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。     

自密实高性能混凝土框架结构抗震性能试验研究

本文分别用自密实混凝土和普通混凝土制作了两榀相同尺寸和配筋的单层单跨钢筋混凝土框架，采用MTS电液伺服加载系统进行低周反复荷载下的拟静力试验，研究自密实高性能混凝土框架结构的抗震性能。试验结果表明，自密实高性能混凝土框架的抗震性能符合规范要求，与普通混凝土框架相比相差不大。     

管线系统抗震性能研究方法综述

现代公共建筑非结构构件的投资比远远大于结构构件的建造成本比例,非结构构件在地震中的破坏会造成巨大经济损失。作为一种典型的非结构构件,管线系统的破坏往往导致建筑丧失给水、排水以及消防等多重使用功能。从拟静力试验、动力试验、振动台试验、数值模拟及易损性分析等角度对管线系统抗震性能研究方法进行了系统总结,介绍各类研究方法的应用实例及其利弊,并对管线系统抗震性能研究方法的发展方向进行了展望。     

采用新型灌浆材料的石墙抗震性能研究

基于石砌墙体的特点、对比研究和拟动力试验,提出新型材料在石墙抗震加固中的应用,经系列试验研究,提出相应的抗震抗剪强度理论,反映了工程情况,符合震害规律。     

石粉灌浆石砌体的抗震抗剪强度及其应用研究

基于灌浆石砌墙体的拟动力试验、工程实践和震害经验，经分析研究，首次提出灌浆石砌体的抗震抗剪强度及抗震加固验算方法。经对工程实例验算，验证了本研究的可靠性和实用性。     

基于位移设计的钢筋混凝土桥墩抗震性能试验研究(Ⅱ):振动台试验

通过模型振动台试验研究了基于位移设计的钢筋混凝土桥墩的抗震性能。以完成的拟静力试验中的桥墩试件为参考原型,利用基于位移抗震设计方法和现行桥梁抗震规范方法设计了4根1:2的钢筋混凝土桥墩试件并进行了模型振动台试验。对小震、中震和大震作用下桥墩试件的破坏形态、加速度和位移反应、位移延性系数和地震总输入能(耗能)等方面进行了比较分析。综合拟静力试验和振动台试验结果,可以认为基于位移设计的钢筋混凝土桥墩能够达到预期的延性抗震要求。     

钢混凝土管柱-钢桁架竖向混合结构抗震性能试验研究

工业建筑结构体系取决于生产工艺及使用要求,生产工艺的复杂性往往导致复杂的结构形式。为了满足工艺要求,形成了一类钢筋混凝土管柱-钢桁架竖向混合结构。为了研究其抗震性能,选取一实际结构,取1/4子结构,模拟边界条件,按1/8缩尺比制作模型。对模型进行动力特性测试,选择El Centro波(1940 NS)对模型进行拟动力试验,再进行拟静力试验,试验得到了该结构的动力特性参数及在地震作用下的动力反应。分析了结构自振频率及阻尼比变化,变形性能,滞回性能和破坏模式等;在试验基础上,给出了结构水平承载力的计算公式,为建立该类结构的抗震设计方法提供依据。     

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。     

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。     

钢筋混凝土带开孔梁框架抗震性能试验研究

本文通过两榀单层单跨带开孔梁框架的拟动力试验,对试件的破坏形态、动力反应、滞回曲线、耗能能力、刚度退化等抗震性能进行研究,最后对钢筋混凝土带开孔梁框架结构的抗震性能作出了评论。     

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.     

地下结构地震作用的简化分析方法研究

随着地下结构建设的飞速发展,地下结构工程师不仅面临众多的地下结构静力设计问题,同时也面临着抗震设计问题。目前,利用大型商业软件对地下结构的动力时程分析及模型试验研究已开展较多,但其研究成果还较难应用于实际的地下结构抗震设计之中。同时,我国抗震设计规范还处于研究、发展阶段。因此,建立一套便于工程应用的简化抗震设计方法是十分必要的。本文首先从地下结构拟静力解析解方面着手,采用弹性解析解的方法探讨了自由场变形与地下结构变形之间的相互关系;然后,采用数值模拟的方法,对自由场与地下结构的动力反应特性进行了系统研究,提出了地下结构简化设计方法的基本思路,在此基础上,基于子结构法分别对反应位移法、静力有限元法进行了理论推导及方法改进;最后,介绍了地下结构弹塑性分析方法,并对地下结构拟静力实验进行了数值模拟。本文主要研究工作及研究成果如下:(1)基于解析解的自由场与地下结构变形拟静力关系研究。基于平面弹性复变函数理论分别对圆形地下结构和矩形地下结构进行拟静力解析求解,明确了地下结构拟静力解析求解的基本方法。同时,对Wang、Penzien、Bobet、Park和Huo的方法进行了系统分析,并探讨了接触条件和泊松比对地下结构变形系数的影响。(2)自由场与土-地下结构散射场关系研究。采用数值模拟的方法,研究了在P波和S波作用下,含地下结构散射场及相应的自由场的动力反应,对比分析了地下结构顶板与底板相对位移及自由场相应位置处相对位移最大时刻对应的加速度、应力等动力特征及整个时程的最大值的特征规律。通过这些动力特征分析,找出自由场与土-地下结构散射场二者的动力特性之间的联系,并以此探讨了地下结构简化抗震设计方法的可行性及研究方法。(3)反应位移法理论推导及改进。基于子结构法对反应位移法的原理进行了理论推导,提出了地基弹簧系数的多种求解方法并对地震荷载(剪应力、土层位移差等效荷载以及惯性力)的求解方法进行改进,通过算例对改进的反应位移法与规范中的反应位移法和整体动力时程分析方法进行对比分析,验证了改进反应位移法的实用性。(4)静力有限元法理论推导及改进。基于子结构方法对静力有限元方法进行了理论推导,对现有的静力有限元方法(强制边界位移法、反应加速度法、反应应力法)进行了对比研究,提出了静力有限元计算模型,并验证了该方法的实用性。(5)地下结构弹塑性简化分析方法。采用地基刚度衰减的方法,对规范中反应位移法、改进反应位移法以及静力有限元法在土体弹塑性条件下的计算结果与动力时程方法进行对比,验证了这3种方法在土体弹塑性条件下的计算精度。同时,采用数值模拟的方法,模拟了地下结构拟静力条件下的弹塑性反应。     

