当前位置:首页 >> 电力/水利 >>

实时混合试验文献综述


同济大学硕士学位论文抗震混合试验系统构建研究

第 1 章 绪论
1.1 引言
地震,作为一种在全世界范围内频繁发生的自然现象,在人类历史上造成过 多次严重的损害[1]。强烈地震可以瞬间对土木结构和基础设施造成严重的震害, 如房屋建筑倒塌、堤坝溃决、桥梁垮塌、道路中断、城市管道、输电线路等生命 线工程损毁。此外,大地震还时常伴有多种次生灾害,如日本 311 地震后引发的 海啸,关东大地震后造成城市大面积火灾,汶川地震后多发的山体滑坡、泥石流 及堰塞湖等。地震及其次生灾害会对人类社会造成极大的财产损失和人员伤亡, 甚至严重影响社会发展。 中国是世界上地震较多的国家之一, 历史上曾经发生过多次损失惨重的地震 灾害。在我国社会主义现代化建设的伟大历史进程中,城市化是社会进步的主要 标志之一。而随着城市规模的迅速扩大导致人口与财富的高度集中,也导致城市 安全问题与灾害危害性的日趋加重。由于我国是人口大国,城市人口密度高,各 类自然灾害,尤其是地震灾害,造成的人员伤亡和对城市威胁的风险程度往往要 高于其他国家。我国有 22 个省会城市和三分之二的百万以上人口的大城市位于 地震高危险区, 这充分说明了在我国城市化进程中加强土木工程防震抗震研究的 极端重要性和紧迫性。 目前,由于地震灾害具有巨大的不确定性且后果严重,加之地震准确预报仍 然是全球性的难题, 因此世界各国面对地震的应对策略主要着眼于提高工程结构 抵御地震的能力[2]。由于现阶段人们对于工程结构和材料的认识还不够深入,尤 其对于结构破坏过程中出现的非线性现象认识有限, 如结构在强震下能量耗散机 制和破坏机理尚无理论能够很好描述,因此无法精确地预测材料、构件及结构在 地震中复杂受力状态下的动力响应, 对于整体结构的抗震性能难以单纯依据理论 分析给出准确的结果。所以,在现阶段结构抗震试验仍是抗震减灾研究中一项重 要的研究手段,是观察结构地震下表现,获取抗震知识、构建抗震理论的重要途 径[3]。 结构抗震试验经过若干年发展, 目前获得广泛认可和普遍应用的传统抗震试 验方法主要有三种,即拟静力试验、振动台试验和拟动力试验。得益于近 20 年 来在计算机、电子、液压伺服技术和现代控制理论等方面的进步,现在基于拟动 力试验的理论基础上又发展出一种新兴的抗震试验方法,即混合试验( Hybrid Testing) 方法。 混合试验可以实现快速甚至实时加载, 对于加载速率敏感的构件, 如阻尼器、支座等,能更好的模拟其地震作用下的响应。混合试验试验构件缩尺

同济大学硕士学位论文抗震混合试验系统构建研究

比大,甚至可以制作局部足尺模型,能较好的解决尺寸效应、相似比不满足等问 题,且模型制作成本及设备使用成本较低。因此,融合了拟动力试验、振动台试 验和子结构试验技术的混合试验方法弥补了传统抗震试验方法的缺陷, 作为一种 新兴的抗震试验方法,具有较好的研究价值和应用前景。

1.2 抗震试验技术研究发展现状
1.2.1 拟静力试验
拟静力试验又称低周往复加载试验, 是目前研究结构或构件受力及变形能力 时所采用最广泛的方法。拟静力试验是指假定结构位移按照某种特定模式(如位 移按照第一振型) ,利用反力墙(反力架)和作动器,对结构或结构构件施加多 次循环往复荷载或位移作用, 模拟结构在地震作用下往复运动的变形或破坏特点。 拟静力试验能获取结构在地震作用下的恢复力特性, 确定滞回特性用于衡量结构 或者构件的耗能能力以及确定骨架曲线、初始刚度、退化刚度等退化参数,最后 可以研究结构的破坏模式、破坏机理,为改进设计提供依据[3][4]。拟静力试验主 要有以下三个优点: (1)应用广泛,几乎所有结构或结构构件都可以通过拟静力 试验获取诸多参数; (2)历史悠久,应用于拟静力试验的理论丰富而扎实; (3) 试验手段简单稳定,对设备要求低,可靠度好,不同试验的数据也有较好的可参 考性。因此,拟静力试验是目前抗震试验研究中应用最广泛的试验方法[5]。考虑 到实际结构多为多自由度体系,而地震作用也有多方向性,学者们对拟静力试验 的加载规则也进行了拓展研究[5] [6]。 由于拟静力试验方法本身的特性,决定了它也存在一些缺陷和局限性: (1) 加载速率低,因此主要用于获得构件的刚度、承载力及滞回特性等信息; (2)加 载制度是事先确定的,在不同的加载制度下进行试验结果也可能不一样; (3)多 以构件为试验对象,无法考虑整体结构在地震下的性能; (4)对于试验中试件何 时开裂、何时达到屈服仍无很好的鉴定标准。

