專利名稱：一種用于考慮土結(jié)相互作用的多維多點(diǎn)抗震實(shí)驗(yàn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種抗震實(shí)驗(yàn)方法，特別是一種用于考慮土結(jié)相互作用的多維多點(diǎn)抗 震實(shí)驗(yàn)方法，屬于建筑結(jié)構(gòu)抗震試驗(yàn)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
1992年日本學(xué)者Nakashima首次實(shí)現(xiàn)的動(dòng)力子結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)將結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位或非線 性部分作為物理實(shí)驗(yàn)對(duì)象，剩余方便數(shù)學(xué)描述的部分進(jìn)行數(shù)值模型，二者之間通過(guò)界面相 互作用量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換有機(jī)的結(jié)合在一起。與現(xiàn)有其它抗震試驗(yàn)方法相比具有以下優(yōu)點(diǎn) 避免了對(duì)整體結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行實(shí)時(shí)實(shí)驗(yàn)的必要性，從而使得在現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)條件下對(duì)結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部 位進(jìn)行足尺實(shí)時(shí)實(shí)驗(yàn)成為可能；由于實(shí)驗(yàn)中能夠采用大尺寸物理試件，因而大大減弱了尺 寸效應(yīng)及因尺寸效應(yīng)引起的非線性；由于進(jìn)行的實(shí)時(shí)實(shí)驗(yàn)，因此能有效地模擬結(jié)構(gòu)的率相 關(guān)性及慣性特性。20世紀(jì)初至今，土-結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用已經(jīng)取得了大量理論研究成果，但受設(shè)備 和方法的限制，試驗(yàn)研究方面還很欠缺。土 -結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用分析方法可分為整體法和 子結(jié)構(gòu)法，整體法試驗(yàn)研究主要包括大比例和小比例縮尺試驗(yàn)，小比例縮尺試驗(yàn)直接將大 比例試驗(yàn)?zāi)Ｐ徒ㄔ煸诎霟o(wú)限土體上，這類試驗(yàn)?zāi)芡耆M實(shí)際土 -結(jié)構(gòu)綜合系統(tǒng)，但只能 進(jìn)行結(jié)構(gòu)自振特性方面的研究，無(wú)法模擬地震輸入，小比例試驗(yàn)將半無(wú)限土體簡(jiǎn)化為有限 邊界，用一定尺度土箱模擬實(shí)際土體，將結(jié)構(gòu)同土和結(jié)構(gòu)結(jié)合在一起進(jìn)行其相互作用研究， 將整體作為試驗(yàn)對(duì)象。這類試驗(yàn)?zāi)軐?duì)實(shí)際地震動(dòng)進(jìn)行模擬，但對(duì)試驗(yàn)設(shè)備尺寸和出力要求 很高，目前實(shí)驗(yàn)條件只能進(jìn)行大比例縮尺試驗(yàn)，且無(wú)法考慮有地基的半無(wú)限性產(chǎn)生的輻射 阻尼，即便如此，對(duì)于橋梁、大跨等長(zhǎng)大型結(jié)構(gòu)需要研究其在多維多點(diǎn)地震作用下的性能， 目前的試驗(yàn)設(shè)備仍無(wú)能為力。子結(jié)構(gòu)法停留在理論研究階段，上述子結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)的出現(xiàn)為土 結(jié)相互作用實(shí)驗(yàn)研究提供了契機(jī)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為了克服上述缺陷，提出了一種用于考慮土-結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用、進(jìn)行長(zhǎng) 大型結(jié)構(gòu)多維多點(diǎn)抗震性能實(shí)驗(yàn)研究的實(shí)驗(yàn)方法。該方法將半無(wú)限土體作為數(shù)值實(shí)驗(yàn)?zāi)?型、將建筑結(jié)構(gòu)作為物理實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停ㄟ^(guò)界面反力和界面動(dòng)力響應(yīng)的傳遞使得土體和上部 建筑結(jié)構(gòu)有機(jī)結(jié)合，而后通過(guò)子結(jié)構(gòu)系統(tǒng)控制器的優(yōu)化設(shè)計(jì)使得土模型與上部建筑結(jié)構(gòu)之 間無(wú)縫連接，對(duì)多振動(dòng)臺(tái)系統(tǒng)采用局部控制策略，按圖1所示基本原理實(shí)現(xiàn)基于多振動(dòng)臺(tái) 的實(shí)時(shí)動(dòng)力子結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)，以用于長(zhǎng)大型結(jié)構(gòu)考慮土-結(jié)相互作用的多維多點(diǎn)抗震性能實(shí)驗(yàn) 研究。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取了如下技術(shù)方案一種用于考慮土結(jié)相互作用的多維多點(diǎn)抗震實(shí)驗(yàn)方法，其通過(guò)分割建筑結(jié)構(gòu)和半 無(wú)限土體組成的相互作用系統(tǒng)，利用實(shí)時(shí)動(dòng)力子結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)原理，將土體作為數(shù)值計(jì)算模型、 建筑結(jié)構(gòu)作為物理實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，二者之間通過(guò)界面反力和界面響應(yīng)相互連接，并基于地震模擬振動(dòng)臺(tái)臺(tái)陣系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)考慮土-結(jié)相互作用的多維多點(diǎn)抗震性能實(shí)驗(yàn)研究方法。