土-结构-流体动力相互作用的实时耦联动力试验

针对振动台试验中无限地基难以模拟和数值分析中流-固耦合作用难以计算两个难题,将最近发展的实时耦联动力试验方法引入土-结构-流体动力相互作用问题的研究。以一个渡槽结构为例,其中渡槽-水体作为物理子结构,采用振动台进行物理试验,而无限地基作为数值子结构,采用集总参数模型进行数值模拟。两个子结构之间实时交换数据,联合评估整个耦合体系的动力响应。试验结果和有限元数值模拟结果吻合良好,表明该试验方法具有较高精度。对不同特性地基土进行的试验对比分析结果表明:对于软土地基,考虑土-结构相互作用(SSI)的结构反应幅值明显减小,周期延长;随着地基土变硬,SSI效应逐渐变弱,结构反应最终收敛至刚性地基解。

动力实时子结构试验中心差分法的稳定性

在实时子结构试验中,如果试件的反力不仅与位移有关,还与速度和加速度有关,那么对拟动力试验而言为显式方法的标准中心差分法变为隐式方法。为了使算法成为显式方法,需要引入速度和加速度的附加假定,这将导致算法的数值性能发生变化。为研究新算法的数值稳定性,在前期工作的理论基础上,针对动力子结构试件进行了试验研究。研究表明:算法的稳定性受试验子结构与数值子结构质量比的影响,且当试验子结构为动力子结构时,只要数值子结构与试验子结构的阻尼均为零,算法就是无条件不稳定的。

大尺寸非线性实时动力子结构试验实现

实时子结构试验结合物理试验和数值计算的优点,间接增强了既有设备试验能力。受数值积分算法和加载系统控制方法的限制,该方法目前仅限于结构线性或小尺寸试件非线性动力特性研究。为了改善数值子结构求解及物理子结构控制性能,基于SIMULINK发展了闭环数值积分方法、建立了基于仿真的逆动力补偿控制策略。利用这两项技术成功实现了大尺寸试件非线性实时子结构试验,并通过数值仿真和试验验证了其性能。研究表明:发展的非线性实时子结构试验充分释放了该试验技术的潜能。

振动台实时耦联动力试验系统构建解决方案

实时耦联动力试验(RTDHT)是一种将物理模型试验和数值求解计算实时耦联在一起进行整体结构动力反应分析的新型结构动力试验方法。构建实时耦联动力试验系统将面临数值子结构实时计算、数据实时传输、加载器精确加载等问题。本文首先以清华大学新近建成的一套基于振动台的实时耦联动力试验系统为例,对试验系统构建中面临的问题以及相应的解决方案进行了阐述,对构建实时耦联动力试验系统提出了一些指导性的建议。随后简要介绍了利用该系统已经进行的一些实时耦联动力试验,并对实时耦联动力试验可能的应用前景进行了探讨。

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整体结构体系的等效性。因此,如何方便、准确地获取界面反力是实现该试验方法的关键之一。文中对四种界面反力的获取方法进行了理论推导和对比分析。并通过钢框架结构模型振动台试验进行分析验证,最后给出了4种方法的适用条件及使用建议。

隔震桥梁地震反应速度控制型实时子结构试验

研究速度控制型实时子结构拟动力试验系统,并通过试验直接考察在地震中天然橡胶支座(NR)、高阻尼隔震橡胶支座(HDR)和超高阻尼隔震橡胶支座(HDR-S)等速度相关型隔震支座对桥梁的减隔震效果.速度控制型实时子结构拟动力试验系统实现实时子结构试验的速度控制,在试验过程中充分地考虑到加载速度对拟动力试验结果的影响,高精度地模拟了隔震桥梁的地震反应.试验结果证明,对于速度相关型试验试件这种试验系统拥有足够的精度.通过对比3种不同隔震橡胶支座的试验结果,证明了超高阻尼隔震橡胶支座对隔震桥梁结构具有优良的隔震减震效果.

基于虚拟振动台的实时耦联动力仿真试验

实时耦联动力试验(RTDHT)是一种将物理模型试验与数值求解计算实时耦联在一起的新型结构动力试验方法。本文采用SIMULINK对液压伺服振动台系统进行了仿真,建立虚拟振动台模型对真实振动台进行离线调试。并提出基于虚拟振动台进行实时耦联动力仿真试验,从而对真实实时耦联动力试验进行指导的思想。仿真结果表明,虚拟振动台可以很好地仿真真实振动台的动力特性,离线调试结果应用于真实振动台能够得到优良的控制性能;基于虚拟振动台的实时耦联动力仿真试验能够反映真实实时耦联动力试验中存在的时滞以及由此而可能导致的系统失稳问题。采用预测补偿算法对时滞进行了补偿,结果表明补偿算法消除了时滞的影响,试验系统稳定且试验结果与数值计算结果吻合得较好。基于虚拟振动台对实时耦联动力试验进行研究,既能对真实试验提出指导又可避免试验系统失稳对设备的损害,是一种实用且必要的研究手段。

隐式动力子结构试验的稳定性分析

探讨了当试验子结构是动力系统时等效力控制方法的仿真方法,提出了一种结合数值仿真确定算法放大矩阵的方法,运用谱半径法研究了等效力控制方法的算法稳定性.研究表明,随质量比、频率比的增大,算法的稳定界限减小;随阻尼比的比值、控制器增益KP的增大,稳定界限先增后减.与显式方法相比,等效力控制方法的稳定性较好.