1.2.2 地震模拟振动台试验
地震模拟振动台试验是目前抗震试验手段中最直接的方法。 其原理是将结构 模型放置在刚性台面上,利用电液伺服作动器驱动台面重现地震波。振动台可以 实时再现地震作用,模拟地震的全过程,是目前在试验室中研究结构模型地震反 应和破坏机理最直接也是最准确的方法。 振动台试验被广泛应用于研究结构动力 特性和抗震性能,检验大型设备抗震性能,以及对于高层、超高层以及超限结构 进行缩尺模型的振动台试验,以验证其抗震性能和结构设计合理性等。自 1960

同济大学硕士学位论文抗震混合试验系统构建研究

年起,美、中、日等国先后建造了近百座各种类型的振动台。[7,8] 振动台试验作为一种直观而真实的研究手段,被广泛运用于学术研究领域, 对许多新结构、新构件、新设计方法的发展做出了重要贡献。比如近年来的研究 热点-摇摆结构,作为一种典型非线性结构,振动台试验在其研究过程中发挥了 重要作用。Midorikawa[9]在 2006 年发表了带有摇摆柱的钢框架结构的振动台试 验研究成果,试验表明相比于底端固接的框架,摇摆柱框架在柱端隆起的情况下 可以有效降低地震作用。Marriott[10]在 2008 年发表的论文中,通过振动台试验验 证了基于性能设计方法设计的预制摇摆墙的抗震性能, 并验证了针对摇摆墙的数 值分析方法。 除了学术研究外, 振动台试验在诸多重大工程中也发挥了重要作用, 国内外均有大量重要工程项目进行过振动台试验的验证, 包括上海环球金融中心
[11]

、上海中心[12]。 振动台试验被广泛认为是一种良好的抗震试验研究手段, 同时也存在一些不

足: (1)试验成本高。振动台系统本身属于复杂系统工程,需要土木、机电、 机械、自动控制等多个专业的协作,振动台本身是高精度的大型设备,而且多为 试验需求量身定制,制造成本与标准化设备相比较高,同时设备安装需要高精度 的土建施工技术,因此试验室本身的建设费用高昂。此外,模型设计制作消耗较 高的人力物力,并且模型设计制作周期长,导致试验整体周期被拉长。试验时驱 动台面及模型需要消耗大量能量,维持液压系统运作消耗大量电力,试验时成本 相对其他试验方式要高得多。 以上这些原因最终导致了振动台试验成本一直居高 不下。 (2)模型与原型结构之间力学行为相似度仍不够理想。由于振动台试验受 限于台面承载能力,大多进行缩尺模型试验,存在材料尺寸效应、结构相似比不 满足的问题。首先,试验模型结构构件尺寸较小时,受尺寸效应影响,材料力学 性能差异较大,制作、装配误差也会因为缩尺而带来更显著影响。其次,缩尺模 型设计时,长度、时间、内力等不同参数相似比不同,然而重力加速度、材料弹 模强度等个别参数难以人为调整, 导致试验中只能保证研究者所重点关心参数的 相似比, 忽略次要参数相似比。 另外, 用于振动台试验的缩尺模型构件尺寸较小, 往往不能采用与真实结构相同的土木工程材料制作,比如钢筋常以钢丝代替,型 钢以薄钢板、铜板焊接制成,混凝土也存在明显差异,因此对于原型结构在地震 作用下的响应的模拟仍不够准确。近年来,随着减隔震技术的运用,大量非线性 耗能构件被运用于结构中, 如粘滞阻尼器等, 此类构件力学行为表现为强非线性, 并且可能拥有复杂的内部结构,缩小模型后力学性能会产生显著变化,也不适宜 进行小比例的缩尺模型试验。

