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.     

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。     

Q235剪切型耗能梁段超强系数的建议

含可更换剪切型耗能梁段钢框筒是一种耗能性能良好的结构,利用位于部分裙梁跨中的耗能梁段集中塑性变形,有利于震后损坏耗能梁段的快速替换和结构功能的快速恢复。在整体结构的设计和性能分析中,Q235耗能梁段的超强系数和剪切铰模型至关重要。利用SAP2000软件设计了一个30层原型结构,通过试验验证了有限元建模方法的正确性,比较了两种子结构的性能,基于简化的子结构考察了柱轴压比、耗能梁段长度比的影响,以及Q235剪切型耗能梁段的屈服和抗拉强度不同组合下的超强系数,对耗能梁段的剪切铰参数进行了建议。研究表明:随着子结构柱轴压比的增大,子结构的水平力逐渐减小,但耗能梁段的滞回性能基本不变;建议用于钢框筒中的剪切型耗能梁段的长度介于1/8～1/4柱中心线距离,且耗能梁段的长度比建议采用0.79～1.30;长度比为0.79, 0.96, 1.13, 1.30和1.46的Q235耗能梁段的平均超强系数分别为1.62, 1.58, 1.57, 1.52和1.47,钢材的抗拉强度对耗能梁段的超强系数影响较小;用于剪切型耗能梁段端部连接设计的剪力可取1.3倍的预期受剪承载力。     

一种显隐式积分方法及其应用

在实际工程结构动力反应分析中,往往由于结构型式十分复杂,常用的两种直接积分方法,即显式积分方法和隐式积分方法,在使用中都存在着一定的局限性,如何将这两种积分方法合理有效地结合起来,是一个十分有意义的研究课题。针对实际工程问题中整体结构计算时间步长的选择往往受局部区域的材料特性、尺寸大小等因素影响的这一现象,提出了一种对结构局部区域进行隐式积分、对其余区域进行显式积分的显隐式积分方法,这种积分格式相对于显式积分格式而言,能显著提高整体结构的计算速度。最后采用两个数值计算实例对这一方法进行验证。     

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。     

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...     

多高层钢结构耐火性能的子结构分析模型与分析方法

基于整体钢结构在局部火灾下的反应规律,将高层钢结构的初始倒塌破坏类型进行了分类(中间柱初始倒塌、边柱初始倒塌以及梁柱同时倒塌),根据整体结构约束影响和荷载影响,提出局部火灾下多高层钢结构耐火性能分析的相应子结构分析模型及其分析方法。子结构模型的边界充分考虑周围约束的影响,尤其是周围梁和上层柱构件以及层数的影响。针对不同类型的子结构模型,通过建立相应的具体子结构有限元模型,合理考虑边界条件的影响。最后基于建立的数值模型,研究了子结构的火灾反应规律与破坏机理,并与整体结构的分析结果进行了比较,结果表明:子结构分析模型与分析方法可以合理准确地分析整体结构的耐火性能。     

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。     

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。     

钢结构高温响应影响因素的研究

根据考虑几何和材料非线性及温度沿杆件截面高度线性分布等因素对钢结构常温和高温响应影响的基本方程,用自行编制的计算程序对单层双跨钢框架进行结构非线性温度响应研究,分析了弯曲应变、屈强比、梁柱刚度比、初始弹性模量等因素对结构响应的影响,并研究了温度步长、保护层厚度对结构耐火时间的影响。由计算结果发现,弯曲应变、初始弹性模量、梁柱线刚度比对梁跨中挠度及边柱柱顶水平位移影响较大,而对柱顶竖向位移影响不明显;当结构有防火保护层时,时间步长对结构耐火时间的影响不大,而保护层厚度对结构耐火时间的影响较明显。     

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。     

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。     

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。     

振动台子结构试验方法实现的韧性防灾需求与其关键问题

振动台子结构试验可解决振动台试验中缩尺比例过小、结构构造措施难以准确模拟、非结构构件动力响应难以研究等问题。基于振动台子结构试验应用于结构韧性防灾中存在的潜在需求,探讨了振动台子结构试验原理及其实现的关键技术问题。研究结果表明:振动台子结构试验以数值仿真与物理试验相结合的方式间接增加振动台试验能力,具有增大物理试验尺寸、减小尺寸效应影响的优点。但是在数值子结构计算效率、试验系统稳定性分析、物理加载精度、数值子结构建模精度和边界条件模型等方面还需要进一步开展系统的研究。     

