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。     

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.     

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.     

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。     

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。     

SMA-压电半主动混合阻尼器减震控制分析

将形状记忆合金（Shape memory alloy,简称"SMA"）与压电摩擦阻尼器复合设计了一种半主动混合阻尼器,对SMA丝进行了材性试验,分析了循环圈数、加载速率和应变幅值对SMA丝力学性能的影响。基于试验数据,以速度方向和应变值作为神经元输入,建立了SMA的BP神经网络本构模型,并利用T-S模糊逻辑求解压电陶瓷驱动器输出电压,对1个2层的钢框架结构进行了无控、SMA被动控制和混合控制MATLAB仿真分析。结果表明:SMA的BP网络模型预测的应力误差大多集中在20 MPa以内,且误差较大点主要集中在加载的初始段和卸载的结束段等数值较小的点,BP神经网络能够较好地预测SMA丝的本构曲线。相比SMA被动控制,混合阻尼器可以更加有效地降低结构的动力反应。     

建筑抗震实时混合试验时滞补偿方法研究综述

时滞补偿是建筑抗震实时混合试验的重要问题。文章对时滞补偿方法的研究进行总结,将时滞补偿方法分为基于时间的位移预测时滞补偿方法、基于反馈力的位移预测时滞补偿方法、基于加载系统模型求逆的时滞补偿方法、基于控制理论的时滞补偿方法和基于集成理念的综合补偿方法。     

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。     

抗震拟动力试验技术研究

在全面论述拟动力试验技术的基础上，提出了大刚度多自由度钢筋混凝土结构和砌体结构的拟动力试验技术新方法，即以力控制方式为基础的力－位移混合控制方法，这种方法能实现大刚度多自由度钢筋混凝土结构和砌体结构的拟动力试验。     

FRP加固混凝土连续梁桥抗震混合试验研究

本文对某钢筋混凝土连续梁桥利用FRP布进行了塑性铰抗震加固,并通过不同地震作用下的整体结构抗震混合试验,研究了该桥梁结构利用FRP抗震加固的效果。试验主要利用子结构试验方法,将未加固和FRP加固后的桥墩作为试验单元,进行实际物理试验加载,而将其他部分作为计算单元在有限元软件Open Sees内建模,通过集成协调,实现整体结构的抗震试验。试验结果表明,使用FRP加固能够有效改善桥梁的抗震性能。     

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。     

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。     

位移保护下力-控制拟动力试验方法的原理

本文提出了大刚度多自由度钢筋混凝土结构和砌体结构的拟动力试验技术新方法，即以力控制方式为基础的力－位移混合控制方法。这种新方法能实现大刚度多自由度钢筋混凝土结构和砌体结构的拟动力试验。     

基于MTS内部命令控制的抗震拟动力试验方法

针对国内外土木工程结构实验室中广泛应用的MTS电液伺服加载系统,研究了一种基于内部命令控制的抗震拟动力试验方法。通过对MTS系统硬件配置和软件配置进行对比分析,阐述了基于内部命令控制的途径和特点,并同Net SLab平台进行对接并建立了试验系统,对悬臂钢柱进行了单自由度抗震试验,试验者性能曲线与控制中心结果吻合较好,证实了所建立的系统能够进行拟动力试验,上述试验证实了本文提出的内部命令控制方法的可行性和有效性,可为相关研究提供参考。     

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。     

考虑强余震的钢骨混凝土柱抗震性能试验研究

为了研究强余震对结构构件抗震性能的影响,设计了2个工字钢型钢混凝土柱,进行了10次循环加载和损伤后试件再次加载的低周往复加载静力试验。试验研究表明:随着循环加载次数的增加和试件的损伤,试件的滞回环面积、强度、刚度和等效黏滞阻尼系数等指标均呈现减小趋势,试验模拟的强余震作用导致试件的耗能能力和抗震性能出现劣化;在达到试件的承载能力极限状态前,第5次循环加载后各抗震性能指标曲线均趋向于稳定;超过试件承载能力极限状态后,循环加载次数的增加使试件的抗震性能指标出现不收敛。试验研究为揭示强余震对结构构件抗震性能的不利影响,完善抗震试验方法和抗震设计相关理论提供了数据支持。     

应力、应变控制下压实黄土动力特性研究

基于动三轴试验研究了不同围压条件下,加载控制方式对压实黄土动应力应变关系的影响规律,对比了不同控制方式下压实黄土的动应力应变时程曲线的差异。研究表明:压实黄土的动应力应变关系符合双曲线模型;加载控制方式不会改变压实黄土骨干曲线的类型,但会显著影响拟合参数的大小。相同围压下,采用应变控制测定的初始动模量较小;随着围压的增大,应变控制下初始动模量随围压的增长速率反而越小,二者之间的差距越来越大。应力控制和应变控制加载过程中,动模量在某一振级下随着动循环次数的增加而逐渐衰减,且应力控制方式下衰减的幅度较大。对于土体结构受力较为敏感的原状土,使用应变控制加载方式可能会获得更为准确的试验结果。     

中国结构控制的研究与应用

建筑结构传统的设计方法是依靠结构自身的能力耗散振动能量,近十几年来,减小建筑结构在强烈地震地面运动和风荷载作用下的损失,越来越引起科学家和工程师的关注。结构振动控制的研究和应用已经取得了可喜的成果,迄今为止,许多振动控制的方法已经成功地应用于实际工程中,本文的目的是回顾中国振动控制在土木工程结构中的研究和应用情况。其中包括：基础隔震和被动控制技术,主动控制,混合控制和半主动控制以及国家自然科学基金     

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。