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基于滾軸支座基礎智能隔震結構的非光滑主動控制

劉彥輝 黃襄云 黃小芳 王清

劉彥輝, 黃襄云, 黃小芳, 王清. 基于滾軸支座基礎智能隔震結構的非光滑主動控制[J]. 工程科學學報, 2019, 41(8): 1092-1102. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.08.015
引用本文: 劉彥輝, 黃襄云, 黃小芳, 王清. 基于滾軸支座基礎智能隔震結構的非光滑主動控制[J]. 工程科學學報, 2019, 41(8): 1092-1102. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.08.015
LIU Yan-hui, HUANG Xiang-yun, HUANG Xiao-fang, WANG Qing. Nonsmooth active control method for base-smart isolated structures with roller bearings[J]. Chinese Journal of Engineering, 2019, 41(8): 1092-1102. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.08.015
Citation: LIU Yan-hui, HUANG Xiang-yun, HUANG Xiao-fang, WANG Qing. Nonsmooth active control method for base-smart isolated structures with roller bearings[J]. Chinese Journal of Engineering, 2019, 41(8): 1092-1102. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.08.015

基于滾軸支座基礎智能隔震結構的非光滑主動控制

doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.08.015
基金項目: 

國家自然科學基金資助項目 51778163

國家重點研發計劃重點專項資助項目 2016YFE0127600

廣州市屬高校科研項目重點資助項目 1201610135

廣東省教育廳創新團隊資助項目 2016KCXTD016

詳細信息
    通訊作者:

    劉彥輝, E-mail: Liuyanhui2012@163.com

  • 中圖分類號: TU352.12

Nonsmooth active control method for base-smart isolated structures with roller bearings

More Information
  • 摘要: 以滾軸支座基礎隔震結構作為受控結構研究對象, 在該隔震結構的隔震層施加主動控制裝置, 形成智能隔震體系, 以控制隔震層的位移, 提高結構的安全性. 在智能隔震結構中引入非光滑控制算法, 基于隔震層位移和速度反饋, 提出了智能隔震結構的非光滑控制算法, 進一步根據Lyapunov穩定理論, 推導了在非光滑控制下智能控制閉環系統的全局有限時間穩定性. 結合一棟六層滾軸支座基礎隔震結構, 進行了非光滑主動控制算法下和LQG主動控制算法下的地震響應控制仿真分析. 結果表明, 智能隔震結構可有效控制結構的位移, 與被動隔震結構相比較上部結構的地震響應有一定程度的減小, 同時提出的非光滑控制算法與LQG控制算法相比較具有更好的控制效果, 相比LQG控制算法通過較少的反饋量即可實現反饋控制, 且非光滑控制算法具有良好的穩定性.

     

  • 圖  1  一維簡化模型

    Figure  1.  Simplified one-dimensional model

    圖  2  滾軸支座單元和滾動示意圖. (a) 滾軸支座單元; (b) 滾軸支座滾動

    Figure  2.  Unit and roll of roller bearing: (a) unit of roller bearing; (b) roll of roller bearing

    圖  3  滾軸支座力學模型

    Figure  3.  Roll diagram of roller bearing

    圖  4  實際結構有限元模型

    Figure  4.  Finite element model of the actual structure

    圖  5  滾軸支座布置圖

    Figure  5.  Diagram of roller bearing arrangement

    圖  6  智能隔震結構簡化模型

    Figure  6.  Simplified model of smart-isolated structure

    圖  7  LK0676波時程曲線

    Figure  7.  Time history curve of LK0676 wave

    圖  8  LK0714波時程曲線

    Figure  8.  Time history curve of LK0714 wave

    圖  9  人工波時程曲線

    Figure  9.  Time history curve of artificial wave

    圖  10  反應譜對比

    Figure  10.  Comparison of response spectrum

    圖  11  LK0676波作用下結構隔震層響應曲線對比. (a) LK0676波作用下隔震層位移曲線對比; (b) LK0676波作用下隔震層加速度曲線對比

    Figure  11.  Curve comparison of structural isolation layer response under LK0676 wave: (a) curve comparison of isolation layer displacement under LK0676 wave; (b) curve comparison of isolation layer acceleration under LK0676 wave

