楊建寧 劉 洋，2 孫立新

1.陜西交通職業(yè)技術(shù)學院 建筑與測繪工程學院，陜西西安 710018；2.西安建筑科技大學土木工程學院，陜西西安 710055

地震是一種嚴重威脅著人類的生命與財產(chǎn)安全的突發(fā)性自然災害，我國位于世界的環(huán)太平洋火山地震帶和地中海-喜馬拉雅山地震帶兩大地震帶的交匯部位，地震斷裂帶具有頻度高、強度大、震源淺、分布廣的特點[1]。地震災害直接帶來了建筑物損壞，所以建筑的抗震性能十分重要。建筑抗震設(shè)防措施的傳統(tǒng)做法一般是通過加強結(jié)構(gòu)的強度、整體剛度或整體延性來抵御地震作用，即由結(jié)構(gòu)自身儲存的抗力來耗散地震所傳給建筑的能量。地震的隨機性決定了采用這種抗震設(shè)防措施設(shè)計的結(jié)

構(gòu)抗震“自我”調(diào)節(jié)能力弱、適應性差；另外，建筑結(jié)構(gòu)通過自身儲存抗力來消耗地震能量，結(jié)構(gòu)會局部破壞，且加固維修比較困難，經(jīng)濟性差。因此，基于智能控制的新型結(jié)構(gòu)抗震系統(tǒng)的研究很有必要[2-3]，為了增強我國工程建設(shè)的防災減災能力，尤其是提高大跨度結(jié)構(gòu)的抗震能力，通過設(shè)計基于壓電摩擦阻尼器的智能控制系統(tǒng)來研究其抗震性能，具有重要的意義和價值。

壓電摩擦阻尼器的智能控制系統(tǒng)屬于結(jié)構(gòu)智能控制的范疇，壓電摩擦阻尼器本身由壓電驅(qū)動器和摩擦阻尼器復合而成，兼?zhèn)溆懈兄Ⅱ?qū)動及耗能的性能，是目前比較常用的智能控制器，它克服了單純壓電材料提供的應變小而阻尼滯后的缺點，具備了結(jié)構(gòu)簡單、可靠性好、時滯小、出力大的特點。隨著壓電驅(qū)動器性價比的提高，它在土木工程結(jié)構(gòu)智能控制系統(tǒng)的實用性和價值越來越高。

1 壓電變摩擦阻尼器的原理

1.1 壓電變摩擦阻尼器的原理

壓電摩擦阻尼器的核心材料是壓電材料，壓電材料在變形時會引起電路兩端的電壓變化，稱為正壓電效應，反之由于電壓引起的材料變形稱為逆壓電效應，壓電材料的電學性質(zhì)和力學性質(zhì)間關(guān)系（機電耦合關(guān)系）可以用下列的壓電本構(gòu)方程表示：

在公式（1）中：ε—壓電陶瓷的應變向量(6×1)；cEσ—電場強度為常數(shù)時材料對應的柔度系數(shù)(6×6)；Eσ—應力向量(6×1)；E—電場強度(3×1)；dσ—壓電應變常數(shù)(6×3)。

在公式（2）中：D—電位移(3×1)；εσ—當應力為常數(shù)時相應介電常數(shù)(3×3)。進而得到壓電摩擦阻尼器的阻尼力計算模型為：

公式（3）中：f(t)—阻尼力；μ—摩擦面的摩擦系數(shù)；N ( t )—作用在壓電摩擦阻尼器上的正壓力；[x.(t)]—阻尼器摩擦面的相對速度。其中，N(t)與阻尼器的預緊力以及驅(qū)動器引起的緊固力相關(guān)，即：

公式（4）中 ：N0—摩擦阻尼器的預緊；K—壓電摩擦阻尼器形狀系數(shù) ；E(t)—主動調(diào)節(jié)或的電場強；d33—壓電材料的壓電應變系數(shù)[4]。

