子结构试验的多自由度力-位移混合控制方法研究

现代结构试验通常抽取结构的一部分进行子结构拟静力或拟动力试验,同时对子结构边界进行近似处理,简化加载方案,以期在现有试验条件下满足大比例尺试验的需求。然而,这种方法应用于复杂构件时会带来较大的误差,特别是各向刚度差异很大的构件,由于各自由度之间的耦合效应,以及传统试验装置控制模式和精度的限制,难以实现轴向、剪切、弯曲以及扭转自由度之间的同步协调加载,加载误差严重影响了结构抗震性能评估试验的准确性。针对子结构试验中耦合多自由度同步协调加载问题,利用力-位移混合双闭环控制策略实现多自由度之间的解耦,采用鲁棒性PID控制方法,以减少多自由度同步协调加载过程中试件的材料非线性和加载装置的几何非线性带来的误差,提高子结构试验的精度。通过以某构件的子结构拟动力试验为例验证了所提出的力-位移混合控制方法的可行性和正确性。     

采用力控制加载的拟动力试验等效力控制方法

等效力控制方法是求解非线性方程的隐式积分方法,可很好地应用到拟动力试验中。但是这种方法是基于位移控制加载提出的,对于大刚度结构拟动力试验,采用位移控制加载试验将难以进行,为此提出了力控制加载模式下的等效力控制方法。通过设计一个反力分配系数,使得加载设备采用力控制模式工作,并且采用比例-积分控制器实现等效力的反馈控制。理论分析和数值模拟表明,该方法是一种无条件稳定、无需数值迭代求解的数值积分方法;当选取了合适的控制器参数时,就能消除控制系统的稳态误差。试验结果证明,对于大刚度结构拟动力试验,采用力控制加载得到的试验结果要比采用位移控制得到的结果准确。研究表明,该方法可以很好地应用到大刚度结构拟动力试验中。     

等效力控制方法在连梁阻尼器拟动力子结构试验中的应用

等效力控制方法用反馈控制求解拟动力试验隐式逐步积分方法的非线性方程,避免了复杂耗时的迭代过程。这篇文章成功应用等效力控制方法完成了以连梁阻尼器为试件的拟动力子结构试验,检验了其对双肢剪力墙结构的减震效果。这篇文章介绍了等效力控制方法原理和一些关键参数的选取方法,介绍了装有连梁阻尼器的双肢剪力墙结构模型,并对此结构模型进行了拟动力子结构试验。研究结果表明：通过合理选取等效力控制器和力-位移转换系数,等效力控制方法具有很好的稳定性和精度;连梁阻尼器对双肢剪力墙结构反应有很好的控制效果。     

采用等效力控制方法的非线性结构实时子结构试验

等效力控制方法用反馈控制代替数学迭代过程求解实时子结构试验隐式逐步积分方法的非线性方程。对于非线性结构试验,采用比例-微分(PD)控制器的等效力控制方法会使等效力响应产生稳态误差,从而使试验结果失真。文章用比例-积分(PI)控制器代替PD控制器以解决此问题。介绍了实时子结构试验等效力控制方法,进行了等效力控制器设计,并通过数值模拟和试验验证了采用PI控制器的等效力控制方法对非线性结构实时子结构试验的有效性。数值模拟与试验的结果都表明,对于非线性体系的试验,采用PI控制器的等效力控制方法可以取得非常好的效果。     

子结构法在结构拟动力试验中的应用

本文从子结构的原理出发，推导了子结构法法用于动力分析的基本公式，对在地震作用过程中，已知结构的线性反应部分和非线性反应部分的情况，采用线性子结构与非线性子结构耦合的分析方法，这样不仅节省费用，并且概念明确，有助于将结构分析的重点放在非线性反应部分，在此基础上，借助于结构振动的主模态，提出了采用耦合法进行拟动力试验的方法，并通过一模型的拟动力试验就计算方法和模型结构的若干反应性能进行了探讨和研究。     

高阶单步拟动力试验算法

由于高阶单步法具有无条件稳定、优良的算法阻尼特性、无超越现象、截断误差为Δt5的特性,已成功地应用于结构地震非线性反应分析、主动半主动及智能振动控制、刚度解析表示的动力反应等分析。该文根据结构拟动力试验的特点,考虑到试验中系统所能达到的精度条件,引入等效剪切刚度的思想,提出了高阶单步拟动力试验算法。单自由度和两自由度数值模拟算例分析以及3层足尺拟动力试验结果,证实了算法的可行性和优越性。     

考虑弯曲变形影响时子结构拟动力试验方法的研究

本文针对砌体结构子结构似动力试验中界面弯矩模拟问题进行专题研究，提出了界面弯矩的精确模拟方法，通过试验结果对比可以看出，采用不同的模拟方法对计算结果有较大的影响。     

