设备-结构-土体系振动台实时子结构试验方法探讨

该文探讨了设备-结构-土体系振动台实时子结构试验方法的可行性,将设备-结构体系作为由振动台加载控制的试验子结构,同时将自由度缩减后的土体作为由仿真软件计算的数值子结构,试验时两者之间进行数据实时交互。首先基于分支模态子结构方法推导了设备-结构-线性土体系运动方程,并对各体系运动方程进行了变换,将其应用于设备-结构-线性土体系振动台实时子结构试验。然后结合土体在强震作用下并非全部进入非线性阶段的特点,提出采用局部非线性土模型作为数值子结构参与振动台实时子结构试验的思路,并应用分支模态子结构法与线性-非线性混合约束模态子结构法推导了设备-结构-局部非线性土体系的运动方程。设计了设备-结构-土相互作用缩尺模型,进行了各地震动作用下的设备-结构-线性土体系振动台实时子结构试验。通过比较振动台实时子结构试验结果与数值计算结果,发现两者之间吻合良好,证明该试验方法是可靠有效的。     

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...     

试件-加载系统相互作用对实时子结构试验系统稳定性影响

实时子结构试验将易于建模部分进行数值仿真,剩余部分进行物理试验,从而间接增强了既有设备的试验能力。加载系统与试验试件动力特性的耦合是影响子结构系统稳定性的关键问题。现有稳定性分析方法忽略了其耦合效应对稳定性分析精度的影响。该文建立了作动器、振动台与物理试件间的动力耦合模型,建立了可考虑耦合动力特性的稳定性分析方法,通过试验与理论分析验证了该方法的准确性。基于该方法分别讨论了试件-加载系统相互作用对基于作动器和振动台的子结构试验系统稳定性影响。分析结果表明:试件-加载系统相互作用在不同条件对子结构试验系统稳定性会不同程度的降低或提高,需要特别考虑。     

基于子结构试验的土-结相互作用实现研究

传统的土-结相互作用试验由于加载系统的出力和尺寸限制,目前只能进行大比例缩尺试验,且对于大跨空间结构、桥梁等长大型结构考虑土-结相互作用的地震作用性能,目前的试验设备也存在局限。而实时动力子结构试验方法将试验对象不可建模部分在实验室进行物理试验,剩余部分作为数值模型进行建模,二者保证同步可对整体试验对象性能进行模拟,克服了传统土-结相互作用试验研究的不足。该文应用动力子结构试验方法,对土-结相互作用问题进行了研究,建立了整体试验模型及混合动力子结构试验模型,并通过试验进行了验证。利用该文发展的子结构试验技术,分别对多跨连续刚构桥梁和钢筋混凝土高墩大跨度刚构桥梁考虑土-结相互作用抗震性能进行了试验研究,试验结果表明该方法存在一定应用价值。     

考虑局部非线性影响的设备-结构相互作用研究

针对某些设备在地震时容易破坏的特点,进行考虑设备非线性因素影响的设备-结构动力相互作用体系分析。引入了能考虑局部非线性的混合动态子结构法,并将设备作为非线性二级子结构参与分析,导出了线性与非线性耦合的混合动态子结构方程。应用该方法进行了设备-结构动力相互作用体系三种不同计算模型的地震时程响应分析。研究表明:一般情况下,考虑非线性设备与线性结构相互作用后,结构反应有所减小,设备反应增大,具体结果不仅与结构自身特性有关而且与地震动类型密切相关。提出的该方法具有计算可靠、效率高的特点。     

基于振动台的实时动力子结构实验系统稳定性预测研究

基于振动台的实时子结构试验是重要的现代结构试验技术,能很好的对土-结相互作用、减震系统（比如TLD、TMD）等动力特性进行大尺寸试件试验研究。试验系统稳定性是实现子结构试验的关键,但复杂的振动台动力特性使其稳定性预测精度还难以满足试验要求。该文结合振动台系统综合建模和根轨迹技术发展了稳定性预测方法,通过试验验证了该方法的可行性。同时从相位和幅值影响两方面对比讨论了常用分析方法的局限性,并采用该方法就结构特性对稳定性的影响进行了分析。研究结果表明考虑振动台综合模型的方法能很好的预测子结构试验系统稳定性。     