同济大学硕士学位论文抗震混合试验系统构建研究

为了更真实的模拟地震,振动台试验正朝着大型化、台阵化方向发展。日本 于 2005 年建成了目前最大的三向振动台 E-Defense[12],尺寸 15mx20m,最大负 荷能力 1200t ;美国 NEES 计划在 UCSD 建造了负荷能力 2000MN ,尺寸 7.6mx12.2m 的单向振动台[13]。为了满足桥梁、隧道、生命线工程以及大跨结构 的试验需求,国内外也建设了一系列多点振动台台阵,如 NEES 计划支持下内华 达州立雷诺大学,纽约州立布法罗大学等;国内有同济大学新建的多功能振动台 组系统,以及福州大学、中南大学和招商局重庆交通科研研究院等单位的多台阵 系统。 。这些新建振动台系统已经在科研和重大工程领域开始发挥巨大作用。同 济大学的多功能振动台组系统进行了泰州长江大桥[14]、港珠澳工程沉管隧道[15] 南昌朝阳桥(多塔斜拉桥)[16]等诸多项目的非一致激励振动台试验,对桥梁、隧 道等线状结构的地震响应进行了研究。美国太平洋地震工程研究中心、联邦高速 公路管理局等于 2010 年利用 UCSD 超大型振动台、E-Defence 振动台进行了直 径 1.2m 的足尺桥墩、在顶端负载 250 吨情况下的振动台试验,检验了桥墩的抗 震性能[17][18]。

1.2.3 拟动力试验
日本学者 Hakuno[19]等于 1969 年最先提出了同时利用静力加载设备与计算 机模拟进行结构试验的方法,即拟动力试验方法。拟动力试验中首先在计算机里 建立模型的数值结构,每一步加载后通过实际加载获取的反馈确定模型当前力位移关系,再计算地震作用下结构下一步的变形,输出作为加载命令。拟动力试 验不需要对试验结构的恢复力模型做任何假定,力 -位移关系可以通过试验直接 得到,避免了数值分析中假定恢复力模型带来的误差,并且可以使用较大尺寸的 模型,试验中能够有效观察结构破坏的现象,研究破坏机理。该方法一定程度上 解决了拟静力人为确定试验加载制度与真实地震响应不符的问题, 又可以弥补传 统小型振动台模型大幅度缩小带来的不足, 可以较好地考察结构细部在地震作用 下的变化。 早期拟动力试验主要针对单自由度体系, 对于多自由度体系需要进行一些假 设,如对质量进行集中假设,Kaminosono[20]在一个七层钢结构建筑的拟动力试 验中采用了集中质量模型的假设,而这些简化对于一些复杂结构显然不太适用。 拟动力试验由于对全结构同时进行数值计算和试验加载, 在构件进入非线性状态 后,试验稳定性非常依赖于算法,容易因为数值计算发散导致试验失败,这一现 象对于自由度较多的体系问题更为突出。同时,由于地震通常只会导致结构的一 部分破坏,其余部分然基本完好甚至仍处于弹性状态,而结构失效往往由进入塑

