基于多层框架的子结构远程协同试验方法研究

将互联网技术应用到子结构混合试验方法中,便形成了基于网络的远程协同试验方法。建立了一套基于OpenFresco试验平台的远程协同试验系统,以一个局部单层的三层多跨偏心支撑组合钢框架结构为原型,取左边跨带有K形偏心支撑的三层钢框架作为试验子结构1,取右边跨带有Y形偏心支撑的单层钢框架作为试验子结构2,进行了缩尺比例为1/2结构模型的局域网协同试验和互联网远程协同试验。根据试验结果,分析了试验子结构的位移加载精度,作动器加载时差,并将混合模型的命令位移与全结构的纯数值模型模拟结果进行了比较。结果表明:在局域网协同试验中,绝大多数工况下的反馈位移峰值与命令位移峰值接近,个别超过了20%,作动器平均每步的加载时差在0.349 s左右,这个时差主要由有限元分析、作动器逼近加载和稳定产生,在7度设防地震作用下,混合模型分析结果与全结构数值模拟结果基本吻合;在互联网远程协同试验中,随着地震波加速度峰值的增大,位移峰值误差有明显的减小趋势并逐渐趋于平稳,作动器平均每步的加载时差比局域网大0.035 s,这个差值主要由网络通讯产生,在8度罕遇地震作用下,混合模型分析结果与全结构模拟结果仍然比较接近。综上,基于OpenFresco建立的远程协同试验系统,具有良好的稳定性和精度,能够有效地对多层框架子结构混合模型进行抗震性能试验。     

子结构技术在结构抗震试验研究中的应用

根据结构试验理论和实验设备的特征,阐述了结构抗震试验的特点及发展,重点分析了子结构拟动力试验方法的原理、数值积分算法、加载方式和误差控制;振动台子结构试验的原理、研究成果;实时子结构的原理和时滞等混合试验方法的基本理论,以及大型通用有限元软件及远程协同试验方法在混合试验中的应用。基于各种试验方法的优势与发展,总结出混合试验技术未来的发展方向。     

单层结构远程协同拟动力试验平台开发

基于网络通讯平台NetSLab,采用Visual Basic语言开发了一个标准化的开放式单层结构远程协同拟动力试验平台NetSLab-SDOF,它由控制中心、真实试验机、虚拟试验机和远程观察器4个模块组成,并通过互联网传输试验控制信号和反馈数据。该平台可以使不同的结构实验室联合进行结构拟动力试验,同时还提供远程用户同步观察试验并获取试验数据的功能。通过桥梁结构的真实拟动力试验及数值模拟试验和网络速度测试,验证了NetSLab-SDOF试验平台的有效性。     

基于振动台的动力子结构试验界面反力获取方法

基于振动台的实时子结构动力试验是一种新型的结构动力试验方法.该试验方法引入了“子结构”这一概念,不仅减小了常规振动台试验对于试验规模的限制,而且克服了拟动力子结构试验中无法考虑加载速率影响的问题.由于该试验方法将整体结构拆分为数值子结构和物理子结构两部分,二者之间通过交界面相互作用力实现实时数据交互,以保证子结构体系与...     

子结构地震模拟振动台混合试验原理与实现

为了解决地震模拟振动台承载能力及台面尺寸对大型结构试验的限制,扩展振动台的功能,本文提出了子结构地震模拟振动台混合试验方法、试验过程及实时数值积分方法,并给出了试验子结构边界条件的两种模拟形式.通过一个简单框架结构的地震模拟振动台试验和子结构混合加载试验验证了该方法的可行性,并指出了该试验方法的主要技术问题.混合试验方法通过子结构技术和振动台试验相结合,解决了目前的地震模拟振动台试验和拟动力试验在设备规模和加载速度上的局限性.     

