轴向力对剪切钢板阻尼器抗震性能影响的数值模拟

采用数值模拟的方式,对轴向力作用的剪切钢板阻尼器的抗震性能进行研究,设定5组不同的剪切钢板阻尼器,以探究高宽比和高厚比对阻尼器的影响,同时提出两种轴向自由的新型剪切钢板阻尼器。结果表明:轴向力对阻尼器抗震性能产生不利影响,使腹板更容易发生局部屈曲且屈曲程度更大,有必要做防屈曲措施;当高宽比、高厚比增大时,屈服荷载、极限荷载、初始刚度及屈服后刚度显著降低;当腹板高度保持不变时,增大腹板宽度或厚度,可有效改善阻尼器的抗震性能。

基于加性误差模型的实时混合试验自适应时滞补偿方法

实时混合试验是评估结构动力性能的有效方法,但由传递系统和物理试件的动力特性,以及二者之间的相互作用引起的时变时滞严重影响其精度和稳定性。针对此问题,提出一种基于加性误差模型的自适应补偿方法。该方法将传递系统和物理试件所组成的系统分解为名义模型和加性误差模型,以名义模型的逆作为前馈控制器消除系统大部分时滞,并基于加性误差模型设计自适应补偿器进一步消除残余时滞。研究表明,所提方法可有效提高实时混合试验的模拟精度,显著降低时滞补偿器对自适应律的依赖性,表现出较强的鲁棒性。

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。

考虑不完整边界条件的新型混合试验方法

在混合试验中,当子结构边界自由度较多时,其边界条件往往难以完全实现,而边界条件的缺失势必改变原结构的受力状态,影响结构性能评估的准确性。为此,提出基于模型更新的在线数值模拟方法,称之为考虑不完整边界条件的新型混合试验方法。该方法建立具有相同本构关系的两套数值模型,分别用于整体结构数值计算和物理子结构本构模型参数识别。由于结构反应由整体结构数值模型求得,边界条件自然得到满足;而且数值模型的本构参数不断根据物理试件的试验结果在线修正,提高了数值计算的准确性。以物理试件的恢复力为追踪目标,采用基于梯度的优化方法在线估计并更新材料本构模型参数;以Matlab和Open Sees为计算平台完成了边界条件不完整的钢筋混凝土框架结构虚拟混合试验。结果表明,该方法几乎消除了边界条件不足带来的不利影响,提高了混合试验的模拟精度。

基于内环H_∞控制的实时混合试验

实时混合试验将结构的关键部位作为试验子结构进行试验,而其余部分作为数值子结构在计算机中模拟,并通过作动器或振动台对试验子结构进行加载来实现二者边界条件的协调。由于作动器-试件系统复杂的非线性动力特性,传统的PID控制器性能受到一定影响,必须采用时滞补偿方法或外环控制消除作动器-试件系统的非线性动力特性影响,才能保证实时混合试验的成功。为在作动器内环消除作动器-试件系统非线性动力特性的影响,采用基于混合灵敏度的H_∞控制理论设计实时混合试验作动器内环控制器,并研究了这种方法的可行性。数值仿真表明,H_∞控制器表现出较好的跟踪性能并具有一定的鲁棒性;单自由度线弹性结构实时混合试验证明了该方法在作动器内环控制上的可行性。

新型连梁剪力墙结构拟静力试验研究

设计了两个足尺的单层双肢剪力墙试件,其中一个带有传统的钢筋混凝土连梁,另一个连梁中安装有改进的三角钢板阻尼器,通过拟静力试验研究两个试件的屈服破坏模式和抗震性能。研究结果表明:这种新型连梁的耗能能力和变形能力明显优于传统连梁,刚度和强度退化小于传统连梁;新型连梁的变形和耗能都集中在阻尼器中,混凝土连梁基本保持完好,阻尼器能够很好地控制结构的损伤,有利于实现连梁震后的可更换。