同济大学硕士学位论文抗震混合试验系统构建研究

性的局部结构引起。除此之外,对复杂大型结构进行研究时,如果进行全结构模 型的试验,小尺寸模型则真实度欠缺,大尺寸模型则需要大量资金、时间,而模 型的大部分在试验中没有完全发挥作用,存在浪费现象。针对上述问题,研究者 们发展出了子结构拟动力试验技术。将试验结构中可能发生损伤、产生复杂非线 性的部分作为试验子结构,连接设备进行加载,其他试验过程中仍处于弹性的部 分作为数值子结构,在计算机中模拟,并将这两者统一在一个整体运动方程中。 Dermitazkis 和 Mahin[21]于 1985 年首次实现了子结构试验方法,将一单跨多层框 架结构中一侧底部两层柱子作为试验子结构进行了两自由度加载, 又以底层柱子 一半为试验子结构在反弯点处进行了加载,证明了子结构试验想法的可行性。 由于较低的工作速度下,试验测得的力反馈主要来自结构弹性刚度,速度、 加速度相关的阻尼力不能在试验中得到体现。 因此学者们又发展了拟动力试验的 另一种加载形式,被称为等效力试验。Mahin, Thewalt[22]~[24]等人在研究拟动力试 验过程中,通过对动力微分方程的观察最先提出了等效力试验方法,等效力为地 震加速度与试件质量的乘积。该试验方法对研究对象进行抽象简化,将其转换为 采用集中质量模型的多自由度体系,试验执行时模型底端通过地锚固定,在各自 由度的质量中心位置, 按照加速度方向施加等效力来获得结构在地震作用下的反 应。这种试验方法由于不需要移动模型整体,因此可以试验大尺寸模型,同时由 于地震加速度是已知的,可以在试验开始之前就完成等效力的计算,加载过程只 需要按照记录输出即可,因此同振动台试验一样可以完成实时试验。但是由于采 用力控制方式加载, 在系统控制上存在较大难度, Dyke 和 Alleyne[25][26]等效力时 程频率与结构自振频率接近时,加载过程中出现震荡现象,这种现象被称为自然 速度反馈现象,此现象仅当采用位移控制模式时会出现。Dimig[27]等对如何抑制 自然速度反馈现象进行了研究, 他们采用预先计算结构速度时程并采用速度时程 补偿作动器动作的方法,成功抑制了自然速度反馈现象。Reinhorn[28]等则选择在 作动器与结构之间增加一额外的弹簧,通过控制弹簧变形来施加力,将试验控制 模式从力控制切换为位移控制,成功在位移控制模式下完成了等效力试验,由于 切换了控制模式也就避免了自然速度反馈问题。吴斌、许国山、陈再现[29][31]等 人对子结构等效力试验控制方法进行了深入研究, 开发了一种全新的等效力试验 方法。将结构系统的动力微分方程转化为控制系统中的传递函数,通过构建等效 力控制器的方法代替数值积分进行试验,该方法非常适合于实时加载。

1.2.4 混合试验
混合试验方法是近年来发展起来的一种新兴抗震试验方法, 最初由子结构拟 动力试验方法发展而来,其基本理念相同。混合试验与子结构拟动力试验均时将

同济大学硕士学位论文抗震混合试验系统构建研究

整体结构划分为试验子结构和数值子结构两部分, 取结构中非线性显著的部分作 为试验子结构,在试验室通过振动台、作动器等设备进行物理加载,而将其余线 弹性部分作为数值子结构在计算机中同步计算。 每一加载步的命令都由数值子结 构的计算结果给出, 每一加载步数值子结构的计算依据都由试验子结构的反馈获 得,如此循环直到完成全部加载过程。 传统的拟动力试验系统多为专用系统, 为特定的试验设备及数值分析软件开 发对应的接口以及控制程序,不同系统彼此之间兼容性较差,不同试验设备不同 数值模拟软件之间难以协同工作,研究成果的普适性和共享性也受到较大影响。 为了克服这一问题,混合试验的试验子结构和数值子结构之间不再直接连接,而 是在系统架构上加入了一层“交互系统” ,通过数据交互系统在各个模块间完成 通信。数值子系统将计算结果(力、位移、加速度等)作为命令通过交互系统调 理后传递给物理子系统进行加载, 物理子系统将测量得到反馈通过交互系统再传 递给数值子系统作为下一步的计算依据。试验加载子系统、数值计算子系统、数 据交互系统三部分协同工作,构成了混合试验系统。混合试验相比传统的拟动力 试验,由于增加了交互系统作为中间层,具有更大的可拓展性: 1、借助交互系统的接口可以连接各类有限元软件,从而提高了数值子系统 的运算能力, 可以利用现有的数值模拟研究成果提高数值子结构的模拟精度和运 算速度[32][33][34]。 2、基于交互系统的开放性和共享性,可以利用互联网打破试验室设备能力 以及地理位置限制,联合多个试验室同步进行联网试验扩大试验规模[35][35][37]。 3、在交互系统中嵌入多样化的控制模块,利用现代控制理论的进步,帮助 突破加载设备控制能力的限制,可以提高试验速度甚至做到实时加载,或增加加 载设备数量,解决多自由度加载时多作动器耦合问题,又或通过力、位移混合控 制技术进行大刚度试件的加载[38]~[42]。 根据加载装置的不同,混合试验可以分为作动器型、振动台型以及作动器振动台耦合型。作动器型混合试验的研究工作开展的较早,成果也较多[43]~[47]。 Horiuchi 等人[44]对一个多层建筑物进行试验, 以底层作为试验子结构进行实际试 验, 其余作为数值子结构。 随着试验设备的发展, 学者们相继实现了振动台型[47][48] 和耦合型混合试验,Igarashi 等人[48]研究中试验子结构为建筑物顶部阻尼器, 建筑 物整体结构为数值子结构。每个加载步中首先求解加速度,并以加速度为命令控 制振动台,将阻尼器恢复力反馈给数值子结构进行求解。王向英和田石柱 [49][50] 将位移控制的混合型试验方法应用于一个三层层框架结构的实时混合试验中。 王 进廷[51]等人进行了结构-地基动力相互作用试验, 并在试验中研究比较了不同了 数值积分算法与时滞补偿算法的效果。由于设备条件和技术水平的限制,作动器

