基于MTS加载系统及OpenFresco网络平台的远程协同子结构拟动力试验方法研究

西安建筑科技大学结构与抗震实验室和新疆大学结构实验室合作,以一个两层三跨钢框架结构为试验对象,进行了国内首例跨省远程协同子结构混合仿真拟动力试验。试验结果表明:OpenFresco网络平台通讯性能良好,数据远程传输消耗时间可忽略;通过两所大学实验室测得的力、位移、加速度等试验数据的对比分析,表明该试验系统具有良好的精确性及稳定性;通过OpenFresco网络平台,能够准确远程控制异地实验室的MTS试验系统进行协同工作,从而完成结构简单的子结构混合仿真拟动力试验,为下一步进行大型、复杂结构的子结构混合仿真拟动力试验提供了必要的理论和实践基础。     

基于多点位移控制的梁柱节点刚度对钢框架抗震性能的影响

利用ABAQUS有限元软件建立不同梁柱节点连接刚度的平面钢框架模型,采用SPRING2单元模拟梁柱连接,以不同弯矩—转角曲线作为节点约束条件,并通过添加位移约束方程实现多点位移控制加载。通过与两层两跨半刚性钢框架的实验结果进行模型验证,设定不同节点刚度影响系数α的值,建立一组不同节点刚度的六层两跨钢框架模型,对其进行了单向加载及循环加载,对比分析了承载力、侧向刚度、延性、耗能能力、刚度退化等特性。结果表明：当α介于1/15~1/20时钢框架承载力及侧向刚度较高,且具有良好的延性及耗能能力。可为实际工程中节点设计提供参考。     

高强钢组合K形偏心支撑钢框架震后修复试验研究

高强钢组合K形偏心支撑钢框架通过低屈服点耗能梁段的弹塑性变形耗散能量,结构破坏主要集中于此,可通过更换耗能梁段完成结构修复。为研究替换构件法修复这种结构的可行性和修复后结构的抗震性能,先对1榀单层单跨1/2缩尺的高强钢组合K形偏心支撑钢框架进行循环加载试验;将已加载破坏的试件进行更换耗能梁段修复,再对修复后的试件进行循环加载试验。试件破坏模式和主要抗震性能指标的分析结果表明:采用替换耗能梁段法修复这种结构是可行的,且修复工作量小,有利于尽快恢复正常;修复后的极限承载力与原试件相当,但延性系数略有降低;相同层间位移角下二者耗散能量差别不大,但修复后的耗能梁段转动能力不及原试件。     

近场加载制度下狗骨式钢框架子结构抗震性能的试验评估

为评估狗骨式钢框架子结构在近场加载制度下真实的抗震性能,改变钢梁翼缘和腹板的板件宽厚比设计了2榀单跨狗骨式钢框架子结构试件。通过对狗骨式钢框架子结构试件按Krawinkler提出的用于模拟近场带速度脉冲的加载制度进行拟静力试验,重点评估了狗骨式钢框架子结构的破坏形态、变形能力及累积耗能能力等性能。试验结果表明:试件钢梁端部焊缝未出现脆性断裂,狗骨式钢框架子结构均可通过近场加载的抗震性能检验。两个试件的钢梁翼缘削弱部位均在近场加载制度阶段出现延性塑性铰,并形成了理想的塑性屈服机构。具有较小板件宽厚比的试件Frame-1在延性系数、累积延性比、累积滞回耗能及等效能量耗散系数等方面均大于板件宽厚比较大的试件Frame-2。     

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。     

基于AUKF的框架结构离线模型更新混合试验方法

模型更新混合试验在传统混合试验方法的基础上更新与试验构件具有相同恢复力特性的构件,扩展了混合试验方法的应用范围。本文旨在提高模型更新混合试验的精度,降低试验的成本并简化模型更新混合试验方法的流程。自适应UKF(AUKF)算法在传统UKF的基础上加入方差自适应模块,能够减轻初始参数设定对参数识别结果的影响,本文基于AUKF提出一种模型更新混合试验方法。对以Bouc-Wen为恢复力模型的防屈曲约束支撑(BRB)进行低周反复加载虚拟试验,通过Matlab编制AUKF算法程序进行参数识别,验证了AUKF算法的高效准确性。对一榀8层4跨带BRB的钢框架进行混合试验数值仿真,结果表明离线模型更新试验结果较在线模型更新更接近真实结果,且简化了试验流程。     