实时混合试验鲁棒时滞补偿方法的数值研究

为解决实时混合试验系统中时变时滞严重影响试验稳定性和精度的问题,以基于混合灵敏度的H∞鲁棒控制方法设计反馈控制器,使试验系统具有稳定的动态特性;以多项式外插进一步消除时滞,并将其应用于线性Benchmark问题.为充分探讨所提方法性能,采用线性和非线性加载系统模型,开展了物理子结构为线性和非线性的虚拟实时混合试验研究.结果显示:作动器的实测位移均与期望位移几乎完全重合;与已有方法的对比显示,采用鲁棒时滞补偿的实时混合试验具有更小的误差;而对非线性物理子结构,试验系统的均方根误差和峰值误差均在0.6%~1.5%之间,且均方根误差大于10%和峰值误差大于6%的概率远小于0.05.研究结果表明,鲁棒时滞补偿方法可大幅提高实时混合试验的模拟精度,并具有较强的鲁棒性.

工程结构混合试验技术研究与应用进展

工程结构混合试验,将物理试验与数值模拟在线地联系在一起,可充分发挥物理试验和数值模拟各自的优势,在土木、汽车、航天、通信等工程领域得到了越来越多的应用。该文综述了近年来混合试验方法与应用的主要进展,梳理了关键科学与应用问题。关键科学问题包括逐步积分算法的非线性稳定性问题、加载系统的控制问题、非完整边界条件问题,应用瓶颈主要体现在混合试验通用软件还不够完善。对混合试验研究和现状的分析表明:高效稳定的数值分析方法、在线模型更新技术、加载系统与试件相互作用与控制等科学问题值得进一步研究;不同领域中的工程应用是推动混合试验技术发展的决定力量,加强混合试验软件的通用性和容错性是降低应用门槛的关键。

BFRP管混凝土柱抗震性能研究

为适应复杂的海洋环境,该研究提出玄武岩纤维增强聚合物(basalt fiber reinforced polymer,BFRP)管钢筋混凝土柱,并采用拟静力试验和有限元软件OPENSEES研究其抗震性能,探讨BFRP管厚度、轴压比、长细比、纵筋直径和屈服强度对BFRP管钢筋混凝土柱破坏机理和抗震性能的影响规律。研究结果表明:试件的滞回环都比较饱满,均发生弯曲破坏;BFRP管厚度的增大使试件的承载力和耗能性能小幅提高,强度退化放缓;轴压比大的试件承载力高,耗能性能较强,但变形能力差,强度以及刚度退化较快;长细比的增大使试件的滞回曲线变得更为瘦长,整体刚度、峰值荷载、累积耗能大幅降低,同时极限位移明显增大;增大纵筋直径和提高纵筋屈服强度均可使试件的滞回曲线愈加饱满,初始刚度、峰值荷载以及累积耗能也得到有效提高。BFRP管混凝土柱相比于钢筋混凝土柱,多项抗震性能指标都比较优异,但是与钢管混凝土柱相比仍存在一定差距。

在线数值模拟方法在防屈曲支撑-钢筋混凝土框架结构中的应用

在线数值模拟方法是一种基于模型更新的混合试验方法。在该方法中,建立整体结构数值模型和物理子结构的数值模型,分别用于结构整体分析和本构模型参数估计,且两套模型具有相同的本构关系。在线数值模拟方法中,结构响应由结构整体分析得到,边界条件自然得到满足;数值模型的本构参数不断根据试验数据在线修正,建模可靠性得到了改善。为验证在线数值模拟方法在复杂建筑结构中应用的可行性,以隐性卡尔曼滤波器(UKF)为参数估计方法,以钢材和混凝土本构模型参数为待估计量,完成了具有不完整边界条件的防屈曲支撑-钢筋混凝土框架结构的虚拟混合试验。结果表明,在线数值模拟方法削弱了边界条件的影响,提高了混合试验的模拟精度;UKF方法在多构件多本构模型参数同时估计时具有较高的精度和计算效率;在每一积分步内,在线数值模拟方法平均计算耗时0.67s,远小于加载耗时,验证了在线数值模拟方法在复杂结构试验中的适用性。