縱向地震動輸入下大型渡槽減震半主動控制裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種縱向地震動輸入下大型渡槽減震半主動控制裝置及方法，方法為：采用磁流變阻尼器作為控制裝置；使用磁流變阻尼器的spencer模型進(jìn)行減震的模擬；采用LQR/LQG控制律進(jìn)行主動控制的設(shè)計，采用經(jīng)典線性最優(yōu)控制算法LQR求得最優(yōu)狀態(tài)反饋增益；結(jié)合磁流變阻尼器特和渡槽結(jié)構(gòu)使半主動控制裝置近似達(dá)到主動最優(yōu)控制力的效果，設(shè)計半主動控制律；采用梁段有限元法計算渡槽結(jié)構(gòu)空間動力；通過試算最優(yōu)控制力過程，不斷的調(diào)整權(quán)矩陣Q和R的形式和大小，以獲得控制效果和控制力綜合最優(yōu)的主動控制力；裝置為：槽身、支架、盆式橡膠支座、鉛芯橡膠支座、伸縮縫、磁流變阻尼器、墩頂；本發(fā)明的方法和結(jié)構(gòu)簡單，動態(tài)范圍大、耐久性好、阻尼力連續(xù)可調(diào)。
【專利說明】縱向地震動輸入下大型渡槽減震半主動控制裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于渡槽的減震控制【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種縱向地震動輸入下大型渡槽減震半主動控制裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，南水北調(diào)水利工程是為緩解我國華北及西北地區(qū)水資源缺乏的現(xiàn)狀而興建的大型水利工程，渡槽結(jié)構(gòu)作為南水北調(diào)輸水工程中的重要組成部分，是南水北調(diào)中線工程上應(yīng)用較多的主要交叉建筑物之一，而中線工程的輸水線路穿越我國地震高烈度區(qū)域，線路許多區(qū)段的抗震設(shè)防烈度達(dá)到8度，整個工程輸水總干渠共有渡槽49座，累計長度達(dá)到5520m，流量達(dá)500m3/s，一旦發(fā)生地震，全線輸水將要中斷，且其臨近京廣、京九等重要鐵路干線，可能導(dǎo)致嚴(yán)重的次生災(zāi)害，因此輸水工程的抗震安全性非常重要。
[0003]自1972年結(jié)構(gòu)振動控制提出以來，經(jīng)過近40年來的研究與應(yīng)用，已經(jīng)取得了長足的發(fā)展，各種控制技術(shù)在工程中的應(yīng)用也越來越廣泛。渡槽結(jié)構(gòu)的減震控制目前多集中于被動控制，如利用鉛芯橡膠支座進(jìn)行的隔震等，其具有形式簡單，易于實現(xiàn)，造價低廉及無需外部能源支持等優(yōu)點，但是其控制效果和控制的適用范圍有一定的局限。而主動控制方法雖然控制效果好且適應(yīng)性強(qiáng)，但是系統(tǒng)構(gòu)造復(fù)雜，造價昂貴，所需要的巨大能源在地震中得不到完全的保證，因此，其實用性受到限制，但可作為控制系統(tǒng)設(shè)計的理論參考。半主動控制技術(shù)則兼具了主動控制和被動控制的優(yōu)點，既可以達(dá)到被動控制的可靠性，又具有主動控制的強(qiáng)適應(yīng)性，且構(gòu)造簡單，所需能量小，是結(jié)構(gòu)振動控制領(lǐng)域的前沿性研究課題之一，受到國內(nèi)外研究者的廣泛關(guān)注。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明實施例的目的在于提供一種縱向地震動輸入下大型渡槽減震半主動控制裝置及方法，旨在解決現(xiàn)有的渡槽控制方法存在的控制效果和控制的適用范圍受限、構(gòu)造復(fù)雜、造價昂貴的問題。
[0005]本發(fā)明實施例是這樣實現(xiàn)的，一種縱向地震動輸入下大型渡槽減震半主動控制的方法，該縱向地震動輸入下大型渡槽減震半主動控制的方法包括以下步驟:
[0006]步驟一，利用加速度計對測點的絕對加速度進(jìn)行記錄，并采用所得數(shù)據(jù)作為控制系統(tǒng)的反饋數(shù)據(jù)，測力傳感器將配制于每個控制裝置上，每個加速度計的敏感性指標(biāo)取為:Sa = 10V/g = 10V/9.81ms—2，每個力傳感器的敏感性指標(biāo)取為Sf = 10V/1000kN ;采用磁流變阻尼器作為控制裝置，通過控制磁場使磁流變體在毫秒級內(nèi)實現(xiàn)自由流動的粘滯流體和半固體之間的可逆變化；