位移控制的子结构地震模拟振动台混合试验方法

为了解决地震模拟振动台承载能力及台面尺寸对大型结构试验的限制,扩展振动台的功能,提出了位移控制子结构地震模拟振动台混合试验方法,包括试验原理、试验过程及数值积分方法,并给出了2种子结构边界条件的模拟形式.通过1个简单框架结构的地震模拟振动台试验和子结构混合加载试验验证了该方法的可行性,并指出了该试验方法的主要技术问题.混合试验方法通过子结构技术和振动台试验相结合,解决了目前的地震模拟振动台试验和拟动力试验在设备规模和加载速度上的局限性.     

大空间地下结构地震响应混合试验研究

基于OpenSees-OpenFresco-MTS混合试验系统,选取关键构件底层中柱,进行大空间地下结构地震响应混合试验研究。在混合试验过程中,取结构底层中柱为试验子结构,取结构剩余部分与土体为数值子结构。为了满足试验要求,开发了一种专用于混合试验的可变刚度钢构件。通过更换柱脚螺杆改变试验装置侧向刚度。在混合试验前,根据数值模型中对应单元侧向刚度确定钢构件侧向刚度;根据幅值比和相位差等频域指标评价混合试验结果。试验结果显示:在上海人工波工况、El Centro波工况和Kobe波工况中,理论结果与试验结果匹配良好。在以大空间地下结构地震响应为研究对象时,基于OpenSees-OpenFresco-MTS的混合试验系统具有良好的稳定性与精确性。     

考虑阻尼影响的修正CD-Newmark组合算法数值特性研究

显-隐式组合数值积分算法结合了显式算法无需迭代和隐式算法无条件稳定的各自优点,是结构抗震拟动力试验顺利运行的关键.在对传统显式中央差分法和隐式Newmark β组合算法进行参数修正的基础上,建立了修正CD-Newmark算法,考虑阻尼的影响分析了组合算法的稳定性条件、周期失真率和数值阻尼比,分别得到了试验子结构的稳定性条件和计算子结构无条件稳定的参数合理取值范围,并对计算精度进行了分析.通过算例分析验证了算法的数值特性,从而初步解决了CD-Newmark算法存在稳定性界限过严的问题,为结构抗震拟动力混合试验提供了研究参考.     

采用微机开发的拟动力实验

本文介绍了在哈尔滨建筑大学力学与结构实验中心采用微机开发的拟动力实验。将力学与结构实验中心原有的大型电液伺服结构实验系统与微机进行联机，从而实现了多自由度结构的拟动力实验。文中介绍的拟动力实验的试件为某电厂４０米高的筛碎贮仓１：６模型，只取出结构底层的榀，具有两具自由度，所以实难同应用了子结构方法，数值积分方法采用了ＰＣＭ－Ｎｅｗｍａｒｋ法。实验结果与分析结果吻合良好，说明拟动力实验系统的开发是成     

基于通用有限元软件的混合模拟试验两种实现方法与分析

根据混合模拟试验理论,将其基于通用有限元软件的实现方式归结为分离式及整体式。为了对比分析这两种实现方法,利用MATLAB编写数值积分算法及与OpenSees的数据接口程序,并应用其在局域网内的网络通讯功能,建立了混合模拟试验的数值仿真系统。通过对单自由度结构和多自由度结构的模拟试验进行的分析和验证,对比分析了两种实现方法的利弊,为后续实验室进行物理试验提供参考依据。     

基于钢筋混凝土足尺柱拟静力试验的离线模型更新混合试验方法

离线模型更新混合试验对构件拟静力数据进行恢复力模型参数识别,并更新数值子结构中相应构件的模型参数来提高混合试验精度,但该方法尚缺少真实试验的验证。本文基于课题组开展的足尺RC柱拟静力试验,取恢复力模型为集中塑性铰Ibarra-Medina-Krawinkler（IMK）模型,进行框架结构离线模型更新混合试验研究。结果表明,当物理子结构取为RC足尺柱时,离线模型更新混合试验能获得接近于真实试验情况下结构的地震响应,从而对该方法的有效性进行了试验验证。利用IMK经验公式,将真实试验模型参数识别值按轴压比进行对照修正,应用于不同层数的框架结构地震响应模拟,实现了试验数据的重复利用。     