多自由度实时子结构试验系统稳定性分析方法

实时子结构试验将数值模拟和物理试验相结合,充分发挥各自优点,为工程结构研究提供了一种新的试验手段。系统稳定性是保证实时子结构试验成功实现的前提,但现有研究成果主要针对单自由度结构,多自由度系统稳定性评价方法所需参数相对复杂、稳定性指标物理意义不够明确。该文结合振型叠加法和增益裕度概念发展了多自由度稳定性分析方法,通过试验验证了该方法的有效性。同时运用该方法就时滞补偿下实时子结构试验系统稳定性进行了评估,并阐述了时滞补偿对实时子结构试验系统稳定性的影响机理。研究结果表明该方法能准确评价多自由度子结构试验系统稳定性,时滞补偿对子结构稳定性可能产生有利也可能产生不利影响。     

弹性试件的实时子结构试验等效力控制方法

等效力控制方法用反馈控制代替迭代过程求解实时子结构试验隐式逐步积分方法的非线性方程。通过对具有弹性试件体系的数值模拟和试验进一步验证实时子结构试验等效力控制方法的有效性。首先介绍实时子结构试验等效力控制方法的原理;然后以一单自由度体系为例介绍比例-微分等效力控制器的设计方法,并用劳斯判据分析反馈控制系统的稳定性;接着对一具有弹性试件的单自由度体系进行单步输入反应、自由振动反应和受迫振动反应的数值模拟;最后通过对具有弹簧试件的单自由度体系的单步输入、自由振动和受迫振动反应的实际试验验证此方法的有效性。分析结果表明,只要反馈控制系统中各参数均选正值此系统就是稳定的。数值模拟和试验的结果都表明,等效力控制方法可以取得非常好的稳定性和精度。     

外环位移控制与内环力控制的拟动力试验方法

对于大刚度结构试验,采用传统的位移控制加载试验难以进行,为此提出了外环位移控制、内环力控制的混合控制加载方法。在结构上设置外接高精度位移传感器测量位移反应,并设计位移控制器实现结构位移的反馈控制,同时采用一个位移与力转换系数,把位移命令转换为力命令使得加载设备采用力控制加载模式工作。为了验证该方法的有效性,首先介绍该方法的原理,然后进行数值模拟与试验验证。数值模拟和试验结果都表明,当选用合理的控制器参数时,该方法具有非常好的稳定性和精度,要优于传统拟动力试验方法,并且可以实现小位移的精确加载和测量,试验结果更准确。同时该方法中的内环采用力控制要比采用位移控制得到的试验结果更精确。研究表明,该方法可以很好地完成大刚度结构的拟动力试验。     

基于速度的显式等效力控制方法的研究

该文采用等效力控制(EFC)来求解在实时子结构试验中的速度差分方程,采用反馈控制取代数学迭代来求解非线性动力方程。谱半径分析表明,由于准确地模拟了速度响应,结合显式Newmark-β算法的等效力控制方法的稳定界限与系统的阻尼系数无关,在不同阻尼比下稳定界限保持为Ω=2,具有良好的数值特性。而直接预测速度的中心差分法和采用线性插值模拟速度的平均加速度等效力控制方法,其稳定界限随着系统阻尼比的增大而降低,对于过阻尼结构(阻尼比大于1),原本无条件稳定的平均加速度等效力控制方法变为条件稳定:对于阻尼比为1.05的动力系统,其稳定界限为Ω=1.45。最后,采用该文方法对安装磁流变(MR)阻尼器的单自由度结构的地震响应进行数值分析,结果表明该文方法能正确跟踪结构速度和位移命令,因而对于速度相关型结构体系,具有良好的适用性和精确性。     

密肋复合墙体在拟动力试验下的抗震性能研究

密肋复合墙体是密肋壁板结构体系的主要受力构件，其抗震性能及动力特性是密肋壁板结构体系计算理论的核心内容。通过对密肋复合墙体进行拟动力试验研究，介绍墙体的主要破坏形态和破坏过程；分析墙体的动力反应、滞回曲线和骨架曲线；提出墙体的恢复力模型；最后对墙体在不同加速度峰值地震波作用下的破坏程度进行损伤评定。理论研究与试验结果表明：墙体中的砌块、肋格、外框能够在试验的弹性阶段、弹塑性阶段、破坏阶段依次发挥作用，具有多道抗震防线；墙体在遭受小震或中震后，具有稳定的水平承载能力及良好的耗能性能，在遭受大震后，仍具有良好的抗倒塌能力；墙体的恢复力模型可以采用退化四线型；墙体的损伤指数可以用来评定墙体在遭受地震后的破坏程度。     

用于阻尼器试验的斜拉索等效模型建模

该文提出一种便于试验室内布置的短梁模型等效斜拉索,利用该模型可进行足尺拉索阻尼器试验研究。等效原则为,附加阻尼器后等效模型一阶振动频率及模态阻尼与其原型按张紧弦理论计算得到的相应值相等。该文首先提出了等效模型的概念及参数;然后,对比水平张紧弦-线性粘滞阻尼器系统的振动分析理论,对等效模型进行了自由振动和有阻尼振动的参数分析,采用数值方法分析了模型的振动特性;最后比较模型与原型的振动特性,提出确定模型参数的方法。数值模拟结果表明:按上述方法得到的等效模型与原型一阶振动频率及附加相同阻尼器后模态阻尼比的差值均小于5%,等效模型具有良好的精度。     