低周往复荷载作用下自复位钢框架抗震性能研究

建立了1榀2跨3层以角钢为耗能元件的自复位钢框架结构有限元分析模型,详细介绍了模型的模拟与分析方法。钢绞线的预应力采用等效降温法施加,通过钢绞线提供的回复力可使结构在震后具有自复位能力。在加载过程中,为确保结构的自复位能力,预应力钢绞线要保持弹性。对结构模型施加由位移控制的往复荷载,并通过改变结构的初始预应力值及钢绞线的数量分析参数的改变对结构自复位性能及耗能能力的影响。分析结果表明:与传统钢框架相比,自复位钢框架的震后残余位移明显减小;在4%的层间位移角下,自复位钢框架梁柱及钢绞线均保持弹性状态,结构通过角钢的塑性耗散能量,震后框架具有自复位能力。     

采用消能连梁的高层结构整体分析与试验研究

消能连梁采用阻尼器耗能,保护混凝土主体结构,是近年来发展出来的一种有效的高层结构消能减震体系。本文针对带消能连梁的框架剪力墙结构体系进行整体有限元分析,研究了具有不同层数的框架剪力墙结构地震响应,分析消能连梁的能量耗散情况和对整体结构动力响应的控制效果,研究表明消能连梁能够分别降低首层墙肢和框架的能量耗散的65.5%和39.0%,同时可降低结构35.4%~42.0%的层间位移角和41.0%~44.4%的基底剪力。随后对某一18层高层建筑进行了子结构混合试验研究,试验体底部为6层联肢墙,采用1/3缩尺,其余结构分为上部剪力墙数值子结构和框架数值子结构,分别采用ABAQUS软件进行分析,三者协同工作,共同完成大震响应模拟。子结构混合试验结果表明,消能连梁可有效降低结构的整体响应,层间位移角降低16%、基底剪力降低21%。同时可控制连梁损伤,提高结构耗能能力。     

拟静力试验中摩擦力的影响及去除方法

土木工程拟静力试验中经常会使用到加载与反力装置,当作动器施加荷载时,作动器与反力装置之间会产生摩擦力。摩擦力会对试验结果产生影响,特别是对拟动力和混合试验需要位移在线更新的试验影响更大。然而,关于摩擦力对抗震试验影响的研究鲜有报道且去除摩擦力的方法较少。为此,本文通过理论分析研究了摩擦力对抗震试验各参数的影响,并发展了从测量数据中去除摩擦力的方法,减小摩擦力对拟静力试验的影响。     

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.     

T型钢连接整体钢框架的抗震性能研究

T型钢连接具有造价低、安装方便等优点,是刚度最大的半刚性连接之一。为了研究T型钢连接整体钢框架的抗震性能,进行了一个两层单跨单开间钢框架模型的拟动力试验,研究了T型钢连接钢框架在El Centro波和宁河天津波作用下节点区域的应变变化、层间位移反应和荷载反馈,分析了钢框架在弹性范围内的变形能力、承载力和抗震能力。试验结果表明,T型钢连接钢框架在弹性范围内具有较好的变形能力、承载能力及良好的抗震性能。研究结论可供工程应用参考。     

直接基于位移设计的高强钢组合K形偏心支撑钢框架的抗震性能研究

K形高强钢组合偏心支撑(K-HSS-EBF)是指耗能连梁和支撑采用Q345钢,而框架梁、框架柱采用高强度钢(如Q460)。为研究其在罕遇地震作用下的抗震性能,在试验研究的基础上,采用直接基于位移的抗震设计方法设计了5层、8层和12层算例,分别进行静力推覆分析和动力弹塑性分析,研究高强钢组合偏心支撑钢框架在罕遇地震作用下层间侧移分布和破坏模式。研究结果表明:直接基于位移的抗震设计方法设计的算例在罕遇地震作用下,结构的层间侧移满足我国现行抗震规范的要求,结构呈理想的渐进式梁铰屈服机构,并证明该设计方法的合理性和可靠性。     

不同跨高比对多层钢框架内填混凝土深梁结构抗震性能影响

为了研究不同跨高比多层钢框架内填混凝土深梁结构的抗震性能,在钢框架内填混凝土深梁滞回性能试验的基础上,利用ABAQUS对六层纯钢框架（结构一）、钢框架内填跨高比为2混凝土深梁结构（结构二）和钢框架内填跨高比为0.75混凝土深梁结构（结构三）进行弹塑性时程分析。结果表明:内填混凝土深梁使结构整体刚度明显增大;在地震波的作用下,结构二的最大顶点位移降低可达58.3%,结构三的最大顶点位移降低可达89.3%,内填混凝土深梁,结构的抗侧移性能得到了极大改善,且随着深梁跨高比的减小而大幅度提升;结构二滞回曲线饱满,呈现纺锤形,混凝土深梁充分起到了第一道防线作用。经济合理的钢框架内填混凝土深梁结构具有一定的工程应用价值。     

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.     