基于位移设计的钢筋混凝土桥墩抗震性能试验研究(Ⅰ):拟静力试验

通过拟静力试验研究了基于位移设计钢筋混凝土桥墩的抗震性能。利用基于位移抗震设计方法和桥梁抗震规范方法设计了各2根和1根1：2．5比例钢筋混凝土桥墩试件,对低周反复荷载作用下试件试验破坏形态、承载力、位移延性、滞回耗能、刚度退化等方面进行了比较分析,可以认为基于位移设计的钢筋混凝土桥墩能够达到预期的延性抗震要求,并且在相对耗能能力（与理想弹塑性模型相比）、刚度退化性能方面与现行规范抗震设计方法设计的桥墩相当。试验表明建议的钢筋混凝土桥墩基于位移的抗震设计方法是实际可行的。     

基于位移设计的钢筋混凝土桥墩抗震性能试验研究(I):拟静力试验

通过拟静力试验研究了基于位移设计钢筋混凝土桥墩的抗震性能。利用基于位移抗震设计方法和桥梁抗震规范方法设计了各2根和1根1:2.5比例钢筋混凝土桥墩试件,对低周反复荷载作用下试件试验破坏形态、承载力、位移延性、滞回耗能、刚度退化等方面进行了比较分析,可以认为基于位移设计的钢筋混凝土桥墩能够达到预期的延性抗震要求,并且在相对耗能能力(与理想弹塑性模型相比)、刚度退化性能方面与现行规范抗震设计方法设计的桥墩相当。试验表明建议的钢筋混凝土桥墩基于位移的抗震设计方法是实际可行的。     

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。     

MTS控制系统的二次开发及其在混合试验中的应用

混合试验将物理实验与数值模拟相结合,大大降低了对加载系统的要求,可以完成大比例尺甚至足尺试验,且方便观察试件的地震响应过程,因此广受关注。为了推进混合试验方法的研究与应用,哈尔滨工业大学吴斌教授课题组正在开发一款混合试验平台,即HyTest。本文针对常用的MTS电液伺服系统,采用MTS提供的VB软件接口开发了HyTest试验平台与MTS控制系统的通信模块,具备发送命令、保存数据、坐标变换、网络通信等功能。完成了一例单层单跨6自由度平面钢框架结构混合试验,验证了该通信模块的有效性。重点介绍所使用的开发方法及其在混合试验中的应用,既方便同行使用HyTest,又可作为MTS系统二次开发的借鉴。     

大刚度结构力控制拟动力实验方法

由于受到拟动力实验加载系统和量测系统精度限制，对大刚度结构采用位移控制的拟动力实验方法已失效，本文提出了适用于大风度结构的力控制拟动力试验方法，阐述了方法的原理与步骤，并用实验实例验证了该方法是可行的和可靠的。     

基于CEL方法的ADS系统主容器抗震性能分析

ADS(Acceleration driven system)系统在没有传统巨大体量的核电结构保护的情况下,系统的主容器在地震作用下流体与结构相互耦合作用将对容器本身与结构产生的影响。基于CEL方法,考虑流体与结构耦合效应及其对于内部组件的影响,使用ABAQUS对主容器进行了地震作用下的有限元分析。分析得到了主容器内部流体的位移响应,得到了流体位移对于主容器安全性及其对结构产生动力放大效应的影响规律。通过分析结果得到该容器相关抗震性能,以及考虑其是否存在采取隔减震措施的需求。通过分析结果得到了该容器的动力放大系数,根据其抗震性能的分析建议对容器采取相关措施控制其动力放大效应。     

基于虚拟振动台的实时耦联动力仿真试验

实时耦联动力试验(RTDHT)是一种将物理模型试验与数值求解计算实时耦联在一起的新型结构动力试验方法.本文采用SIMULINK对液压伺服振动台系统进行了仿真,建立虚拟振动台模型对真实振动台进行离线调试.并提出基于虚拟振动台进行实时耦联动力仿真试验,从而对真实实时耦联动力试验进行指导的思想.仿真结果表明,虚拟振动台可以很好地仿真真实振动台的动力特性,离线调试结果应用于真实振动台能够得到优良的控制性能;基于虚拟振动台的实时耦联动力仿真试验能够反映真实实时耦联动力试验中存在的时滞以及由此而可能导致的系统失稳问题.采用预测补偿算法对时滞进行了补偿,结果表明补偿算法消除了时滞的影响,试验系统稳定且试验结果与数值计算结果吻合得较好.基于虚拟振动台对实时耦联动力试验进行研究,既能对真实试验提出指导又可避免试验系统失稳对设备的损害,是一种实用且必要的研究手段.