基于能量守恒积分的子结构试验方法

为了提高子结构试验技术对非线性结构的稳定性,把无条件稳定的能量守恒逐步积分方法实施于子结构试验中,提出基于该逐步积分方法的子结构试验方法(以下简称能量守恒子结构试验方法)。在试验方法中采用等效力控制方法求解隐式差分方程。在试验流程图中提出模块CR的计算方法,从而解决了能量守恒方法实施于子结构试验的关键问题。然后对单自由度线性结构和非线性结构的能量守恒子结构试验进行数值仿真,结果表明提出的试验方法是可行的。最后实现了线性弹簧试件、非线性防屈曲支撑试件的能量守恒子结构拟动力试验,试验结果进一步证明了该试验方法对线性结构和非线性结构都是可行的。     

带摩阻控制装置双肢剪力墙模型的振动台试验研究

通过普通剪力墙模型和在连梁跨中设置摩阻控制装置的新型剪力墙模型的振动台对比试验研究，表明这类新型剪力墙可通过摩阻控制装置的工作来有效地控制结构的动力特性和地震反应，从而有效地推迟剪力墙非弹性状态的出现，并能大大减轻结构的破损程度，表现出较好的抗震性能。     

基于可变摩擦阻尼力的斜拉索半主动控制算法

通过比较线性粘滞阻尼器和摩擦型阻尼器的耗能,发现斜拉索采用摩擦型阻尼器获得的最大附加阻尼高于相应的线性粘滞阻尼器,进而提出了基于可变摩擦阻尼力的斜拉索半主动控制算法。该算法通过控制阻尼器位置处的拉索位移振幅来实时调节阻尼力,使其始终满足拉索-阻尼器系统的最优阻尼力幅值与最优阻尼器位移幅值的对应关系。按摩擦型阻尼器的方式耗能,系统获得的最大附加阻尼总是高于线性粘滞阻尼器的被动最优控制,且与振动频率无关,可以实现斜拉索的变频率多模态振动控制。最后,分别针对斜拉索的自由振动和简谐强迫振动进行了半主动控制算法的数值模拟,验证了其减振效果。     

海底管道悬跨段流致振动实验研究及涡激力模型修正

对输送液体的模型管道进行了涡激振动试验研究,试验结果表明:当理论涡脱频率与管道的固有频率不一致时,作用在振荡管道上的涡激力并非简谐扰力,而是具有一定带宽的窄带随机扰力。因此,管道的涡激振动响应也是一个随机过程。当理论涡脱频率与管道的固有频率接近时,管道的涡激振动响应逼近简谐振动。试验结果也表明:作用在振荡圆柱体上的涡激力频率不仅是流速和圆柱体直径的函数,也是圆柱体固有频率的函数。     

用MTS电液伺服结构试验系统进行结构拟动力试验的控制程序研究

本文采用中心差分法,并结合美国 MTS 的工具软件编写出了多质点弹塑性体系单向拟动力试验的控制程序,具有人机对话、软件中断、操作简便等特点,可直接绘出试验测得的滞回曲线和位移、速度、加速度、恢复力等。试验表明:该程序可以实现边加载,用200秒时间即可完成 G_3地震波反应计算,可称为准动力试验。     

铁路桥梁列车制动力的试验研究与计算分析

列车制动力是作用于铁路桥梁结构设计的重要荷载之一。通过对货运机车车辆制动参数和制动特性的试验研究,对列车单元车体最大制动力进行了理论分析和计算;编制了计算程序ZDL,通过对我国不同长度的现营重载货运列车编组的动力计算,得到了不同长度桥梁结构的最大制动力率为0.2和有效制动力率为0.17。与实际桥梁紧急制动试验结果值对比符合较好。进一步提出了对重载货运列车紧急制动进行全过程动态描述的动力计算方法。为确定我国铁路桥梁制动力荷载提供了实桥试验研究结果和理论分析依据。     

火灾下钢-混凝土组合梁内力变化的试验研究

实际工程中,钢-混凝土组合梁大多具有轴向约束,从而使得组合梁在大变形时产生悬链线效应来继续承担外部荷载。为研究火灾下钢-混凝土组合梁的悬链线效应产生机制,开展了2块足尺钢-混凝土组合梁的火灾试验,测试组合梁截面内力随受火时间的变化过程。介绍了试件设计、加载方案和测量内容,描述了相关试验现象及破坏特征,得出以下主要结论：升温时,组合梁截面温度梯度分布变化较大且易产生附加弯矩,对组合梁极限承载能力产生不利影响;火灾下组合梁的破坏模式主要表现为梁端负弯矩处形成明显的塑性铰,同时板底钢梁的受拉下翼缘出现整体侧向失稳,这与常见单个钢梁的受压翼缘屈曲而整体失稳的现象相悖;荷载比是影响组合梁抗火性能重要的参数之一;通过实测得到火灾发生时组合梁内力的变化过程,分析出在同等条件下的相同时间内,荷载值越大组合梁悬链线效应越明显。