半主动变刚度TLCD减振控制的研究

    作为动力吸振理论在结构控制工程中的应用，调谐质量阻尼器( Tuned Mass Damper，TMD) 和调谐液体阻尼器( Tuned Liquid Damper，TLD) 取得了一定的成功，均不乏工程实例。作为 TLD 的一种变例，Sakai［1］提出了 U 型液体调谐阻尼器 TLCD( Tuned Liquid Col-umn Damper) 减振控制装置，其构造为一内部充液( 通常是水) 的 U 型管状刚性容器，水平管道中部设有预留孔。通过调谐管内液柱的振动频率至接近或等于结构的固有频率并选定适度的液力阻尼，然后附于结构之上，则结构的部分运动能量将传递给液体，引起液柱的振动，从而改善结构的动力状态。

    TLCD 中通常会装设开有小孔的隔板，液体在流经小孔前后，由于截面突然变化，运动的液体将会产生局部水头损失，这种损失是 TLCD 耗散能量的主要部分［2 －6］。因此，TLCD 减振系统的阻尼是通过液体流经预先设置的孔洞产生的，但是孔洞引起的阻尼力是内在非线性的。对于这种非线性系统，TLCD 如何确定合适的液力阻尼是一个不易解决的难题。尽管在一些文献中建议采用等效线性化技术处理非线性阻尼，但由于这种等效线性阻尼依赖结构动力响应，以致优化阻尼条件不能在一个较广的范围内成立，带有很大的局限性。因此虽然隶属于被动控制系统的 TLCD 可以发挥一定的作用，但其有效性是有限的。为了克服被动控制系统的限制，相应地出现了一种对应于 TLCD 的半主动控制装置［7 －13］，即 SAVD-TLCD( Semi-active Varia-ble Damping Tuned Liquid Column Damper) ，如图 1 所示。SAVD-TLCD 可以根据既定算法，实时调整开孔率，以适应不同时刻阻尼的需要，并保留了 TLCD 的主要优点。理论分析和实验研究显示这种控制系统能在被动控制的基础上进一步减少结构的振动。

    U 型管中液体振荡的频率与液体的长度有关，当结构的自振频率较高时，在不影响使用的条件下，很难将液的自振频率调节到与结构的自振频率相等或接近，从而影响了 TLCD 的减震效果。阎石等［14］提出了在 U 型阻尼器上设置调频系统( 图 2) ，使液体的振荡频率可以调节，从而增加了 TLCD 的应用范围。但是，这种可调频 TLCD 所附加的弹簧系统的刚度在控制过程中是不可改变的，因此 TLCD 减振系统的频率也是保持不变的。由于 TLCD 控制的原理是通过液体的振动来吸收结构振动的能量以降低结构的动力反应，但是

    在结构振动过程中，外部环境作用( 如地震和风) 的频谱特性在不同的时段是不同的，因而在每一时刻，TLCD 对结构的 控制作用并不是最优的。为改进被动式调频TLCD 的减振特性，本文基于半主动控制的概念提出了半主动变度 TLCD减振系统( Semi-active Variable Stiffness Tuned LiquidColumn Damper，SAVS-TLCD) ，如图 3 所示。这种新型半主动变刚度 TLCD 基本原理是将调频 TLCD 的弹簧设置成可调谐状态，在振动过程中，根据减振系统的需要适时调整 TLCD 的频率，以获得更好的减振效果。借鉴日本学者 Kobori［15］研制开发的主动变刚度 AVS( Ac-tive Variable Stiffness) 装置，变刚度 TLCD 附加调频系统的刚度可适时切换，如图4 所示。该装置由弹簧、液压缸、活塞和阀门组成。当阀门处于关闭状态时，液体不可压缩，该装置能向系统提供一定的刚度。当阀门处于打开状态时，活塞在液缸中可以自由装置不能提供刚度。需要指出的是，尽管主动变刚度装置中的液压路确实存在阻尼，但该装置提供的阻尼力同弹簧提供的恢复力相比一般很小，因此在计算中不考虑变刚度装置的阻尼力。