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。     

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。     

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。     

采用多种有限元子结构的混合试验系统

采用子结构混合实验方法进行复杂结构的地震响应模拟。在混合实验中,根据结构的特征划分为多个子结构,每个子结构被封装起来,只有边界上的力和位移作为子结构间相互作用的变量,利用拟牛顿法保持整体结构的平衡和协调。目标结构为SRC框架剪力墙结构体系,结构顶部设置11层高的钢塔。在混合实验中,该结构被分为3个子结构,SRC部分为第一个子结构,采用OpenSees进行模拟;钢塔的第1层比较薄弱,是变形集中区域,采用实验进行模拟;钢塔其余部分采用ABAQUS有限元程序进行模拟。实验得到准确的地震响应,表明本文提出的混合实验方法可有效地结合多个有限元程序,充分利用各个有限元程序的优点进行复杂结构的地震响应模拟。     

磁流变阻尼器的半主动控制及实时混合模拟试验研究

磁流变阻尼器作为一种比较典型的半主动控制元件,具有构造简单、响应速度快、耐久性好、阻尼力大且连续可调等优点。即使地震中能源中断,磁流变阻尼器仍可以作为被动耗能装置继续工作发挥作用,可靠性高。设计合理有效的磁流变阻尼器半主动控制方法,对于整体结构的减震效果尤其重要。提出一种改进的磁流变阻尼器的半主动控制策略-改进的Bang-Bang控制策略,对装有磁流变阻尼器的减震控制3层框架结构进行了一系列的实时混合模拟试验,对多种半主动控制方法下的振动控制效果进行试验分析。试验结果表明:磁流变阻尼器对框架结构的减震效果显著,并验证了提出的磁流变阻尼器半主动控制策略的有效性。     

大空间地下结构地震响应混合试验研究

基于OpenSees-OpenFresco-MTS混合试验系统,选取关键构件底层中柱,进行大空间地下结构地震响应混合试验研究。在混合试验过程中,取结构底层中柱为试验子结构,取结构剩余部分与土体为数值子结构。为了满足试验要求,开发了一种专用于混合试验的可变刚度钢构件。通过更换柱脚螺杆改变试验装置侧向刚度。在混合试验前,根据数值模型中对应单元侧向刚度确定钢构件侧向刚度;根据幅值比和相位差等频域指标评价混合试验结果。试验结果显示:在上海人工波工况、El Centro波工况和Kobe波工况中,理论结果与试验结果匹配良好。在以大空间地下结构地震响应为研究对象时,基于OpenSees-OpenFresco-MTS的混合试验系统具有良好的稳定性与精确性。     

基于钢筋混凝土足尺柱拟静力试验的离线模型更新混合试验方法

离线模型更新混合试验对构件拟静力数据进行恢复力模型参数识别,并更新数值子结构中相应构件的模型参数来提高混合试验精度,但该方法尚缺少真实试验的验证。本文基于课题组开展的足尺RC柱拟静力试验,取恢复力模型为集中塑性铰Ibarra-Medina-Krawinkler（IMK）模型,进行框架结构离线模型更新混合试验研究。结果表明,当物理子结构取为RC足尺柱时,离线模型更新混合试验能获得接近于真实试验情况下结构的地震响应,从而对该方法的有效性进行了试验验证。利用IMK经验公式,将真实试验模型参数识别值按轴压比进行对照修正,应用于不同层数的框架结构地震响应模拟,实现了试验数据的重复利用。     

泡沫塑料颗粒种类对轻质混合土力学特性的影响

轻质混合土是一种新型的轻质土工材料,具有轻质、环保、高强等特点。本文对添加不同种类泡沫塑料颗粒的轻质混合土试样进行了无侧限抗压强度试验、等向压缩试验及三轴剪切试验。试验结果表明:泡沫塑料颗粒种类对轻质混合试样的力学特性有较大的影响。     

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.     