同济大学硕士学位论文抗震混合试验系统构建研究

-振动台耦合型混合试验目前开展的研究还很少。 Reinhorn 等人[52]取建筑物中部 作为试验子结构,上下作为数值子结构,上部地震作用使用作动器加载,下部使 用振动台加载,由于振动台对试验子结构中施加了惯性力,而上部结构交界面不 可能同时处在力控制与位移控制状态,所以作动器以力控制加载。 混合试验中数值计算方法、 交互与控制系统开发是目前混合试验的研究热点, 有众多研究成果: (一)数值计算算法研究 基于子结构拟动力试验相关成果的混合试验理论研究已经开展了多年, 其中 大多集中在数值积分算法方面。根据 Mhain[22]的定义,算法一般分为显示和隐式 两类。显式算法一般为条件稳定的算法,由于求解参数均为之前加载步已获得数 据,不需要迭代求解,求解速度快,是用于混合试验的首选算法。但是显式算法 的稳定条件与积分步长有关, 单位步长不能太大, 这将导致试验时积分步数较多, 会显著拉长试验时间并积累一定误差。隐式积分数值稳定性好,算法阻尼小,但 是迭代求解时间消耗大而且可能影响加载路径敏感的构件。因此,国内外学者大 多采用对原有拟动力试验的数值算法进行改进, 如 Chang 改进的 Newmark 法 (显 式) ,Chang 于 2002~2010[53]~[56]开发的算法相比传统的 Newmark 法实现了二阶 精度、无条件稳定、无数值阻尼、无周期延长等特性,并且具有更好的误差传递 特性。Chen 和 Ricles[57]发展了 CR 算法,同 Chang 算法一样是显式无条件稳定 的,并使用这种算法进行实时混合试验的尝试[58],结果显示 CR 算法工作稳定精 度良好。Bursi[59][60]开发系列 L-稳定的隐式积分算法,Combescure 和 Pegon 研究 了一种显式-隐式结合算法α-OS 算法[61][62], 采用算子分离将隐式的数值算法分裂 成显式预测和隐式修正两个部分, 这种算法在取得了高精度稳定性的同时减少了 计算量,在混合试验中具有较大的运用优势。 (二)交互与控制系统开发研究 交互系统除了连接两部分子结构,同时还承担着拓展功能,如嵌入不同专用 控制模块进行作动器耦合控制、时滞补偿控制,联接互联网进行联网试验等。 Blakeborough 等人[63]首次完成了多自由度控制加载。 对一个单层刚架的一根 柱在梁柱节点,通过两个作动器同时施加线位移和角位移。试验结果表明,即使 每个作动器都单独进行补偿,作动器之间的耦合作用还是可能引起系统失稳。 Bonnet 等人[64]使用自应控制合成算法,对四自由度和三自由的质量 -刚度-阻尼 系统进行试验,每次均控制加载两个自由度,结果表明作动器之间的耦合作用将 导致系统出现不应有的高频振动现象,系统可能出现失稳。说明作动器的耦合单 独通过作动器系统自身无法很好补偿, 必须在交互系统中嵌入多自由度系统整体 的耦合补偿。明尼苏达大学的使用的 MAST 系统内包含八只作动器,为此专门