高阶单步实时动力子结构试验技术研究

结构联机试验可分为两类：拟静力及拟动力试验技术,它们都需要建立一套显式的逐步积分算法。国内外学者在这方面已经进行了许多的研究,取得了很好的成果。随着振动控制技术在结构工程上的应用,一些速度相关型的装置开始用于被控系统,它给原有的实时子结构试验带来了新问题。如何建立更好的高精度、无条件稳定的实时动力子结构试验算法日趋重要。本文在前人早期高阶单步逐步积分算法研究成果的基础上,提出了一种新的高阶单步实时动力子结构试验算法。数值模拟分析表明,新算法不仅是显式的,而且具有高精度、无算法阻尼、无超越现象等算法特点,均比目前所见到的已有算法优越。如果能实现实时子结构试验,就能同时控制位移和速度,则应用本文算法必将取得更好的试验结果。     

基于卡尔曼滤波的振动台子结构试验方法研究

振动台子结构试验是一种有效的实时结构混合试验方法,持续受到国内外学者的关注。利用振动台和其它加载装置进行联合加载,从而提升和扩展振动台的加载能力,实现大比例甚至足尺结构试验的目的。基于主动质量驱动器(AMD)加载方法的振动台子结构试验中,在试验子结构和数值子结构完全拆分的情况下,无论采用位移PID还是三参量控制,在界面加速度输入情况下AMD系统在3～5 min后会产生失稳现象,通过调整控制增益、对加速度反馈信号进行滤波无法消除这种现象。在加速度传感器噪声的影响下,子结构试验系统无法保持长期稳定,通过数值仿真表明现有的时滞补偿算法也无法消除这种失稳现象。考虑这种情况,将卡尔曼滤波引入界面加速度的量测环节,通过整体结构模型求得的界面加速度对实测界面加速度进行修正,从而提升了振动台子结构试验的系统稳定性和试验精度。数值仿真结果表明,通过设置合理的卡尔曼滤波参数,可以抑制加速度传感器随机噪声对子结构试验精度的影响,系统时滞稳定性也得到显著改善。文中的研究结果为振动台子结构试验的成功实施提供了一种可行的解决方案。     

隔震桥梁子结构拟动力实验中加载速率的影响因素研究

本研究运用DSP高速数字信号处理器的实时信号处理与控制技术,研究了基于速度控制法、OS数值积分法和相应的实验误差控制法的子结构拟动力实验系统。该试验系统对动力加载装置采用速度控制,在加载过程中考虑了加载速率对实验结果的影响,使隔震橡胶支座的速度相关性能在试验中得到充分体现,同时采用OS数值积分法,充分地减少了试验的时滞误差,提高了试验精度。并通过不同加载速率的子结构拟动力实验研究了天然橡胶支座、高阻尼橡胶隔震支座和超高阻尼橡胶隔震支座对桥梁的隔震效果,在对实验结果进行分析对比后,定量地研究了不同的加载速率对隔震桥梁子结构拟动力实验结果的影响。     

基于Rosenbrock的耦合积分方法及其在实时子结构试验中的应用

作为一种集计算机模拟和物理试验于一体的新型混合试验方法,实时子结构试验在过去20年得到迅速发展.该试验方法的关键在于如何保证数值子结构和试验子结构的实时耦联.对于复杂结构来说,更需要高效的数值积分方法以确保每步计算在一个采样步长内完成.鉴于此,本文在Rosenbrock实时积分方法的基础上,提出了一种具有完全并行计算格式的耦合积分方法,并基于单自由度分离质量模型分析了该方法的收敛性;再通过对三自由度分离质量模型的数值模拟,验证了该方法的收敛性;最后,在多自由度试验平台上完成了两自由度结构的实时子结构试验.理论分析、数值模拟及实时子结构试验表明,该方法具有良好的稳定性和2阶精度,与直接积分方法相比更适用于复杂结构的实时子结构试验.     

