基于壓電—SMA變摩擦阻尼器的智能隔震系統(tǒng)試驗與理論研究.pdf

1、結(jié)構(gòu)振動控制作為一種積極、有效的減震技術(shù)在土木工程中的研究和應(yīng)用已經(jīng)有近40年的歷史,而近年來將磁流變(MR)、形狀記憶合金(SMA)和壓電陶瓷(PZT)等智能材料引入其中,為建造大震不倒的結(jié)構(gòu)提供了光輝燦爛的前景,也為振動控制的研究平添了無窮的活力。目前對MR阻尼器的研究已經(jīng)比較深入和成熟,故有必要加強對其它半主動控制裝置的研究與開發(fā)。本文基于形狀記憶合金(SMA)和壓電陶瓷(PZT)兩種智能材料的特點,提出了三種壓電復(fù)合變摩擦阻尼器

2、,它們充分利用PZT的正、逆壓電效應(yīng)和響應(yīng)速度快的優(yōu)點以及SMA絲出力大、性能穩(wěn)定的特性,結(jié)合摩擦阻尼器的簡單構(gòu)造,改善了現(xiàn)有壓電阻尼器的性能,力圖推進(jìn)壓電阻尼器的實用化進(jìn)程。
　　在電場作用下,變形被約束的疊層壓電陶瓷驅(qū)動器能夠瞬間提供可控的驅(qū)動力(即逆壓電效應(yīng)),而且控制系統(tǒng)簡單可靠,這些特點為其實用化提供了方便。利用這個特點,分別研發(fā)了水平面內(nèi)無方向性的壓電變摩擦阻尼器和壓電-SMA復(fù)合變摩擦阻尼器,與圓形隔震橡膠支座協(xié)調(diào)工

3、作,能夠在水平各個方向提供可控的摩擦阻尼。對安裝有新型阻尼器的智能隔震結(jié)構(gòu)進(jìn)行了理論分析和試驗研究。在此基礎(chǔ)上,還提出了壓電自發(fā)電的智能隔震系統(tǒng)的理論構(gòu)想。主要工作包括以下幾個方面:
　　(1)針對新型的壓電阻尼器和壓電-SMA變摩擦阻尼器,制作了其實驗室比例的模型。分別進(jìn)行了壓電陶瓷出力性能試驗、SMA絲材料性能試驗和兩種新型阻尼器的動力性能試驗:壓電驅(qū)動器出力性能試驗結(jié)果表明,開始階段預(yù)壓力的增加能提高壓電陶瓷驅(qū)動器的出力,但

4、隨著約束鋼架被預(yù)壓得越來越緊密,壓電驅(qū)動器出力趨于穩(wěn)定。阻尼器性能試驗主要研究其動力特性,研究了施加固定預(yù)壓力(對應(yīng)于“被動關(guān)”狀態(tài))和同時施加預(yù)壓力和變電壓下阻尼力(對應(yīng)于半主動控制狀態(tài))的特性,特別是研究了雙向滑動時壓電摩擦阻尼器的動力特性,還測試了大行程下SMA絲提供的阻尼力特性。結(jié)果表明,SMA絲能夠在隔震層位移較大時,提供很好的復(fù)位力。智能阻尼器半主動和被動狀態(tài)下的可控阻尼力穩(wěn)定,滯回性能在低頻段基本不隨加載頻率的變化而改變。

5、雙向滑動時,起滑階段x、y方向初始剛度相差較大,滑移穩(wěn)定后雙向的動力特性穩(wěn)定。
　　(2)由于壓電-SMA復(fù)合變摩擦阻尼器構(gòu)造復(fù)雜,而且兩種智能材料(疊層壓電驅(qū)動器和SMA絲)都在貢獻(xiàn)阻尼力時導(dǎo)致阻尼器變形,而目前研究中基于單向胡克定律的壓電可調(diào)正壓力計算公式已經(jīng)不再適用。所以,提出了基于有限元分析的智能阻尼器可調(diào)阻尼力計算模型和帶電壓參數(shù)的形狀系數(shù)計算公式。通過Ansys分析還證明了長行程的壓電復(fù)合阻尼器中,壓電正壓力偏心,對可

6、調(diào)阻尼力的影響非常小,并推導(dǎo)了可調(diào)阻尼力偏心影響的計算公式。在此基礎(chǔ)上,還優(yōu)化了復(fù)合智能阻尼器的剛度參數(shù)。
　　(3)對基于壓電-SMA復(fù)合變摩擦阻尼器的智能高位層間隔震系統(tǒng)進(jìn)行了仿真分析。以一14層的高位(第9層)層間隔震實際工程為算例,進(jìn)行了限幅最優(yōu)半主動控制和被動開、關(guān)控制以及最優(yōu)電壓控制的比較分析,首先確定了加層隔震抗震加固的智能隔震結(jié)構(gòu)的控制效果評價指標(biāo),應(yīng)用限幅最優(yōu)控制策略和最優(yōu)電壓被動控制策略對層間隔震結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)

7、進(jìn)行了分析。結(jié)果表明,最優(yōu)電壓被動控制能取得半主動控制非常接近的控制效果,有效減小結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)(特別是隔震層的層間位移)。
　　(4)進(jìn)行了安裝壓電-SMA摩擦阻尼器的鋼框架隔震模型結(jié)構(gòu)(包括基礎(chǔ)隔震和層間隔震)的振動臺試驗。試驗結(jié)果表明,新型智能阻尼器的主要構(gòu)件(壓電套筒、約束鋼架和SMA絲調(diào)節(jié)閥)都能在隔震層與圓形隔震墊協(xié)調(diào)工作,提供水平任一方向的可控阻尼力。比較分析了不同地震波輸入下壓電摩擦阻尼器的控制效果,特別是研究了隔

8、震層位置不同時(基礎(chǔ)隔震、首層隔震),智能隔震的控制效果。試驗結(jié)果表明,壓電-SMA復(fù)合變摩擦阻尼器和相應(yīng)的控制策略都是非常有效的:被動開、關(guān)控制和最優(yōu)電壓控制均能減小結(jié)構(gòu)的響應(yīng),最優(yōu)電壓控制不僅費效比是最好的,而且能充分發(fā)揮壓電-SMA摩擦阻尼器的性能,獲得很好的控制效果,特別是大幅減少了隔震層的位移,對層間隔震結(jié)構(gòu)而言,不僅僅提高了隔震結(jié)構(gòu)性能,而且也減少了P-△效應(yīng)引起的彎矩和剪力,提高了層間隔震系統(tǒng)的可靠性。
　　(5)對

9、于偶然偏心作用導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的地震扭轉(zhuǎn)響應(yīng),壓電-SMA復(fù)合變摩擦阻尼器中的SMA絲能夠提供抗扭拉力和阻尼,抵抗偶然偏心的作用。數(shù)值分析和振動臺實驗都證明,當(dāng)壓電-SMA復(fù)合阻尼器安裝在結(jié)構(gòu)平面位置的中心時,偶然偏心不會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)有明顯的扭轉(zhuǎn)振動。而一般的智能阻尼器都要求布置在結(jié)構(gòu)平面位置的四周來抗扭,以犧牲半主動控制力為代價。
　　(6)提出了一種壓電自發(fā)電的變摩擦阻尼器和相應(yīng)的智能層間隔震系統(tǒng)的理論構(gòu)想。以隔震層地震波輸出激勵為發(fā)電激