子结构混合试验方法研究与应用

子结构混合试验是再现大型结构复杂地震响应的最有效方法之一。该文总结了子结构混合试验在过去30年发展过程中所面临的主要问题。子结构混合试验需要一个稳定而精确的时间积分算法用于求解结构的动力方程,而这些时间积分方法需要对试验子结构提供显式的位移加载命令,并且最好具有抑制试验引入误差的能力。第二个挑战是隐式数值域和显式物理域的高效协同,主要采用了刚度预测方法和预测修正技术。最后,子结构的边界条件需要精确的施加到相应的边界上。这对于试验子结构是主要难点,因为现有加载仪器精度和数量的不足。为此发展了基于重叠领域的柔性加载制度和力-位移混合控制方法。为了使子结构混合试验的能力和精度最大化,近年来采用互联网技术将多个试验室资源连接起来,并引入大型商业有限元软件进行精细化模拟,这促成了三代可扩展的子结构混合试验平台。这些平台的柔性、可扩展性和精确性均通过一系列试验得到了验证。

实时子结构混合试验中的数值积分方法对比分析

将CR方法运用到振动台子结构混合试验中,并结合作动器的时滞和外插时滞补偿方法进行了研究。文中将改造的中心差分法、改造的算子分解法、改造的Chang方法、改造的显式Newmark方法均与CR方法进行了对比分析。结果表明,改造的算子分解法的稳定性最差,当不考虑阻尼影响时改造的显式Newmark方法的稳定界限为2,改造的中心差分法与原方法的稳定性无变化,时滞对改造的中心差分法和改造的算子分解法的影响最大,且外插补偿的效果均比其它三种方法差;改造的Chang方法和改造的显式Newmark方法及CR方法经时滞补偿后得到的位移基本与全结构分析得到的位移吻合。建议在振动台子结构混合试验中采用CR方法进行试验,并采用外插补偿的办法解决时滞问题。

实时子结构混合试验中的Chang方法研究

在传统显式Chang方法的基础上考虑试验子结构的质量影响,在作动器的常加速度假定和不考虑时滞影响的前提下,对作动器的位移进行中心差分得到作动器的加速度显式表达;认为作动器的加速度即为试验子结构的加速度,通过纯惯性试验子结构的实时子结构试验仿真对算法稳定性进行分析,发现当试验子结构的质量小于等于数值子结构的质量时,该方法的稳定性良好;在线性动力试验子结构中分析了试验子结构的质量、刚度、阻尼对算法稳定性的影响,发现该方法的稳定性同条件下优于修正的中心差分法。最后进行了地震作用下的仿真分析,表明该方法具有良好的精度。

基于OpenSees Navigator的子结构混合仿真试验系统及其验证

将有限元软件OpenSees Navigator应用于子结构混合仿真试验,介绍了基于OpenSees Navigator的子结构混合仿真试验方法的试验原理、试验系统组成和误差控制方法,并通过八层实腹式SRC异形柱框架子结构混合仿真试验结果和有限元软件OpenSees Navigator的数值模拟结果来验证该试验系统及方法的有效性和准确性。研究结果表明,试验预加载得到的命令位移和反馈位移时程曲线吻合程度较好,验证了该试验系统的有效性;模型结构的加速度反应、位移反应和层间剪力试验结果和模拟结果较为接近,表明该子结构混合仿真试验系统和试验方法能够较好地反映SRC异形柱框架结构在地震作用下的动力反应,将该试验系统应用于工程结构的抗震性能研究能够取得良好的效果。

采用消能连梁的高层结构整体分析与试验研究

消能连梁采用阻尼器耗能,保护混凝土主体结构,是近年来发展出来的一种有效的高层结构消能减震体系。本文针对带消能连梁的框架剪力墙结构体系进行整体有限元分析,研究了具有不同层数的框架剪力墙结构地震响应,分析消能连梁的能量耗散情况和对整体结构动力响应的控制效果,研究表明消能连梁能够分别降低首层墙肢和框架的能量耗散的65.5%和39.0%,同时可降低结构35.4%-42.0%的层间位移角和41.0%-44.4%的基底剪力。随后对某一18层高层建筑进行了子结构混合试验研究,试验体底部为6层联肢墙,采用1/3缩尺,其余结构分为上部剪力墙数值子结构和框架数值子结构,分别采用ABAQUS软件进行分析,三者协同工作,共同完成大震响应模拟。子结构混合试验结果表明,消能连梁可有效降低结构的整体响应,层间位移角降低16%、基底剪力降低21%。同时可控制连梁损伤,提高结构耗能能力。

采用界面单元协调子结构方法研究

子结构混合试验在研究复杂工程时,需要针对不同物理的物理性质划分子结构,比如土和结构,这些子结构的单元类型和网格划分通常不同,为了使混合试验更灵活地划分子结构,该文提出利用界面单元方法,基于广义变分原理,将两子域凝聚在边界上的刚度矩阵与界面单元刚度矩阵组装成耦合结构的整体刚度矩阵,进而求解新的平衡方程即可得到各个耦合子域的位移。同时,将传递函数的概念引入界面单元方法中,通过二维自由度和三维自由度之间的传递函数,解决了具有不同自由度单元的子结构之间的耦合问题。最后,利用板梁受竖向地震动作用的案例验证了界面单元和传递函数结合的方法的可行性和精确性。