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、結構振動控制作為一種積極、有效的減震技術在土木工程中的研究和應用已經有近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構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,提出了三種壓電復合變摩擦阻尼器

2、,它們充分利用PZT的正、逆壓電效應和響應速度快的優(yōu)點以及SMA絲出力大、性能穩(wěn)定的特性,結合摩擦阻尼器的簡單構造,改善了現有壓電阻尼器的性能,力圖推進壓電阻尼器的實用化進程。
　　在電場作用下,變形被約束的疊層壓電陶瓷驅動器能夠瞬間提供可控的驅動力(即逆壓電效應),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)了水平面內無方向性的壓電變摩擦阻尼器和壓電-SMA復合變摩擦阻尼器,與圓形隔震橡膠支座協調工

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構進行了理論分析和試驗研究。在此基礎上,還提出了壓電自發(fā)電的智能隔震系統(tǒng)的理論構想。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:壓電驅動器出力性能試驗結果表明,開始階段預壓力的增加能提高壓電陶瓷驅動器的出力,但

4、隨著約束鋼架被預壓得越來越緊密,壓電驅動器出力趨于穩(wěn)定。阻尼器性能試驗主要研究其動力特性,研究了施加固定預壓力(對應于“被動關”狀態(tài))和同時施加預壓力和變電壓下阻尼力(對應于半主動控制狀態(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。結果表明,SMA絲能夠在隔震層位移較大時,提供很好的復位力。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復合變摩擦阻尼器構造復雜,而且兩種智能材料(疊層壓電驅動器和SMA絲)都在貢獻阻尼力時導致阻尼器變形,而目前研究中基于單向胡克定律的壓電可調正壓力計算公式已經不再適用。所以,提出了基于有限元分析的智能阻尼器可調阻尼力計算模型和帶電壓參數的形狀系數計算公式。通過Ansys分析還證明了長行程的壓電復合阻尼器中,壓電正壓力偏心,對可

6、調阻尼力的影響非常小,并推導了可調阻尼力偏心影響的計算公式。在此基礎上,還優(yōu)化了復合智能阻尼器的剛度參數。
　　(3)對基于壓電-SMA復合變摩擦阻尼器的智能高位層間隔震系統(tǒng)進行了仿真分析。以一14層的高位(第9層)層間隔震實際工程為算例,進行了限幅最優(yōu)半主動控制和被動開、關控制以及最優(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構的控制效果評價指標,應用限幅最優(yōu)控制策略和最優(yōu)電壓被動控制策略對層間隔震結構的地震響應

7、進行了分析。結果表明,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,有效減小結構的地震響應(特別是隔震層的層間位移)。
　　(4)進行了安裝壓電-SMA摩擦阻尼器的鋼框架隔震模型結構(包括基礎隔震和層間隔震)的振動臺試驗。試驗結果表明,新型智能阻尼器的主要構件(壓電套筒、約束鋼架和SMA絲調節(jié)閥)都能在隔震層與圓形隔震墊協調工作,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(基礎隔震、首層隔震),智能隔震的控制效果。試驗結果表明,壓電-SMA復合變摩擦阻尼器和相應的控制策略都是非常有效的:被動開、關控制和最優(yōu)電壓控制均能減小結構的響應,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,對層間隔震結構而言,不僅僅提高了隔震結構性能,而且也減少了P-△效應引起的彎矩和剪力,提高了層間隔震系統(tǒng)的可靠性。
　　(5)對

9、于偶然偏心作用導致結構的地震扭轉響應,壓電-SMA復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。數值分析和振動臺實驗都證明,當壓電-SMA復合阻尼器安裝在結構平面位置的中心時,偶然偏心不會導致結構有明顯的扭轉振動。而一般的智能阻尼器都要求布置在結構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的智能層間隔震系統(tǒng)的理論構想。以隔震層地震波輸出激勵為發(fā)電激