平扭耦联隔震体系隔震支座阻尼分布影响分析

为了研究铅芯橡胶隔震支座的阻尼分布对平扭耦联隔震体系隔震效果的影响,本文对一个三层两跨钢框架,通过调整上部结构负重块位置及下部铅芯橡胶隔震支座的分布位置,进行不同偏心工况下平扭耦联隔震体系地震模拟振动台试验,获得了不同偏心工况、不同阻尼分布情况下结构位移和加速度的时程曲线。试验和分析表明:隔震层阻尼中心与上部结构的质心位置接近,或者增大隔震层的阻尼半径,可显著地降低上部结构的扭转反应。     

弹塑性位移谱法的振动台模型试验验证

弹塑性位移谱法求解结构在指定强度地面运动作用下的位移需求是一种简便合理的方法。本文将弹塑性位移谱法就具体地震波计算的楼层位移需求、层间位移角需求与一比例为1／10的12层钢筋混凝土模型框架振动台试验结果作了比较。设计的12层钢筋混凝土模型框架结构在振动台上经历了7种强度等级地震波的作用,输入峰值加速度依次为：0．090g、0．258g、0．388g、0．517g、0．646g、0．775g和0．904g。求出了弹塑性位移谱法计算的楼层位移和层问位移角需求与振动台试验结果的比值,研究了二者比值的均值及方差沿楼层的分布情况。结果表明：弹塑性位移谱法的计算结果与振动台得到的位移需求值吻合较好,在基于性能的抗震设计中具有较好的应用前景。     

砌体填充钢筋砼框架的拟动力试验

对一榀1／2比例的2层、2跨砌体填充钢筋砼框架试件通过拟动力试验进行了抗震评价。二楼填充墙设有窗孔。基于塔夫特（Taft)地面运动，试件经受了逐渐增大震级的4次试验。通过小步长，软连接荷载体系和迭代作动器控制算法进行的显式数值积分，限制了正常情况下与刚性结构拟动力试验有关的位移误差，最后一轮在上层产生了斜裂缝，而较严重的节点剪切开裂发生在底层，揭示了观测裂缝与楼层层间剪力反应的关系。通过框架轴力、弯矩与填充墙应变的实测值确定了压杆的力学机制，从几个简单压杆模型得到的层刚度估计值是底层和2层墙体严重破坏前试验量值的上限，基于摩擦的墙板抗剪强度的估计值低估了实测强度，且对假定摩擦系数很敏感，忽略填充墙和框架相互作用来估计抗剪强度的现行方法，显著低估了实测剪切强度值。     

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。     

梁端楔形翼缘连接钢框架抗震性能和抗震设计研究

根据两跨两层梁端楔形翼缘连接钢框架试件的低周反复加载试验,研究了梁端楔形翼缘连接钢框架结构在地震作用下的滞回性能、耗能机制、耗能能力和破坏形态。结果显示,试件破坏模式为延性,塑性铰出现在梁翼缘变化处,远离梁柱交界,梁端楔形翼缘连接钢框架具有良好的抗震性能。针对梁端楔形翼缘连接钢框架的特点,提出了强柱弱梁、强节点弱杆件和节点域抗震设计要求。     

钢结构抗侧力体系抗震性能对比

常见的钢结构抗侧力体系包括抗弯钢框架、偏心支撑钢框架和钢板剪力墙结构,它们的耗能构件分别为框架梁、耗能梁段以及内填钢板。现行规范采用基于强度的设计方法,不能保证结构的整体破坏模式,无法对各抗侧力体系进行横向比较。采用近年来的性态设计方法,设计了3组10层抗弯框架、偏心支撑钢框架和钢板剪力墙模型,进行了静力弹塑性分析和动力弹塑性分析,对比了各抗侧力体系的承载能力、抗侧刚度、延性、层间侧移分布、破坏模式以及用钢量。对比结果表明:抗弯钢框架承载力和刚度最小,偏心支撑钢框架的延性最好,钢板剪力墙虽然承载力最高,但是延性却是最低。