    圖  12  LK0714波作用下結構隔震層響應曲線對比. (a) LK0714波作用下隔震層位移曲線對比; (b) LK0714波作用下隔震層加速度曲線對比

    Figure  12.  Curve comparison of structural isolation layer response under LK714 wave: (a) curve comparison of isolation layer displacement under LK714 wave; (b) curve comparison of isolation layer acceleration under LK714 wave

    圖  13  人工波作用下結構隔震層響應曲線對比. (a) 人工波作用下隔震層位移曲線對比; (b) 人工波作用下隔震層加速度曲線

    Figure  13.  Curve comparison of structural isolation layer response under artificial wave: (a) curve comparison of isolation layer displacement under artificial wave; (b) curve comparison of isolation layer acceleration under artificial wave

    圖  14  LK0676波作用下上部結構層間位移峰值

    Figure  14.  Inter-story displacement peak of superstructure under LK0676

    圖  15  LK0676波作用下加速度峰值

    Figure  15.  Peak acceleration under LK0676

    圖  16  LK0714波作用下上部結構層間位移峰值

    Figure  16.  Inter-story displacement peak of superstructure under LK0714

    圖  17  LK0714波作用下加速度峰值

    Figure  17.  Peak acceleration under LK0714

    圖  18  人工波作用下上部結構層間位移峰值

    Figure  18.  Inter-story displacement peak of superstructure under artificial wave

    圖  19  人工波作用下加速度峰值

    Figure  19.  Peak acceleration under artificial wave

    圖  20  三種波作用下結構隔震層底部剪力曲線. (a) LK0676波作用下結構隔震層底部剪力曲線; (b) LK0714波作用下結構隔震層底部剪力曲線; (c) 人工波作用下結構隔震層底部剪力曲線

    Figure  20.  Bottom shear force of structural isolation layer under three waves: (a) bottom shear force of structural isolation layer under; (b) bottom shear force of structural isolation layer under LK0714 wave; (c) bottom shear force of structural isolation layer under artificial wave

    圖  21  LK0676波用下控制力曲線

    Figure  21.  Curve of control force under LK0676 wave

    圖  22  LK0714波作用下控制力曲線

    Figure  22.  Curve of control force under LK0714 wave

    圖  23  人工波作用下控制力曲線

    Figure  23.  Curve of control force under artificial wave

    圖  24  基礎隔震結構和智能隔震結構復位曲線

    Figure  24.  Reset curve of base-isolated structure and smart-isolated structure

    表  1  MATLAB模型與ETABS模型周期

    Table  1.   Period of MATLAB model and ETABS model

    振型號 MTALB周期/s ETABS周期/s
    1 1.160 1.209
    2 0.436 0.422
    3 0.275 0.235
    4 0.218 0.182
    5 0.187 0.142
    6 0.180 0.116
    下載: 導出CSV

    表  2  三條波分別作用下的隔震層響應峰值

    Table  2.   Peak values of isolation layer responses under three different waves

    控制策略 LK0676波 LK0714 人工波
    位移/
    mm
    速度/
    (m·s-1)
    加速度/
    (m·s-2)
    位移/
    mm
    速度/
    (m·s-1)
    加速度/
    (m·s-2)
    位移/
    mm
    速度/
    (m·s-1)
    加速度/
    (m·s-2)
    隔震 120.65 0.49 2.24 110.58 0.54 2.12 91.92 0.49 1.87
    LQG 43.57 0.37 2.06 48.92 0.36 1.93 36.48 0.24 1.63
    非光滑 40.10 0.32 1.48 39.56 0.27 1.59 29.44 0.21 1.25
    下載: 導出CSV

    表  3  隔震層底部剪力峰值

    Table  3.   Peak value of bottom shear force in the isolation layer

    控制策略 剪力峰值/(103 kN)
    LK0676波 LK0714波 人工波
    隔震 9.602 9.098 8.029
    LQG 8.910 8.317 7.107
    非光滑 6.678 6.903 5.672
    下載: 導出CSV
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  • 收稿日期:  2018-07-27
  • 刊出日期:  2019-08-01

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