同济大学硕士学位论文抗震混合试验系统构建研究

开发了补偿软件,实现了良好的补偿[65]。 在理想的混合试验中, 数值子结构计算得到的控制信号通过加载装置( 作动 器或振动台) 精确地施加给试验子结构。然而在实际试验中,数值子结构求解需 要时间, 加载却时刻在进行, 这会带来计算与加载的不同步, 加载设备精度有限, 同时加载过程、信号传输需要一定时间,试验中不可避免的会有时滞出现。当需 要进行高速甚至实时加载时, 混合试验方法对于计算机计算与通信实时性的要求 极高,数值分析的时间轴要求与试验加载时间轴完全同步,而 Windows、Linux 等常见操作系统对硬件资源的调度会带来不可预知且无法避免的时间误差, 在速 度要求不高,计算机性能较好时可以实现较高速的加载,但对于实时试验时则可 能因为时滞过大导致计算发散试验失败。因此,目前大量研究者采用实时操作系 统的计算机作为数值子结构计算设备以及控制交互设备以消除时滞, 实现实时试 验。 Horiuchi 等人[44]指出迟滞可以看作是给试验系统增加了一定量的负阻尼, 会 导致试验系统精度丧失甚至失稳,他们提出用固定系数多项式外插的方法预测, 随后 Horiuchi 和 Konno[46]又提出线性加速度预测法,Darby[66]等人提出了一种自 适应估算迟滞的补偿方法,Sivaselvan[67]在 2006 年对已有算法进行了总结比较, 中国的吴斌[68] 等人在自己的试验中进行了不同数值积分算法以及补偿算法的 尝试。 Schellenberg 和 Mhain[69]~[71],Mosalam 和 Gü nay[72][73]等人在 UC Berkeley 进 行了一系列混合试验, 实现了用作动器加载的对带支撑框架首层的试验以及使用 振动台加载的只能振动台,实时混合试验时增加了 Matlab Simulink 模块建立控 制程序运行于高性能实时目标计算机,ScramNet 实时内存共享卡与光纤组成的 网络等组件,实现实时计算以及与 MTS 控制器实时交互,Eric Stauffer[]等人在 科罗拉多大学博尔德分校利用 C++编写了交互系统,同样利用 Scramnet 作为传 输通道构建了可以适应低速、高速和实时的平面三自由度混合试验系统,对一混 凝土框架底层一根柱进行了实时混合试验。 中岛正爱[43]等人构建了数值计算采用 C 语言编程,反应分析和信号生成两项工作分离的多自由度试验系统,并利用 该系统测试了一个基底隔震的 5 层框架结构,试验结果证明该系统能模拟大位 移(0.2m)和大速率(0.7m/s)的地震反应。 通过将数值子结构中每个自由度的双线性 本构关系等分成若干份并进行叠加计算, 进行了具有非线性数值子结构的实时混 合试验。中国的王贞、吴斌[74]采用利用 Simulink 建立数值子结构进行了试验, 并采用域间并行多步长分离积分算法完成数值积分计算,取得了较好的效果。 Chen,Ricles[75][76]采用 Simulink 建模,并引入 ATS 补偿方法对试验进行补偿, 也取得了较好的结果。

同济大学硕士学位论文抗震混合试验系统构建研究

1.3 国外混合试验平台发展现状
1.3.1 美国
美国国家自然科学基金于 1999 年启动的乔治· E· 布朗地震工程模拟网络计 划(NEES,Network of Earthquake Engineering System) ,资助了十五个试验室, 通过互联网连接彼此的设备数据库,促进试验室之间的协同工作,将地震工程研 究从分离的理论试验研究状态提升至数据库、计算分析理论、试验研究紧密结合 的状态。在此计划的支持下,完成了一批各具特色的加载设备,并利用这些设备 进行了包括混合试验在内的多样化的先进试验技术研究。 (一)NEES@Berkeley 如图 1.1 所示, UCBerkeley 的实验室建造了移动式反力墙系统[77], T.Y.Yang, Mahin[78][79]等并利用此系统与作动器、 反力架搭建了快速混合试验系统进行了若 干多层带支撑框架结构的混合试验研究[78]。

图 1. 1 带支撑框架的混合试验

同 时 Shellenberg 利 用 μ NEES 试验系统 进行了实时混合试验交互系统 OpenFresco、预测矫正模型的开发及验证工作[69]。Mahin 等人使用振动台作为加 载设备搭建了振动台型实时混合试验系统 Smart Shaking Table,使用此系统进行 了以上部隔震结构为研究对象的实时混合试验[80],见图 1.3。