结构-设备动力相互作用试验研究

根据对6种不同类型的结构-设备组合模型体系在多维地震波作用下的振动台试验研究结果,具体分析了结构-设备组合体系的动力特性、结构与设备的抗震性能、对称结构体系与非对称结构体系的地震反应差别等问题,总结了结构-设备动力相互作用的一般特点。对结构-设备组合体系的抗震设计与进一步理论研究提出了若干建议。     

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。     

土-相邻结构相互作用子结构振动台试验研究

以土-相邻结构体系和土-单体结构体系为研究对象,依托振动台并融合子结构试验技术,通过在试验中引入分支模态方法,利用多子结构间的相互作用耦合项把地基子结构的数值计算和上部模型结构的物理试验联系起来协同分析,实现了考虑土-相邻结构相互作用(SASI)效应和土-结构相互作用(SSI)效应的子结构振动台试验。以由两个相同四层钢框架结构与地基土组成的土-相邻结构体系为例,讨论了模型结构的加速度放大系数在各地震动作用下的变化规律;对比分析了土-单体结构体系和土-相邻结构体系中模型结构的顶层位移、加速度和底部剪力,研究了SASI效应对结构动力反应的影响规律。研究表明:与土-单体结构体系相比,SASI效应使结构的地震响应峰值呈现出不同程度的下降趋势,其影响程度和地震波的频谱成分组成以及体系自身的动力特性有关。     

基于振动台的RTDHT试验及其在双层刚架结构上的应用

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。该文基于振动台构建了振动台型RTDHT试验系统,并对其动力特性进行了研究。利用所构建的RTDHT试验系统,研究了一个双层刚架结构的自振特性及动力反应,其中上层框架为物理子结构,而下层框架为数值子结构,通过两部分之间的实时数据交互得到整体结构的动力响应。将双层刚架的RTDHT试验结果与CDM数值计算结果进行了对比,结果表明二者吻合较好,基于该试验系统的RTDHT试验具有较高的精度。     

考虑主子结构动力相互作用的变电站抗震性能分析

为研究存在复杂体型和较大质量的电气设备的变电站结构抗震性能,进行了1:8的缩尺模型振动台试验,获得了结构体系在地震作用下考虑主子结构动力相互作用的整体抗震性能与结构破坏模式,同时建立了有限元数值模型对比分析试验结果。结果表明:①振动台试验模型的动力特性和地震响应结果与有限元数值模拟分析结果相一致,验证了考虑主子结构动力相互作用数值模拟模型的正确性;②带有复杂设备的变电站结构在地震作用下破坏形态与常规结构不同,电气设备的存在导致其支撑框架柱破坏现象明显,抗震设计时应采取适当的措施避免结构发生"强梁弱柱"失效模式;③大震作用下设备和结构相互作用明显,在依据抗震设计规范进行剪力计算时,应采用规范计算值的1.2倍;④电气设备的动力放大系数均大于所在楼层的动力放大系数值,其比值在1.2～1.4,超过了相应规范规定的数值,应予以重视。该变电站振动台试验与有限元模拟分析对类似生命线工程及带有复杂设备的工业建筑的抗震设计具有重要借鉴意义和参考价值。     

基于橡胶垫-质量块系统放大效应的子结构振动台试验方法

地震作用下高层建筑结构顶层的动力反应过大,会对设备的安全性及人的舒适度产生极大的影响,由于尺度的原因导致上述研究无法直接采用振动台进行试验。首先阐述了一种基于橡胶垫-质量块系统放大效应的子结构振动台试验方法;然后基于matlab进行了一个三自由度体系数值算例,新输入加速度曲线和原输入加速度曲线较为吻合,证实了地震动传递函数的有效性;最后通过小型振动台进行了三种不同地震作用下整体结构模型试验和子结构模型试验,对比后的研究结果表明:两者的顶层加速度反应曲线趋于一致,最大值几乎相同,从而验证了橡胶垫-质量块系统的放大效应和地震动传递函数对于模拟再现高层建筑结构顶层加速度反应的有效性和适用性,可为高层建筑结构抗震试验提供研究参考。     

考虑土-结构相互作用的大跨度连续刚构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, 研究SSI效应对提高桥梁结构抗震安全性十分重要。通过对一座1∶10比例的三跨连续刚构桥模型的振动台阵试验, 系统分析了SSI效应对大跨度连续刚构桥地震响应的影响规律。研究表明:SSI效应使振动台台面地震动的峰值和频谱特性发生较大变化;剪切波速和上覆土层厚度是影响SSI效应的重要因素;SSI效应会增大桥梁结构的位移和应变响应, 其影响程度与地震动的频谱特性和桥梁结构-地基体系的固有特性密切相关;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。     

