拟动力试验方法的发展与展望_倪志伟

　第25卷增刊

2010年10月

灾　害　学

J O U R N A LO FC A T A S T R O P H O L O G Y

V o l.25N o.S0

O c t.2010拟动力试验方法的发展与展望＊

倪志伟,纪金豹,杜阳阳

(北京工业大学建筑工程学院,北京　100124)

摘　要: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。

关键词:拟动力试验;子结构;远程协同;实时子结构;混合试验

中图分类号:P315 文献标识码:A 文章编号:1000-811X(2010)S0-0079-06

0　引言

近年来地震灾害的频发使得分析建筑结构的地震破坏机理和提升其抗震能力成为当务之急。作为评判结构抗震性能、研究结构抗震机理不可替代的重要手段,结构抗震试验受到了工程界和研究者的广泛重视。目前结构抗震试验主要有拟静力试验、拟动力试验、地震模拟振动台试验三种途径。拟静力试验对设备性能要求低,应用最为广泛,能最大限度的提供试件刚度、承载力、变形和耗能能力等信息,但加载时间和方式不能真实再现地震作用下结构反应的全过程。地震模拟振动台试验能直接、真实地反映结构在地震过程中的受力性能和破坏特征,但由于振动台规模、尺寸和承载能力的限制,难以进行大比例模型或足尺结构的试验研究,且较难满足相似条件,易导致地震作用破坏形态失真。拟动力试验通过计算机模拟和试验的有效结合,可以慢速再现大比例模型(或足尺)结构在地震作用下的弹性—弹塑性—倒塌全过程反应,克服了上述两种试验方法的不足,具有良好发展前途和广泛应用前景的。

随着拟动力试验研究的发展,特别是子结构技术的引入,使得实验对象尺寸减小,从而降低了对试验设备仪器的要求,减少了实验的成本。随着速度相关型振动控制装置的出现,实时子结构试验也应运而生[1-22]。基于网络平台以实现各实验室资源共享、提高实验能力的远程协同拟动力试验在欧、美、日韩及中国都有了初步研究[23-30]。此外,地震模拟振动台子结构混合实验技术也引起学者的关注[31-37]。本文对拟动力试验技术及其他试验方法进行了对比分析,并进一步阐述了各种拟动力试验的现存问题、应用前景,并对其发展方向进行了探讨。

1　常规拟动力试验技术

拟动力试验方法是在1969年由日本学者高梨(M.H a k u n o)等首次提出[38],是计算机与加载作动器联机求解结构动力方程的方法,其实验对象为整体结构。由于结构在地震作用下总是薄弱部位首先破坏,所以在拟动力试验中将处于弹塑性状态的、恢复力具有复杂非线性特征的部位或构件作为试验子结构,通过试验直接获得其恢复力;而其余处于弹性状态的,恢复力呈线弹性特征的构件作为计算子结构,通过计算机进行恢复力模拟。整体结构由试验子结构与计算子结构组成,两者统一于动力方程中求解得到整体结构的地震反应,称其为子结构拟动力试验。子结构技术可以对大型复杂结构的抗震性能进行试验研究,最大限度地发挥设备的功能[39],具有操作灵活、试验成本低廉的优点。但是由于在求解的动力方程

＊收稿日期:2010-09-25

基金项目:北京市自然科学基金资助项目(8093031);校青基金资助项目(97004012200701)

作者简介:倪志伟,男,硕士研究生,主要从事结构试验技术方面的研究.E-m a i l:n z w509@126.c o m

灾　害　学25卷

时算法本身会产生误差,而且加载控制的精度偏差会使得误差进一步加大,以至会影响实验的准确性,甚至出现计算结果发散引起试验失控的后果。所以多年以来许多学者都致力于逐步积分算法和加载控的研究以期最大限度的减少误差,保证试验结果的有效性。

1.1　拟动力试验数值积分方法

数值积分方法的改进是拓展拟动力试验范围、完善拟动力试验技术的重要方面,它直接影响积分过程的稳定和试验误差的大小。常见的数值积分方法有:中心差分法、线性加速度法、N e w m a r k -β法、修正N e w m a r k法、高阶单步法、龙格库塔法、状态空间法等。其中中心差分法、修正N e w-m a r k法、N e w m a r k-β法为显式方法,为有条件稳定算法,对积分步长有限制[40]。相应的隐式方法有隐式N e w m a r k-β法等,其计算精度优于显式方法,为无条件稳定且具有较好的能量耗散性,但是由于隐式求解需要迭代,所以在拟动力试验中较少采用。