考虑地震动持时的液化场地-桩基振动台试验设计

振动台试验中地震动输入是一个关键因素,地震动持时压缩是1-G振动台试验设计中的重要环节,地震动持时压缩后,地震动特性发生改变,对地基-结构体系动力响应产生显著影响。为了研究振动台试验中地震动输入特性,特别是地震动持时压缩对可液化场地-结构体系地震非线性动力响应的影响,本论文较系统地阐述了振动台试验的整体设计思路,其中重点阐述了相似比设计思路及持时压缩方法、模型地基及结构制备、叠层剪切型模型箱性能、传感器布设及新型传感技术、持时压缩后地震动特性的变化、数据处理方法。成套方案设计思路为振动台试验提供了完备、科学的方法。     

土-结构动力相互作用对基础隔震的影响

本文研究土-结构动力相互作用对基础隔震的影响。文中根据间接边界元方法，推导了空间域中的格林函数公式，并建立了地基土的动力刚度矩阵；进而在频域内采用子结构法，建立了考虑土-结构动力相互作用的隔震结构的运动方程；通过数值仿真某具有埋置刚性基础的剪切型基础隔震结构的地震反应，分析了地基土的刚度对隔震效果以及结构地震反应的影响，得到了一些有意义的结论。     

简支界面模态综合法

本文提出了一个新的模态综合法—简支界面模态综合法。该法的基本思想是将了结构的公共界面取为简支,计算简支界面子结构的主模态、约束模态,对子结构进行模态坐标变换,得到模态坐标下的子结构运动方程,再根据子结构间的位移协调条件进行综合,得到减缩了自由度的系统运动方程。由于在系统运动方程中,仅保留简支条件约束的界面自由度,对应于不受简支条件约束的界面自由度被消去,这样与固定界面法相比提高了系统的综合效率。本文以薄板弯曲问题为例,对简支界面模态综合法进行了考证,验证了该方法的可靠性和优越性。     

应用人工神经网络技术的大型斜拉桥子结构损伤识别研究

本文应用人工神经网络技术对大型斜拉桥结构进行了子结构损伤识别研究。文中首先介绍了子结构损伤识别的基本方法，然后应用自组织竞争神经网络建立了对于大型桥梁结构识别子结构损伤情况的子结构损伤识别方法，并且应用BP网络进一步建立了大型桥梁结构各子结构内部的损伤位置和损伤程度的识别方法，数值模拟了一大跨度斜拉桥子结构损伤以及子结构内部损伤的识别过程，最后得出结论：(1)基于自组织竞争网络的子结构损伤识别方法能迅速准确地识别大型结构的损伤情况；(2)基于BP网络所建立的结构损伤识别方法，能对子结构中结构损伤的位置和程度进行进一步的识别；(3)基于人工神经网络技术的结构损伤识别方法是大型土木工程结构损伤识别的有效方法，可在工程结构损伤识别中广泛应用。     

基于复频响应传递函数的巨型框架隔震悬挂结构参数分析

本文针对巨型框架单段隔震悬挂结构采用静力凝聚方法建立了两质点简化计算模型,基于所建立的参数化特征值方程分析了悬挂子结构与主结构间的质量比和频率比对结构体系自振频率的影响。通过相对坐标系下运动方程的拉普拉斯变换建立了结构体系相对位移复频响应传递函数,采用数值计算方法分析了悬挂子结构与主结构间质量比、频率比和悬挂子结构阻尼比对相对位移反应的影响。分析结果表明:频率比较小时,结构体系的一阶频率与悬挂子结构自振频率相当;具有较大质量比或频率比的巨型框架隔震悬挂结构可简化为单质点计算模型;高频区域的减震效果相比低频区域的更加突出;以巨型框架较小相对位移反应为控制目标时,质量比与频率比存在最佳取值范围;增加悬挂子结构阻尼比有利于提高结构体系的减震效果。