土-结构动力相互作用的振动台试验研究综述

本文从土-结构动力相互作用振动台试验过程中所涉及的结构模型动力相似设计、模型土体的模拟及土体边界条件的模拟三个方面,回顾了近几年来土-结构动力相互作用振动台试验研究的发展历程与现状,重点描述了试验过程中为了更好地反映震动条件下土与结构动力相互作用的机理,学者们所采取的办法和措施。并在此基础上,介绍了一种新的研究土-结构动力相互作用的振动台试验技术。最后,总结了传统的土箱-振动台试验存在的不足,并与这种新的试验技术进行了对比,提出了对于这种新的试验方法仍需要进一步研究和解决的问题。

考虑土-结构相互作用的多跨连续梁桥振动台阵试验研究

土-结构相互作用(SSI)对软土地基上桥梁结构地震响应的影响不可忽略。通过对一座1∶10比例的四跨高架连续梁桥模型的振动台阵试验,系统地分析了SSI效应对大跨度连续梁桥地震响应的影响规律。研究表明:顺桥向地震激励下,SSI效应增大了桥墩变形、墩底受力、墩顶水平加速度及主梁水平加速度,地震响应峰值随剪切波速的减小而单调递增,说明剪切波速是影响SSI效应的重要因素;桥墩加速度响应、位移响应和应变响应对SSI效应的敏感程度有所差异,其中加速度响应对SSI效应最敏感,考虑SSI效应后增幅最大;SSI效应将引起支座相对位移的剧烈变化;实时耦联动力子结构试验技术是进行桥梁结构考虑SSI效应的振动台试验的有效方法。

新型结构抗震拟动力试验发展趋势研究

地震荷载极大的破坏性,使得结构抗震性能的研究成为一个被广泛关注的热点问题。为了提高结构抗震研究的试验能力和试验水平,近年来在传统结构抗震试验方法的基础上,出现了一些新的试验方式和方法。总结目前结构抗震试验的有效性与其局限性,并介绍了结构抗震拟动力试验(结构抗震性能的有效研究方法之一)的新进展,包括子结构动力试验、实时子结构试验、拟动力试验的网络化。

弹性半空间场地辐射阻尼影响下结构模态阻尼比实时耦联动力试验

为进行弹性半空间场地下结构动力特性的试验研究,提出以Fourier谱幅值与频率成反比、带通的平稳随机荷载作为实时耦联动力试验的激励;建立了综合运用经验小波变换(EWT)、随机减量法(RDT)和Hilbert变换进行实测结果的模态参数识别技术;土-结构相互作用体系中土体采用数值子结构模拟,地上结构采用物理子结构。对钢结构模型采用三种不同配重分别进行刚性基础和土-结构相互作用的模态参数识别试验,结果表明,所提平稳荷载激励下的实时耦联动力试验具有良好的稳定性;试验数据经EWT和RDT可得标准的自由振动信号,较好识别了体系的动力特性。因此,所提的试验和参数识别方法合理。刚性基础下框架结构的各阶模态阻尼比基本相同,且与结构的自振频率无关;在弹性半空间辐射阻尼的影响下,结构模态阻尼比远大于刚性基础下的阻尼比,且与结构的自振频率相关。

拟动力试验方法的发展与展望

结构抗震试验是模拟地震作用、分析掌握地震机制及结构抗震性能的有效方法。对拟动力试验技术的研究现状和进展进行了概括总结,分析探讨了拟动力试验特别是基于子结构技术试验的逐步积分方法、加载控制方式、误差分析、拟动力子结构试验、实时子结构试验、远程协同拟动力试验、混合子结构拟动力试验等关键技术,对比分析了拟动力试验技术与其他试验方法的差异,以及拟动力试验技术中基于子结构技术各试验方法间的区别和特点,并进一步阐述了各种拟动力试验的现存问题、应用前景,指出了需要进一步研究的方向。