粗-细粒混合土动力特性探讨

对粗-细粒混合土样进行动三轴试验来探讨粗粒(1~2 mm)和细粒(小于0.075 mm)含量对混合土的动力特性的影响。共进行了细粒含量为0%、20%、40%、60%和80%5组试样的动三轴试验,得到了不同轴向激震力下的动强度、动应变和孔隙水压力的变化。试验发现:动强度随着细粒含量的增加先降低后增加,当细粒含量为20%时混合土的动强度是最低的;在动应力幅值比较大时,以粗粒为主的试样的孔压增长速度较快,而破坏时孔压的大小差别很小。     

安装复合MR阻尼器的结构振动台试验研究

对不同控制策略下安装有复合MR(磁流变)阻尼器的模型结构进行了振动台试验研究.在El Centro地震动激励下,基于线性二次高斯(LQG)和广义预测(GP)两种控制算法,针对半主动控制系统、MR阻尼器以恒定电流(-0.5A(Passive-on 1)、0A(Passive-off)、2A(Passive-on 2)的控制系统,以及由半主动控制方式和基础隔震组合而成的混合控制系统,在WINCON/SIMULINK实时控制软件平台下对一个1:4的三层钢框架模型进行了地震模拟振动台试验.试验结果表明:基于复合MR阻尼器的控制系统是有效的,无论是被动控制、半主动控制还是混合控制,都显著降低了模型结构各层的加速度、位移响应;复合MR阻尼器在不通入电流时具有一定的被动控制效果;采用考虑时滞自补偿的广义预测控制效果要好于LQG控制,并且这两种控制策略的都能以较被动控制小的控制力达到较好的控制效果.     

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.     

连梁可更换构件及连接的试验和模拟分析

结构可更换构件通过可更换连接与主体结构相连,共同工作并集中塑性损伤,震后更换损伤构件即可恢复结构功能。为了研究一种连梁可更换构件及连接的性能,对可更换构件及连接试件进行反复加载试验,并对低屈服点耗能钢材进行单向拉伸试验。采用ABAQUS软件对该可更换构件及连接进行有限元模拟分析,比较了壳单元和实体单元模拟的计算效率和精度,并提出合理可行的材料参数取值方法,采用非线性接触对模拟可更换螺栓端板连接,模拟结果与试验结果吻合良好。试验分析可用于研究该类可更换构件及连接的实际性能,模拟分析可为该类可更换构件及连接提供性能预测方法,并验证了可更换构件实际屈服力与设计屈服力的吻合度和超强系数,验证连接螺栓不产生滑移。在此基础上,给出了该可更换构件及连接在工程中的应用方法。     

用分布式混合试验系统模拟结构的倒塌行为

采用分布式混合试验系统模拟四层钢结构框架在强震下的倒塌行为。变形集中的首层作为试验对象,而上部结构作为数值子结构。各子结构通过协调器满足界面上的平衡和协调条件,并被协调器的输入输出接口封装起来。采用柔性的试验方案,可以在当前有限控制精度的限制下,灵活地处理边界条件。试验结果与日本E-D efense振动台足尺试验结果进行了对比,得到了类似的倒塌机制,证明混合试验有能力进行结构倒塌模拟,而误差主要来自于模型简化。     

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。     

多本构模型参数同步更新的在线数值模拟方法研究

在线数值模拟方法是一种基于模型更新的混合试验方法,其是不完整边界条件混合试验的通用解决方案。在该方法中：结构反应由结构整体数值模型计算得到,边界条件自然得以满足;物理子结构的恢复力不再参与运动方程的求解,而是用于估计数值模型的本构参数,提高了数值模型的可靠性。论文提出多本构模型参数同步更新的在线数值模拟方法,以提高多种本构模型参数不确定性同时存在时在线数值模拟方法的精度,并以Levenberg-Marquardt算法为参数估计方法,实现了采用恢复力对钢筋和混凝土材料本构模型参数的同步估计。研究表明：以恢复力来估计材料本构模型参数是可行的,且Levenberg-Marquardt算法具有较高的收敛速度和计算精度;在线数值模拟方法有效地提高了混合试验的模拟精度。