图 1. 2μNEES 实时混合试验系统

同济大学硕士学位论文抗震混合试验系统构建研究

图 1. 3 Smart Shaking Table 进行上部隔震结构的实时混合试验

(二)NEES@UIUC 伊利诺伊大学厄巴拿 - 香槟分校建成了 MUST-SIM 试验系统, Kwon , Spencer[81][82] 等 人 为 多 点 在 线 分 布 式 混 合 试 验 ( MOST ) 开 发 了 软 件 平 台 UI-SimCor,其架构见图 1.4,可以连接 ABAQUS、OpenSees、Zeus-NL 等有限 元软件,实验室研制了由六个作动器协同工作的荷载及边界条件加载箱(Loading and Boundary Condition Boxes),如图 1.5 所示[83]。

图 1. 4 UI-SimCor 平台架构

同济大学硕士学位论文抗震混合试验系统构建研究

图 1. 5 Loading and Boundary boxes

Birely[84]等在 MUST-SIM 平台上进行了一系列针对剪力墙、核心筒结构的 多轴加载试验,得到了多轴加载状态下剪力墙结构的力学性能。 Ricles , Spencer[85]等使用该平台进行了土结构相互作用的试验,两组试验见图 1.6。

图 1. 6 以桥墩和剪力墙为研究对象的混合试验

(三)NEES @ Lehigh 里海大学建成了多自由度实时混合试验系统(RTMD) 【】

图 1. 7 里海大学多自由度实时混合试验系统

同济大学硕士学位论文抗震混合试验系统构建研究

该系统包含五根高性能动力作动器、五组液压油泵、一组蓄能器以及高速通信网 络和高速信号采集设备。Dong,Ricle, Sause[86][87]使用里海大学的试验系统对带阻 尼器的框架结构进行了实时混合试验的尝试。

图 1. 8 带阻尼器减震框架实时混合试验

(四)NEES@Minnesota 明 尼 苏 达 大 学 建 成 了使 用 8 作 动 器 协 同工 作 的 六 轴 加 载 系统 MAST (Multi-Axial Sub assemblage Testing)[87]用于混合试验研究。水平设置两组正 交的作动器, 行程±400 mm 最大出力±3910 kN, 竖向设置四根平行并立的作动 器, 行程±510 mm, 最大出力±1470 kN, 连接于一 7.5m 长宽的十字形加载架, 最大可容纳 6.1 m x 6.1 m x 8.7 m 尺寸的模型进行试验,见图 1.9。

图 1. 9 明尼苏达大学 MAST 系统

Sritharan

[89]

等利用 MAST 系统进行了 1/2 大小尺寸的 T 型剪力墙试验, 见图

同济大学硕士学位论文抗震混合试验系统构建研究

1.10。Chao[90]等在明尼苏达大学进行了采用 HPFRC 不同组合梁柱及楼板节点区 的倒塌试验,见图 1.11。

图 1. 10 T 型剪力墙试验

图 1. 11 梁-柱-楼板节点区倒塌试验

1.3.2 欧洲
ELSA(European Laboratory for structure assessment)是欧洲混合试验领域研 究的先锋之一,对快速和实时混合试验进行了很多尝试和研究。利用 ELSA 的反 力墙和高速作动器, Combescure 和 Pegon[62][91]在 1997 年对 alpha-OS 算法进行了 深入研究并将其运用到试验中,他们利用 CASTEM2000 软件进行了带有非线性 单元数值子结构的试验,试验对象为奥地利一座钢筋混凝土公路桥,见图 1.12。

同济大学硕士学位论文抗震混合试验系统构建研究

图 1. 12 钢筋混凝土公路桥抗震混合试验

1.3.3 日本
日本是对拟动力试验, 以及在此基础上发展的混合试验开展研究工作较早的 国家,包括 E-Defense 在内的多个大型实验室均具备高速乃至实时混合试验加载 的能力。其中,中岛正爱[43][92]开发的混合试验平台具有三种不同的试验模式: Host-Station、Dual model 和 peer-to-peer。Host-station 模式是将一个试验单元嵌 入结构的计算模型中形成结构整体分析模型。 Dual-model 则是将试验子结构的力 反馈作为外力输入数值子结构计算模型进行试验。Peer-to-Peer 则将数值子结构 进行了划分,划分为若干个以独立子结构,并将其独立进行运算,可以进行多地