[0007]步驟二，使用磁流變阻尼器的的spencer模型進(jìn)行減震的模擬；阻尼力以下式進(jìn)行計算
[0008]f - C0 X+ az
【權(quán)利要求】
1.一種縱向地震動輸入下大型渡槽減震半主動控制的方法，其特征在于，該縱向地震動輸入下大型渡槽減震半主動控制的方法包括以下步驟: 步驟一，利用加速度計對測點的絕對加速度進(jìn)行記錄，并采用所得數(shù)據(jù)作為控制系統(tǒng)的反饋數(shù)據(jù)，測力傳感器將配制于每個控制裝置上，每個加速度計的敏感性指標(biāo)取為=Sa =10V/g = 10V/9.81ms—2，每個力傳感器的敏感性指標(biāo)取為Sf = 10V/1000kN ;采用磁流變阻尼器作為控制裝置，通過控制磁場使磁流變體在毫秒級內(nèi)實現(xiàn)自由流動的粘滯流體和半固體之間的可逆變化； 步驟二，使用磁流變阻尼器的的spencer模型進(jìn)行減震的模擬；阻尼力以下式進(jìn)行計算
2.如權(quán)利要求1所述的縱向地震動輸入下大型渡槽減震半主動控制的方法，其特征在于，在步驟二中，a a = 46.2kN.m"1, k。= 0.002kN.m"1, a b = 41.2kN.m—1.V，Ii1 =.0.0097kN.m"1, c0a = IlOkN.s.m—\ = 164m—2，cob = 114kN.s.m—1.V，β = 164m—2，cla=8359kN.s.m-1, A = 1107.2, clb = 7483kN.s.m-1.V, n = 2, x0 = 0.0m, η = 100 ；以幅值為0.6m/s，周期為2.5s的正弦波作為激勵，對模型進(jìn)行數(shù)值模擬。
3.如權(quán)利要求1所述的縱向地震動輸入下大型渡槽減震半主動控制的方法，其特征在于，在步驟三中，經(jīng)典線性最優(yōu)控制算法的具體步驟為: 首先，在n個自由度的結(jié)構(gòu)上添加r個控制器，則地震動一致輸入下的結(jié)構(gòu)半主動控制系統(tǒng)運動方程為:
4.如權(quán)利要求1所述的縱向地震動輸入下大型渡槽減震半主動控制的方法，其特征在于，在步驟三中，將離散點進(jìn)行擬合，最后將U (f)表示為:
U(f) = (af+b)*H{af+b} 式中，a, b為力與電壓的關(guān)系參數(shù)。
5.如權(quán)利要求1所述的縱向地震動輸入下大型渡槽減震半主動控制的方法，其特征在于，在步驟五中，渡槽結(jié)構(gòu)空間動力計算采用梁段有限元法，根據(jù)符拉索夫理論，渡槽在受力變形過程中，橫截面的形狀始終保持不變，橫截面的位移為沿X軸，坐標(biāo)原點取在形心C的橫向位移U、沿y軸的豎向位移V、沿z軸的縱向位移w以及繞扭轉(zhuǎn)中心S的扭轉(zhuǎn)位移Φ，若只取3階對流諧振力等效彈簧一質(zhì)量系統(tǒng)來研究，則
6.一種縱向地震動輸入下大型渡槽減震半主動控制裝置，其特征在于，該縱向地震動輸入下大型渡槽減震半主動控制裝置包括:槽身、支架、盆式橡膠支座、鉛芯橡膠支座、伸縮縫、磁流變阻尼器、墩頂； 鉛芯橡膠支座設(shè)置在墩頂上，鉛芯橡膠支座設(shè)置在盆式橡膠支座的下方，槽身連接支架，伸縮縫設(shè)置在相鄰的槽身之間，磁流變阻尼器設(shè)置在伸縮縫上。
7.如權(quán)利要求6所述的縱向地震動輸入下大型渡槽減震半主動控制裝置，其特征在于，槽身通過盆式橡膠支座連接支架。
8.如權(quán)利要求6所述的縱向地震動輸入下大型渡槽減震半主動控制裝置，其特征在于，槽身的左端橫、豎、縱向及豎、縱向轉(zhuǎn)動自由度約束，右端橫、豎向及縱向轉(zhuǎn)動自由度約束。
9.如權(quán)利要求6所述的縱向地震動輸入下大型渡槽減震半主動控制裝置，其特征在于，支架采用H型排架；采用止水材料封堵伸縮縫。
10.如權(quán)利要求6所述的縱向地震動輸入下大型渡槽減震半主動控制裝置，其特征在于，該縱向地震動輸入下大型渡槽減震半主動控制裝置采用磁流變阻尼器，阻尼器的兩端分別通過螺栓固定于伸縮縫的兩側(cè)的渡槽槽身或采用磁流變阻尼器，兩端分別通過鉸支座連接在槽身和渡槽支架上兩種設(shè)置方式。
【文檔編號】G05B13/04GK104020669SQ201410186105
【公開日】2014年9月3日 申請日期:2014年5月5日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月5日
【發(fā)明者】黃亮, 王博, 徐偉, 張威, 閔博 申請人:鄭州大學(xué)