等效力控制方法在拟动力试验中的应用

为了避免用复杂的迭代求解拟动力试验隐式逐步积分方法的非线性运动方程,作者提出了一种用反馈控制求解的方法—等效力控制方法。这篇文章首先介绍等效力控制方法的原理;然后通过数值模拟和试验验证此方法的有效性。数值模拟和试验的结果都表明,当选用合理的等效力控制器参数时,此方法可以取得非常好的稳定性和精度。数值模拟的结果还表明尽管等效力控制方法是以力作为反馈控制的对象,此方法能有效完成对具有负刚度试件的加载。     

实时子结构实验Chang算法的稳定性和精度

与慢速拟动力子结构实验相比,实时子结构实验的优点在于它能真实地反映速度相关型试件的特性。实时子结构实验的逐步积分算法通常借用拟动力算法,但是目前液压伺服作动器很难实现速度反馈控制,因而试件速度不能实现原算法的假定值,这样一来算法的稳定性和计算精度将发生改变。台湾学者S.Y.Chang提出一种无条件稳定的显式拟动力算法,本文分析了这种方法应用于实时子结构实验时的稳定性和计算精度。研究发现在实时子结构实验中该方法由无条件稳定变成了有条件稳定的,精度也发生了改变。     

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。     

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.     

结合动量方程及显式γ函数法的拟动力试验方法

研究了一种适合实时或快速拟动力试验的数值积分方法--动量方程方法,阐述了动量方程方法的原理,结合显式γ函数法求解隐式方程,得到了拟动力试验实用的显式位移表达式.选用合适的参数,对一根悬臂钢柱进行了拟动力试验.试验结果与中心差分法得到的试验结果吻合较好,从而验证了积分方法的可行性和有效性,可以作为速度相关型结构或构件拟动力试验的数值积分方法.     

隐式时间积分方法的拟动力实验

本文介绍了采用隐式时间积分方法实现的拟动力实验。目前拟动力实验中所用的时间积分方法是显式条件稳定的，所以时间步Δｔ的选择受到试件刚度和自由度的限制，对于刚度大自由度很多的试件需采用很小的Δｔ，而Δｔ太小将造成实验累积误差增大，实验结果失真。隐式时间积分方法是无条条件稳定的Δｔ的选择不受试件特性的限制，可以比显式算法的稳定极限大很多，从而拓宽了拟动力的应用范围。     

高阶单步力控制拟动力试验方法研究

本文采用高阶单步力控制试验方法,提出了减少试验误差的若干处理技术,进行了三层底部框支配筋砌块短肢砌体剪力墙足尺结构的拟动力试验,实现了大刚度多自由度复杂结构拟动力试验。试验结果表明,足尺拟动力试验可以很好地反映结构在真实地震作用下的反应,而采用力控制试验方法在结构恢复力特性进入下降段之前是可行的。     

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...     

实时子结构实验的研究与应用

最近出现的结构控制装置,其中很多被动控制装置的性能都与速度有关,甚至有的还与加速度有关;采用反馈控制的主动、半主动控制装置,其控制力更是与时间相关,因此无法采用伪动力实验测试这些控制装置的性能或减振效果.实时子结构实验对试件进行实时加载,可以准确反映速度相关型试件的性能.由于试件性能的速度相关性和实验加载的实时性,使得实时子结构实验在逐步积分算法、实验系统累积误差、实验系统的加载控制等方面比伪动力实验更加复杂,另外还会出现系统时间滞后和加载系统与试件相互作用等新问题.根据实时子结构实验研究的关键科学问题介绍其研究进展及其应用,并指出有待进一步研究的问题.     

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.     