图 1. 13 隔震钢框架混合试验

同济大学硕士学位论文抗震混合试验系统构建研究

联网混合试验。 中岛正爱利用自己开发的平台进行了一个原型为 8 层两跨隔震钢 框架的混合试验,试验中取隔震层作为试验子结构,研究了隔震层在地震作用下 的性能。

1.4 本文工作内容
本课题的研究旨在利用现有的软硬件设备,构建实时混合试验系统,开展混 合试验中有关协同加载、信号回路、时滞补偿等问题的研究工作,进而探讨这一 新兴抗震试验方法的实用性与可靠性。 第二章阐述了混合试验方法的基本原理, 介绍了本课题采用的软硬件设备及 系统架构方式,系统工作流程及试验结果评价方法。利用同济大学多功能振动台 实验室配置的 MTS 多功能振动台组系统、MTS 电液伺服高速作动器、NI 数采 系统、PC 机和实时机,构建了以 OpenSees 有限元软件作为数值运算器、以 OpenFrsco 和 Matlab Simulink 作 为 数 据 交 互 平 台 的 OpenSees-OpenFrsco-Simulink-MTS 实时混合试验系统。 第三章以一长 7.95m、 重 35.2 吨的双柱墩简支梁桥缩尺模型为研究对象, 将 其拆分为不同的试验子结构与数值子结构的组合,分别进行了作动器型、振动台 型和作动器-振动台耦合型实时混合试验。随后又进行了该缩尺模型的振动台试 验,将振动台试验结果与混合试验结果进行了对比, ,验证了系统的精度与可靠 度,并对开展实时混合试验提出了若干改进意见。 第四章以上述简支梁桥缩尺模型的橡胶支座为试验子结构,以频率 0.2hz-10hz 不等的正弦波和 4 条不同峰值频率的场地波作为地震动输入,进行了 一系列的作动器型快速混合试验。基于试验结果,对系统加载精度、时滞、工作 流程进行了分析,确定了试验系统在无补偿状态下一些基本的误差时滞特性,为 后续研究打下了基础。 第五章对本课题已完成的研究内容进行了总结, 并对下一步研究工作进行了 讨论和展望。


相关文章:
文献综述
化学教学有关实验文献综述摘要: 2011 年第五、六期...3 、 实验现象 装满硫粉和铁粉混合粉末的滤纸筒,...改进试验后在无氯气逸出的环境中进行实验,克服了...
文献综述
作业车间动态调度模糊控制系统设计 文献综述 题 目 ...结合微粒群优化算法设计进行建模并进行试验,得出最早完成...基于混合差分进化算法的作业车间动态调度[J]. ...
燃烧工程文献综述
文献综述 题 目 乙醇及乙醇燃料的研究 付晓宁 化学工程与工艺 10-3 班 311006040302...试验结果表明: 柴油机燃用乙醇柴油 混合燃料的油耗率比纯柴油高,并且随乙醇...
混合动力汽车制动能源回收文献综述
混合动力汽车 混合动力汽车 文献综述 混合动力汽车的制动能量回收 学专姓 院: ...控制原型和硬件在回路仿真技术的有级式变速器混合动力系统的再 生制动控制试验,...
29.临床试验资料综述
29.临床试验资料综述_医学_高等教育_教育专区。简要介绍资料的主要内容,以获得...2. 3 标准曲线的制备精密吸取 Rgl 和 Rbl 混合标准品贮备液适量, 1. 用...
重庆交大道路毕业设计文献综述
毕业设计(论文)文献综述 题 目论 SBS 改性沥青混合料在道路 施工中的应用景 ...每一层的纵坡传感器的灵敏度值应通过试验段具体确定;再次,尽量采用两台或两台...
基于单片机的CAN实验系统设计文献综述
基于单片机的CAN实验系统设计文献综述_工学_高等教育...据报道, 中国首辆 CAN 网络系统混合动力轿车已在...总线技术在 我国汽车工业中的应用尚处于试验和起步...
文献综述
文献综述_教育学/心理学_人文社科_专业资料。新疆农业大学专业文献综述 题姓学...珍珠岩以不同体积比例混合成复合基质,通过番茄 育苗试验以筛选出供应的育苗基质。...
文献综述模板
北京化工大学北方学院毕业设计(论文)——文献综述 ...并将其与试验结果进行了时比,证明了模型的有效性。...峰值电流, 改善了燃料电池混合动力发电机的实时供电...
文献综述
文献综述_工学_高等教育_教育专区。编号(学号) :11664027 编号(学号) : 文献...4、掺混合材 掺某些活性混合材可缓解、 抑制混凝土的碱骨料反应。 根据各国试验...
更多相关标签: