的阻尼系数可调倍数，可根据控制要求设置； /^W为任意时刻建筑结构第i层摩擦阻尼器的刚度系数；4(0 、 分别是任意时刻建筑结构第i层的层间速度和层间位移；,(/)为基于LQR经典最优控制算法得到的任意时刻建筑结构第i层的最优控制力；一个阻尼器有两个滑动摩擦面，且每个摩擦阻尼器的摩擦系数均为;U 。本专利技术的地震作用下建筑结构摩擦阻尼器半主动控制算法与现有的技术相比较具有优点 如下-应用本专利技术的地震作用下建筑结构摩擦阻尼器半主动控制算法在建筑结构的地震响应时 域分析上与Semi3半主动控制算法作了分析比较，基于MATLAB工具箱的数值实验结果表明， 该算法在控制建筑结构的地震响应上更为有效，特别是随着层数的增加，其对加速度响应的 控制优势更为明显。附图说明图1是本专利技术的地震作用下建筑结构摩擦阻尼器半主动控制算法的流程示意图； 图2是地震作用下建筑结构摩擦阻尼器分析模型的简化示意图； 图3.在E1 Centro波(O. lgal)作用下建筑结构顶层的地震反应时程曲线图； 图4.在Hachinohe波(0.1gal)作用下建筑结构顶层的地震反应时程曲线图； 图5.在Kobe波(O. lgal)作用下建筑结构顶层的地震反应时程曲线图； 图6.在上海人工波(0. lgal)作用下建筑结构顶层的地震反应时程曲线图。 具体实施例方式以下结合附图对本专利技术的实施例作进一步详细说明。如图l、 2所示，本专利技术的地震作用 下建筑结构摩擦阻尼器半主动控制算法的步骤如下第一步，选定建筑结构为三层剪切型框架结构，每层设置一个摩擦阻尼器，假定上述建 筑结构处于上海市区，按照规范要求，抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为0. lgal。 选取E1 Centro波、Hachinohe波、Kobe波和上海人工波等四条地震波，并按照要求将四条 地震波的加速度均调幅为0. lgal，且把调幅后的地震波数据作用在所选择的建筑结构上进行 对比、分析。第二步，采用线性二次型(LQR)经典最优控制算法计算，使建筑结构在地震作用下的能 量最小，并设计此时的最优控制力。第三步，按照上述LQR经典最优控制算法计算得到的最优控制力来设计阻尼器的变阻尼 和变刚度，并利用它们进一步计算得到摩擦阻尼器的实时半主动摩擦控制力。第四步，利用上述摩擦阻尼器半主动实时变摩擦控制力对建筑结构进行控制。取建筑结 构顶层为分析对象，利用MATLAB工具箱提取建筑结构在四条地震波下受控和无控的动力响 应，如位移、速度和加速度等。取建筑结构顶层为分析对象对两种控制算法的计算结果做了 对比研究，如图3-6，对比发现本专利技术的算法的控制效果更有效。图3—6分别给出了在El Centro波(O. lgal) 、 Hachinohe波(0. lgal) 、 Kobe波(O. lgal)、 上海人工波(O. lgal)作用下结构顶层的摩擦阻尼器半主动控制地震反应控制曲线。从图3-4可看出，在El Centro波(O. lgal)和Hachinohe波(O. lgal)作用下，建筑结构 顶层的位移、速度、加速度响应在受控下均有一定的减少；然而，本专利技术的控制算法下的控 制效果比Semi3半主动控制算法下的效果好。从图5可看出，在Kobe波(O. lgal)作用下，结构顶层的位移和速度响应在受控下有了明 显的减少。然而，Semi3半主动控制算法控制下的建筑结构顶层加速度响应在某些时间点上甚至超过了无控下结构的加速度响应，但建筑结构在本专利技术的控制算法下加速度响应值得到 了很好的控制。从图6可看出，在上海人工波(O. lgal)作用下，结构顶层的位移和速度响应在受控下有 了明显的减少。同样，Semi3半主动控制下的结构顶层加速度响应在某些时间点上也超过了 无控下结构的加速度响应，而建筑结构在本专利技术的控制算法下加速度响应值得到了很好的控 制。表l给出了各项峰值指标的控制效果。综合图3—6，在各条地震波作用下Semi3有一定的控制效果，但本专利技术的控制算本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种地震作用下建筑结构摩擦阻尼器半主动控制算法，其特征在于，该控制算法具体步骤如下：　第一步，选定建筑结构模型，根据需要每建筑结构楼层设置若干个摩擦阻尼器，采集地震波数据；　第二步，采用线性二次型（ＬＱＲ）经典最优控制算法计算，使建筑结构在地震作用下的能量最小，并设计此时的最优控制力；　第三步，利用上述得到的最优控制力分别设计出摩擦阻尼器的实时变阻尼和变刚度，并利用它们计算得到摩擦阻尼器的实时半主动摩擦控制力，从而对建筑结构进行摩擦阻尼器半主动控制；第四步，利用上述摩擦阻尼器半主动实时控制力对建筑结构进行控制，并使用ＭＡＴＬＡＢ工具箱提取建筑结构在地震作用下摩擦阻尼器半主动控制时返回的振动响应数据。

【技术特征摘要】
1.一种地震作用下建筑结构摩擦阻尼器半主动控制算法，其特征在于，该控制算法具体步骤如下第一步，选定建筑结构模型，根据需要每建筑结构楼层设置若干个摩擦阻尼器，采集地震波数据；第二步，采用线性二次型(LQR)经典最优控制算法计算，使建筑结构在地震作用下的能量最小，并设计此时的最优控制力；第三步，利用上述得到的最优控制力分别设计出摩擦阻尼器的实时变阻尼和变刚度，并利用它们计算得到摩擦阻尼器的实时半主动摩擦控制力，从而对建筑结构进行摩擦阻尼器半主动控制；第四步，利用上述摩擦阻尼器半主动实时控制力对建筑结构进行控制，并使用MATLAB工具箱提取建筑结构在地震作用下摩擦阻尼器半主动控制时返回的振动响应数据。2. 根据权利要求1所述的地震作用下建筑结构摩擦阻尼器半主动控制算法，其特征在于，上述基于LQR经典最优控制算法计算得到的最优控制力来设计阻尼器的变阻尼和变刚度，并...

【专利技术属性】
技术研发人员：李春祥，刘青，
申请(专利权)人：李春祥，刘青，
类型：发明
国别省市：31