TLD振动台子结构试验的数值仿真分析

本文采用振动台子结构试验数值仿真验证了圆柱形调谐液体阻尼器(CTLD)控制建筑结构地震响应的性能。振动台子结构试验将结构模型作为数值子结构在计算机中计算,将CTLD作为试验子结构进行物理试验。在CTLD和振动台之间安装剪切力检测装置,将测得的剪切力和地震波输入到数值子结构中,采用实时子结构中心差分法进行数值子结构运动方程的求解,计算得到了结构顶层的绝对加速度。再将加速度由振动台实时加载到试验子结构上,实现了结构和CTLD的相互作用。对一个单自由度结构有CTLD控制和无CTLD控制时的加速度响应进行了精确数值求解,结果验证了CTLD能够有效地控制结构在地震作用下的加速度响应。用振动台子结构试验对CTLD与结构耦合系统进行仿真,得到的加速度响应与精确数值求解的结果吻合较好,验证了这种方法能够准确地评估CTLD的减振性能。     

采用位移外环控制的拟动力试验方法及验证

拟动力试验是一种重要的结构抗震试验方法。在该类试验中,试件出力大,连接件和支座往往产生滑移与弹性变形,导致试件实际位移与期望位移存在较大偏差,降低试验数据的精度和可靠性。位移外环控制,是在作动器控制回路之外直接以试件位移为控制变量的控制回路,是解决该问题的有效方法。本文阐述了PI(即比例-积分)位移外环控制的原理,分析了在非实时平台实现该控制的延迟不确定问题,详细介绍了在混合试验平台软件Hy Test中的实现架构。采用混合试验平台软件Hy Test及该外环控制方法,完成了阶跃命令试验、单自由度结构拟动力试验和6自由度结构拟动力试验模拟,研究表明该方法稳定可靠,能大幅提高位移控制精度。     

基于等效力控制方法TLD减振结构振动台子结构试验

通常采用数值模拟和小比例尺试验的方法研究调谐液体阻尼器(TLD)对结构的减振控制效果。由于TLD依靠水的晃动来提供减振力,精确的数值模型不易建立;另外,振动台模型试验又只能进行小比例尺试验,难以真实反映原型结构性能。为了解决这个问题,提出基于等效力控制方法的振动台子结构试验方法,以真实揭示TLD减振控制结构的抗震性能。通过试验研究得到如下结论:(1)惯性试件的振动台子结构试验结果与精确解吻合很好,表明基于等效力控制方法振动台子结构试验具有很好的精度;(2)TLD减振控制三层钢框架系统的振动台全结构和子结构试验结果吻合较好,进一步证明了基于等效力控制方法振动台子结构试验具有很好的精度。     

组合连梁RC框剪结构地震损伤控制研究

框架-剪力墙结构作为多层及高层结构普遍采用的建筑结构形式之一,是抗震设计与加固的重点与热点。组合连梁技术为降低墙肢损伤,震后快速恢复结构功能,降低社会灾后重建的成本提供了新的思路。但目前对组合连梁框架-剪力墙结构体系的研究仍不充分,组合连梁对于整体结构的控制效果仍有待确认。本文通过子结构试验与数值分析的方法,系统地研究了组合连梁的力学性能,给出了合理的组合连梁设计参数,并提出了基于连续化方法的带组合连梁的剪力墙结构的抗震分析方法。本文的主要工作及成果如下:(1)带缝钢板阻尼器力学性能试验研究。通过带缝钢板阻尼器低周拟静力循环加载试验研究,研究了开缝宽度和工艺、连接构造措施、弯曲单元跨高比等关键因素对带缝钢板阻尼器力学性能的影响,同时研究了带缝钢板阻尼器的延性、超强系数及低周疲劳性能。并通过精细化有限元分析对缝宽为2mm的阻尼器试验进行了模拟,讨论了损伤模型及损伤参数的取值,并为试验结果补充了分析参数。通过Bouc-Wen宏观模型,对缝宽为6mm的阻尼器试验进行了模拟,通过回归分析,建立了Bouc-Wen形状控制参数与阻尼器力学性能控制参数之间的关系。(2)传统连梁与带缝钢板阻尼器组合连梁对比试验研究。通过一组传统连梁与组合连梁的对比试验研究,验证了组合连梁在连梁和墙肢的损伤控制、相同位移角下的耗能能力,变形能力等方面的优势,同时研究了超强系数对组合连梁的影响。(3)大比例传统剪力墙和组合连梁剪力墙子结构试验研究。根据某18层原型结构,制作了1/3缩比的6层传统连梁剪力墙和组合连梁剪力墙试验体,进行了子结构拟动力试验及低周拟静力循环加载试验研究,研究了组合连梁剪力墙结构的力学性能及损伤破坏模式,证明了组合连梁墙片在结构层间位移角、地震力输入方面的控制效果,同时测量了组合连梁的变形需求。(4)组合连梁框剪结构参数分析。在验证模型正确的基础上,应用有限元软件Marc对消能墙片进行了参数分析,研究了在10层、20层、30层3种不同高度下,组合连梁的跨高比、刚度参数及强度参数对于整体框架-剪力墙结构的地震响应的控制作用,分析了结构的层间位移角、楼层剪力分布、结构沿楼层的耗能分布等结构响应随参数的变化关系,并给出了组合连梁设计参数的合理范围。(5)基于等效弹性连续化方法的组合连梁剪力墙结构的抗震分析方法。基于传统双肢剪力墙的连续化方法,考虑了组合连梁以及墙肢的塑性能力,通过计算组合连梁剪力墙的周期与振型、组合连梁的附加阻尼比,并结合MPA方法,提出了基于等效弹性连续化方法的组合连梁剪力墙抗震分析方法,为阻尼器参数及优化分析奠定了基础。     