结构-地基动力相互作用的实时耦联动力试验

振动台试验中如何考虑无限地基辐射阻尼是结构动力试验中的一个难题。该文采用实时耦联动力试验(RTDHT)方法,在试验系统的数值子结构中引入地基集总参数模型,将地基的数值模型计算与结构的物理模型试验实时耦联,从而实现了考虑结构-地基动力相互作用(SSI)的结构振动台动力试验。利用该方法,对一个双层结构考虑结构-地基动力相互作用的动力反应问题进行了振动台试验,并对软土地基、硬土地基两种情况下双层结构的加速度反应、层间剪力等进行了分析比较,讨论了结构-地基动力相互作用对结构动力反应的影响。试验结果与远置边界有限元计算的数值精确解进行了对比,结果表明试验具有较高的精度,能够准确反映结构-地基动力相互作用对结构动力反应的影响。基于集总参数模型的实时耦联动力试验是解决振动台试验中无限地基辐射阻尼问题的一个可行的途径。

土-结构动力相互作用的实时耦联动力试验的时滞稳定性

针对土-结构动力相互作用的实时耦联动力试验(SSI-RTDHT),以单自由度上部结构体系为例,建立了考虑振动台时滞及其补偿的数学模型;然后采用基于Padé展开逼近时滞项的根轨迹方法研究其稳定性;最后利用数值仿真验证了理论分析得出的稳定条件。研究结果表明:时滞明显地改变了系统固有模态的动力特性,并使得SSI-RTDHT成为一个条件稳定系统;稳定性随时滞和上部结构频率的增大而降低,随地基特征频率的增大而提高;上部结构阻尼比对稳定性影响不大。三阶多项式补偿会明显降低试验体系的稳定性,但可以改善固有模态的性能。

实时耦联动力试验方法理论与实践

实时耦联动力试验是将物理试验与数值计算实时耦联的一种结构动力试验方法。这一试验方法兼具了常规振动台试验与拟动力试验的优点,被认为是结构动力试验方法发展的趋势之一,成为当前结构抗震试验研究的热点。该文首先阐述了实时耦联动力试验方法的基本原理以及关键问题,并综述了实时耦联动力试验研究的发展现状;然后介绍了清华大学水工振动研究组在实时耦联试验方面的研究实践;最后提出了实时耦联动力试验亟待突破的研究问题。

考虑补偿的多自由度实时耦联动力试验时滞稳定性分析

该文首先建立考虑振动台响应时滞和时滞补偿策略的多自由度实时耦联动力试验的数学模型。然后以二层和三层框架结构为例,采用基于Padé展开逼近时滞项的根轨迹方法研究其稳定性。最后利用试验验证了理论分析得出的稳定条件。结果表明:时滞要求物理子结构和数值子结构的质量比小于一定的临界值才能保证试验的稳定;该临界值随时滞和结构自振频率的增大而降低,随结构阻尼比的增大而增大;在中低频段,三阶多项式补偿有利于提高这一临界值。

实时耦联动力试验的时滞稳定性分析

介绍了实时耦联动力试验的基本原理和研究进展。基于传递体系的纯时滞假定建立单自由度实时耦联动力试验的数学模型。利用基于Padé逼近时滞项的根轨迹分析方法求取单自由度实时耦联试验的时滞稳定条件。结果表明:质量、阻尼和刚度的单个稳定上限都随结构自振频率和时滞的增大而呈现拟周期性的变化趋势;在低频部分,稳定上限随结构自振频率和时滞的增大而减小;对于物理子结构中同时包含质量、阻尼和刚度的复合稳定条件,质量上限和下限可能同时存在。最后利用数值模拟验证理论分析得出的稳定条件。

有限元实时耦联动力试验的时滞稳定性研究

该文针对数值子结构使用有限元模型的实时耦联动力试验(FE-RTDHT)系统,建立了考虑加载体系时滞及其补偿的动力分析模型。采用根轨迹方法,进行了FE-RTDHT算例的时滞稳定特性分析,并对稳定性分析结果进行了数值仿真验证。研究结果表明:时滞明显改变了FE-RTDHT系统固有模态的动力特性,使得试验子结构质量必须小于某一临界值才能保证试验系统的稳定;三阶多项式预测补偿可以明显改善系统固有模态的动力特性,但是对系统稳定性的影响与系统失稳机理相关。

考虑行波效应的实时耦联动力试验

大型空间结构的地震响应分析须要考虑多点多维地震动输入,常规动力试验方法在研究相关问题时存在一定困难。本文将实时耦联动力试验方法引入这一问题的试验研究,以两个固支于半无限地基的单层刚架模型为例,进行了考虑行波效应的实时耦联动力试验。在试验中,两个单层刚架作为试验子结构分别在两个振动台上进行加载,半无限地基作为数值子结构用有限元法进行数值模拟,两个子结构之间实时进行数据交互,模拟地震波的传播和整体结构的动力响应。试验结果与有限元数值模拟吻合良好,该试验方法具有理想的精度,是一个研究行波效应的可靠试验方法。对不同剪切波速地基的试验结果对比分析表明,软土地基中行波效应的影响更为明显。