子结构拟动力试验中常用数值积分方法有中心差分N e w m a r k法(C D M-N e w m a r k法)、预测校正N e w m a r k法(P C M-N e w m a r k法)和O S方法(O p-e r a t o r S p l i t t i n g)[41-42],对试验子结构和计算子结构可采用不同的积分方法。具有良好稳定性是对拟动力试验数值积分方法的基本要求之一,子结构方法的引入为稳定性更好的隐式积分方法提供了条件。中央差分N e w m a r k法(C D M-N e w m a r k法)试验中,对试验子结构仍采用传统的数值显示积分算法,而对计算部分则采用稳定性更好的隐式积分算法从而形成组合的数值积分算法。预测校正N e w m a r k法(P C M-N e w m a r k法)认为预测位移就是拟动力试验中试件所需达到的目标位移,而校正位移只用于下一步预测位移计算。O S方法由M.N a k a s h i m a等人提出[44-45],为实现自由度较多、刚度较大的子结构试验提供了途径。现有研究表明,当结构是软化型滞回特性时,O S方法为无条件稳定。

1.2　拟动力试验加载控制策略

常规拟动力与拟动力子结构试验在加载控制方面基本相同。从拟动力试验复杂程度而言,拟动力试验经历了单自由度※等效单自由度※多自由度※多维多点拟动力试验的发展过程,而在控制方式上经历了位移控制※力控制※力-位移联合控制方法的发展历程。

位移控制方法简单易行,发展较成熟,采用也较普遍。但当结构自由度增多,结构刚度加大时,位移反应较小从而导致控制精度不够使得试验无法有效完成,对此李暄等对作动器传感器进行了改进,采用力控制方法进行试验[46],但也只能用于恢复力曲线下降段之前,进入下降段后则无法进行的拟动力试验。为此,田石柱等提出了力-位移混合控制方法[47],可进行大刚度多自由度结构弹性、弹塑性和破坏的全过程拟动力试验。随着各种大型、复杂结构的不断推出,对拟动力试验要求也逐步提高,就如何进一步进行设备改进、减小控制误差、保证试验有效性等方面还需要开展进一步研究。

1.3　拟动力试验的误差分析方法

拟动力试验的误差由多方面因素引起,概括起来有:①离散化误差,即由试件离散化,时间离散化、积分方法的选取及阻尼假定等引起;

②系统误差,即由加载控制设备性能、控制方式、A/D,D/A转换器的分辨率、作动器的控制精度、位移传感器和力传感器的测量精度等引起。拟动力试验数值计算需要引入试验实测反馈数值,因而不可避免将试验系统的误差引入数值积分环节,有可能导致误差过大而引起试验失败。误差的改善需要在联机比例系数的确定、仪器的精度及分辨率、液压供油系统、粘性阻尼的考虑等方面开展研究工作[40]。

除此之外,子结构边界条件的处理,特别是以弯曲变形为主的平动-转动耦联型结构的边界条件处理,尚需开展进一步的研究工作。国内子结构试验软件开发方面虽已有诸多研究[39],但是与通用有限元软件相比,拟动力试验控制软件所能考虑的结构类型还相当有限,极大地限制了拟动力试验的应用范围。

2　实时子结构试验技术

常规拟动力试验和子结构拟动力试验无法考虑试件的速度相关性和试验加载的实时性,仅是慢速再现地震破坏的全过程。由于结构控制技术的发展,出现了与速度、加速度相关(如T M D、T L D等)的控制装置,基于这一难题,1992年, N a k a s h i m a等提出了实时子结构试验方法(R S T, R e a l-t i m e S u b s t r u c t u r e T e s t i n g)[1]。该试验方法将结构分为数值子结构和试验子结构,将与速度、加速度相关且呈现复杂非线性的结构部分作为试验子结构,由真实试验模拟;结构其余部分作为

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