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。     

广义Biot固结方程隐-隐式解法的推广及应用

无条件稳定的隐－隐式交叉迭代法是求解u-p形式的广义Biot理论有限元列式的一种高效数值方法，在此基础上提出了能够考虑孔隙流体加速度的新解法，扩展了隐－隐式解法的适用范围。将广义Biot理论两种u-p形式的有限元列式作了统一表达，进而采用逐步积分法求解时域内的动力迭代方程。静力Biot理论描述的边值问题可视为其特例。通过波浪作用下弹性海床的动力反应分析，验证了所发展的数值解法的有效性。计算结果表明，土骨架和孔隙流体的加速度对海床动力反应的影响很小。     

使用Chang算法的剪切型子结构振动台试验方法及数值模拟

提出了使用无条件稳定显式Chang积分算法的剪切型子结构振动台试验方法,包括子结构定义及试验流程。进行某12层剪切型结构的整体结构及子结构方法的时程分析,整体结构分析结果作为子结构方法分析结果的参照。对于无时滞的情形,采用两种误差指标来量化子结构方法结果的准确性,研究了积分时间步长及时程分析类型对结果的影响。最后,考虑时滞对子结构方法结果的影响。结果表明:当系统不存在时滞时,即便在较大的积分时间步长的情况下,子结构方法的分析结果依然可以较好地吻合整体结构的分析结果;当系统存在时滞时,时滞对子结构方法结果的准确性产生不利的影响。     

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。     

含分数阶阻尼器结构地震响应的直接数值求解

分数阶导数模型可以全面地反映粘弹性阻尼器的力学性能和变化机制,但其中的Riemann-Liouville积分复杂,给减震结构的动力响应求解带来一定的困难.传统分析方法仅考虑结构基频的影响,通过等效刚度和等效阻尼简化结构响应计算,计算结果精度有限.针对含分数阶导数粘弹性阻尼器的减震结构,通过引入Caputo分数阶导数及相...     

动力反应分析的显式积分方法及其稳定性

Newm ark-更新精细积分法是动力方程求解的隐式的时域逐步积分法,其稳定性条件非常容易满足。与隐式方法相比较,显式积分方法不需要求解耦联的方程组,可以有效地减少内存占用和机时耗费。因此,根据显式积分方法的特点和优点,基于Newm ark-更新精细积分法的基本思想,提出其显式积分格式。对显式积分方法的精度与稳定性进行了初步的分析,指出该显式积分方法具有极好的稳定性,其精度比隐式积分方法的精度稍低。随着时间步长的增加,其精度优于传统的方法。