由上述的壓電變摩擦阻尼器工作原理可以看出，由于逆壓電效應，壓電材料相應對摩擦阻尼器摩擦表面的壓力進行控制,能同步并及時地調(diào)節(jié)阻尼器的耗能能力。阻尼耗能過程主要是通過減慢結(jié)構(gòu)內(nèi)部相對位移來消耗地震傳給結(jié)構(gòu)的振動能量，并且該裝置消耗能量的速度可以調(diào)節(jié)。

1.2 新型壓電變摩擦阻尼器的構(gòu)造和優(yōu)點

傳統(tǒng)壓電摩擦阻尼器的構(gòu)造特點使得壓電驅(qū)動器在發(fā)生阻尼運動后復位困難，整體驅(qū)動器和阻尼面不封閉等?；趥鹘y(tǒng)壓電摩擦阻尼器的缺點，阻尼器的摩擦面形狀被設(shè)計為封閉的曲面，如圖1所示[5]，其構(gòu)造特點是外形為圓筒形，壓電材料封閉在套筒中，預壓彈簧將阻尼器（內(nèi)筒）與外套筒貼合，形成初始壓力；當?shù)卣饋砼R時，外部推拉桿拉力變化產(chǎn)生相對移動速度時，自感應壓電驅(qū)動器伸長變形，而預壓彈簧限制該變形，增加了外套筒內(nèi)壁與阻尼器表面之間的正壓力，使阻尼作用增大；同時根據(jù)減振需要調(diào)節(jié)加在壓電材料驅(qū)動器上的電壓，就可以實現(xiàn)摩擦力的實時調(diào)節(jié)。這種新型壓電驅(qū)動器的構(gòu)造簡單，驅(qū)動力大，復位快，因此有顯著的減振效果。

圖1 新型壓電變摩擦阻尼器的構(gòu)造

2 智能控制系統(tǒng)

由智能控制算法編制程序，考慮正壓電效應作用，通過感應信號采集，產(chǎn)生電壓變化信號，并根據(jù)信號分析系統(tǒng)進行阻尼力計算、驅(qū)動力控制計算；在逆壓電效應作用下，進行反饋電壓計算，壓電驅(qū)動器做動，從而實現(xiàn)振動的半主動控制，程序思路如圖2所示。

圖2 智能控制單元算法程序圖

在上述結(jié)構(gòu)主動控制和結(jié)構(gòu)智能控制方面，結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)算法研究有：模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡控制和遺傳算法等。模糊控制以模糊集合以及模糊語言規(guī)則為基礎(chǔ)，根據(jù)操作人員的實際經(jīng)驗知識，按照操作數(shù)據(jù)控制規(guī)則，利用模糊理論進行邏輯推理，對無法或難以建立精密數(shù)學模型的復雜對象進行有效控制；神經(jīng)網(wǎng)絡是基本不依賴于模型的控制方法，可適用于具有不確定性變化的環(huán)境，自適應能力較強，在多變量、高度非線性和大滯后系統(tǒng)建模和控制方面優(yōu)勢明顯，遺傳算法是基于自然選擇與基因遺傳學原理的現(xiàn)代優(yōu)化算法，構(gòu)成了各種進化計算方法的基礎(chǔ)。

3 發(fā)展前景

壓電材料已在土木結(jié)構(gòu)防震減災中得到應用，目前國內(nèi)外學者在阻尼器研發(fā)、控制算法研究以及智能控制等方面有了一定的研究和成果，壓電材料的性能向自傳感驅(qū)動器方向發(fā)展，隨著智能材料的不斷發(fā)展和控制算法的不斷改進，在建筑結(jié)構(gòu)抗震控制領(lǐng)域，抗震智能控制系統(tǒng)的研究將會更加深入。

4 結(jié)語

（1）壓電變摩擦阻尼器運用壓電材料的壓電效應并與阻尼器集合成為具有自適應能力的摩擦耗能裝置，是一類很有發(fā)展前景的結(jié)構(gòu)減振裝置。

（2）新型壓電變摩擦阻尼器克服了傳統(tǒng)壓電摩擦阻尼器的缺點，具有外力能量小、整體驅(qū)動力大的特點，能夠有效地抵御地震作用。

（3）提供智能控制單元算法程序圖做為編程的參考。