振动台实时耦联动力试验系统构建解决方案

实时耦联动力试验(RTDHT)是一种将物理模型试验和数值求解计算实时耦联在一起进行整体结构动力反应分析的新型结构动力试验方法。构建实时耦联动力试验系统将面临数值子结构实时计算、数据实时传输、加载器精确加载等问题。本文首先以清华大学新近建成的一套基于振动台的实时耦联动力试验系统为例,对试验系统构建中面临的问题以及相应的解决方案进行了阐述,对构建实时耦联动力试验系统提出了一些指导性的建议。随后简要介绍了利用该系统已经进行的一些实时耦联动力试验,并对实时耦联动力试验可能的应用前景进行了探讨。     

等效力控制方法及其在混合试验中的应用

对于大型复杂结构的实时(拟动力)子结构试验,更适宜用无条件稳定的逐步积分方法。隐式逐步积分方法通常是无条件稳定的,然而需要复杂耗时的迭代求解非线性方法。为了避免迭代过程,等效力控制方法用反馈控制求解非线性方程,使隐式逐步积分方法在实时子结构试验中的应用成为可能。本文首先以平均加速度法为例介绍等效力控制方法的原理、关键参数的选取;然后介绍基于等效力控制的能量守恒子结构试验方法和隐式中点法;最后介绍这些方法在以防屈曲支撑阻尼器为试件的单自由度简化结构、以磁流变阻尼器为试件的海洋平台结构的实时子结构试验,以及装配式钢筋混凝土剪力墙结构和框支配筋砌块短肢剪力墙结构拟动力试验中的应用。研究结果表明:这三种等效力控制方法都具有很好的精度,等效力控制方法相对于中心差分法具有更好的稳定性。     

基于NEESgrid网络的子结构拟动力实验:Mini-MOST实验

美国国家科学基金(US National Sc ience Foundation,简称NSF)资助研制开发的地震工程模拟网络(Network for Earthquake Engineering S imu lation,简称NEES)包括15个分布在不同地点的设备站点,并使用NEESgrid网络相互连接。NEESgrid是一个先进的网络设施,它为地震工程研究,尤其是多地点的子结构拟动力实验(Mu lti-site Substructure Pseudo-dynam ic,缩写为MS-PSD)提供了丰富的工具。本文首先简单地介绍了NEES和NEESgrid,然后使用了一个小尺寸的模型实验(M in i-MOST)演示了利用NEESgrid进行MS-PSD实验的过程。实验原型为一个单层二跨的框架结构,实验将该结构划分为两个实验子结构和一个模拟子结构。实验中,这三个子模块使用一个基于M atlab仿真协调程序SIMCOR进行协调,实验的每一步,SIMCOR发送位移请求给各个子模块并接收各子模块恢复力反馈,同时使用a-OS方法计算结构反应以及下一步的位移。实验结果与分析结果吻合相当好,展示了NEESgrid在多地点远程拟动力实验方面的能力。     

考虑土-结构相互作用的振动台实时子结构试验仿真分析

本文基于状态空间方程进行了实时子结构试验的初步探索,提出了一种新的实时子结构试验方法。通过simulink仿真发现,这种方法能很好地再现整体分析的结构反应。最后,对考虑土-结构相互作用的振动台实时子结构试验进行了仿真分析。     

配筋砌体结构抗震能力的试验研究

根据砖砌体结构在地震作用下主要表现为剪切破坏的特点，采用子结构拟动力试验技术配筋砌体记房屋结构进行了抗震试验研究。可以改善砖砌体结构在极限荷载后的性能，提高结构的抗震能力。