不同场地条件下某新型核电厂房的地震响应试验研究

土-结构相互作用是准确模拟核电厂结构、附着系统和组件地震响应的重要因素。使用振动台多功能叠层剪切土箱模拟土体边界条件,对某新型核电厂房进行1:25缩尺模型地震模拟振动台试验。试验选取10组水平加速度地震动记录,按照运行安全地震动(OBE)0.15g、极限安全地震动(SSE)0.30g和超设计基准地震动(ULE)0.75g作为输入,研究不同地震动强度引起的场地土非线性反应,以及对楼层加速度响应的影响规律;该模型土-结构相互作用振动台试验表明,尽管在基岩场地上,场地仍然对结构的地震效应造成明显的放大作用,在OBE、SSE和ULE工况下,场地动力效应放大倍数分别为3.13、2.1和1.19,由于土体逐渐进入了非线性状态,这种放大作用随着输入地震动强度的增强而变小。因此,建议对基岩场地的条件进行界定,并建议在任何条件下均需要考虑土-结构相互作用的影响,特别是在对核电厂设备、管道抗震设计和地震裕度评估时,不考虑土-结构相互作用将造成评估结果偏小。     

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。     

高层建筑结构振动台模型试验与原型对比的研究

振动台模型试验是研究结构地震破坏机理和评价结构整体抗震能力的重要方法之一,如何正确处理试验模型与原型的相似关系以及如何由模型反应正确推导原型反应是很关键的问题。基于振动台试验,以12层的高层建筑框架结构为模型,对其进行了模型设计和试验,并运用大型非线性有限元分析软件MSC.Marc分别对原型结构和模型进行了地震作用下的动力响应分析。由模型地震反应按照动力相似关系推导出原型结构的地震反应,并将其与原型结构的计算值进行对比分析。通过对原型与模型自振特性、加速度、位移和剪力的对比,验证了模型与原型相似关系的准确性,振动台模型试验可以真实的反映原型结构的地震响应,据此,根据模型的试验结果可以对原型结构进行抗震性能的评估。     

巨-子结构控制体系振动台试验与有限元模型对比分析

为了研究巨-子结构控制体系的抗震性能,该文进行了巨-子结构控制体系的振动台试验研究。试验模型均为钢框架模型且包括三个不同的模型,分别称为抗震结构模型、隔震结构模型和隔震-底层固结模型。采用大型有限元软件SAP2000对试验模型进行了非线性时程分析,并在主结构的加速度、层间位移,子结构的层间位移以及隔震层的变形方面与试验结果进行了对比分析。结果表明:理论分析与试验研究结果吻合较好,且不论是理论计算结果还是试验实测结果,隔震结构以及隔震-底层固结结构相对于抗震结构而言,结构的响应减小明显,说明结构施加隔震装置后能有效减小结构响应,从而保证结构的安全性。     

二阶段在线迭代时滞补偿方法及试验验证

实时子结构试验是结构抗震性能研究的重要方法之一;有研究表明,液压伺服系统的时滞在实时子结构试验中产生负阻尼效应,导致试验结果不准确;而试验中时滞是时变参量,无法事先测得;因此,对实时子结构试验控制系统进行时滞补偿具有重要意义。介绍了二阶段时滞补偿的原理,将系统时滞分割为空载定时滞和负载变时滞,提出基于二阶段时滞补偿的控制方法,设计实时计算系统时滞的方法。经数值模拟和刚性构件实时子结构试验,验证所提出的时滞补偿方法具有精度高、鲁棒性好的特点。     

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。     

巨-子型结构控制体系抗震性能的试验研究

研究开发了一种新型的高阻尼比减隔震支座,设计了一个与实际工程结构相接近的Y字型巨-子结构钢模型,并分别对传统巨-子型结构抗震体系和采用新型减隔震支座连接的控制体系进行了振动台试验。结果表明,与传统的巨-子型结构抗震体系相比,新型的巨-子结构控制体系在地震作用下的反应显著降低,具有良好的减震效果。由试验观察到的该控制体系减震机理与理论分析结果相吻合,可为工程设计和应用提供参考。