實(shí)現(xiàn)原理 如圖2所示，而實(shí)時(shí)動(dòng)力子結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)的實(shí)現(xiàn)流程如圖3所示。主要包括以下步驟步驟1、根據(jù)所研究建筑結(jié)構(gòu)具體動(dòng)力特性和場(chǎng)地特性，在地基阻抗函數(shù)時(shí)域模型 現(xiàn)有研究成果中選取適合于對(duì)應(yīng)建筑結(jié)構(gòu)研究目的時(shí)域土模型，并求取相關(guān)參數(shù)；步驟2、根據(jù)所研究建筑結(jié)構(gòu)具體特點(diǎn)，在基于振動(dòng)臺(tái)的動(dòng)力子結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)有界面 反力獲取方法中選取合適的界面反力獲取方法；步驟3、根據(jù)選取的土模型特點(diǎn)，結(jié)合現(xiàn)有動(dòng)力方程積分算法優(yōu)缺點(diǎn)，選取適合于 數(shù)值子結(jié)構(gòu)求解的數(shù)值算法；步驟4、根據(jù)選取的土模型特點(diǎn)及振動(dòng)臺(tái)特性進(jìn)行相應(yīng)子結(jié)構(gòu)控制算法程序優(yōu)化， 以提高控制精度、改善控制穩(wěn)定性；步驟5、選取合適的硬件和軟件設(shè)備，將步驟1-4進(jìn)行集成，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)。所述步驟1具體為根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性和建筑結(jié)構(gòu)所在地場(chǎng)地特性及相關(guān)研 究目的，選擇時(shí)域地基土模型和頻域地基理論解，結(jié)合時(shí)域模型收斂準(zhǔn)則和精度控制準(zhǔn)則 優(yōu)化擬合獲取時(shí)域模型相關(guān)參數(shù)，本發(fā)明中已集成了集總參數(shù)模型及時(shí)域遞歸模型等常用 時(shí)域模型；所述步驟2具體為在現(xiàn)有的基于速度、位移獲取界面反力、基于應(yīng)變計(jì)獲取界面 反力、基于力傳感器直接測(cè)量反力以及基于加速度通過(guò)慣性力獲取界面反力等四種方法中 權(quán)衡各自優(yōu)缺點(diǎn)及設(shè)備配置情況，選擇一種適合所研究建筑結(jié)構(gòu)研究目的的方法；所述步驟3具體為針對(duì)所選用土模型復(fù)雜程度和軟硬件計(jì)算效率，權(quán)衡各動(dòng)力 方程求解算法的計(jì)算效率、穩(wěn)定性收斂準(zhǔn)則及計(jì)算精度選擇合適求解算法，本發(fā)明中已集 成了中心差分法、Newmark法及龍格庫(kù)塔等常用求解算法；所述步驟4具體為結(jié)合建筑結(jié)構(gòu)研究目的和土模型、數(shù)值模型求解算法穩(wěn)定性 及精度準(zhǔn)則以及振動(dòng)臺(tái)物理特性等因素，優(yōu)化設(shè)計(jì)子結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)控制器。所述步驟5具體為利用高性能工控機(jī)結(jié)合高分辨率多功能PCI數(shù)據(jù)采集卡與 MATLAB/SIMULINK軟件共同組成子結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)控制器，由PCI數(shù)據(jù)采集卡實(shí)現(xiàn)軟硬件交互，進(jìn) 行數(shù)據(jù)采集和指令傳輸，傳輸?shù)闹噶钪边_(dá)振動(dòng)臺(tái)臺(tái)陣系統(tǒng)控制器，臺(tái)陣系統(tǒng)采用分布式控 制策略，以實(shí)現(xiàn)多維多點(diǎn)動(dòng)力子結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)。與土 -結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)方法相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)如下(1)避免了將土體和建筑結(jié)構(gòu)同時(shí)作為實(shí)驗(yàn)試件進(jìn)行實(shí)時(shí)實(shí)驗(yàn)的必要性，大大降 低了實(shí)驗(yàn)設(shè)備的要求，使得在現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)設(shè)備條件下采用較大尺寸實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行土-結(jié)構(gòu)動(dòng) 力相互作用實(shí)驗(yàn)研究成為可能，從而大大減弱了尺寸效應(yīng)及因尺寸效應(yīng)引起的非線性對(duì)實(shí) 驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生的影響；(2)與地震模擬振動(dòng)臺(tái)臺(tái)陣系統(tǒng)相結(jié)合，可模擬多維多點(diǎn)地震作用，同時(shí)將土 -結(jié) 相互作用考慮在內(nèi)，能對(duì)建筑結(jié)構(gòu)抗震性能影響因素進(jìn)行更全面的研究；(3)此外，由于本方法可以將結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的關(guān)鍵部分作為實(shí)驗(yàn)試件，大大釋放了實(shí)驗(yàn) 設(shè)備能力，因此使得在考慮土結(jié)相互作用、減隔震部件及多維多點(diǎn)地震動(dòng)等綜合影響因素 的條件下，對(duì)結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位進(jìn)行非線性抗震性能實(shí)驗(yàn)研究成為可能。


圖1 土-結(jié)相互作用動(dòng)力子結(jié)構(gòu)基本原理；圖2 土-結(jié)相互作用子結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)原理；圖3本發(fā)明方法實(shí)現(xiàn)流程圖；圖4頻域土模型；圖5兩種時(shí)域土模型，其中圖5 (a)為8參數(shù)集總參數(shù)模型，圖5 (b)為時(shí)域遞歸模 型；圖6子結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)控制框圖；圖7三參量及線性控制器綜合控制系統(tǒng)；圖8單維單點(diǎn)實(shí)時(shí)子結(jié)構(gòu)試驗(yàn)架構(gòu)；圖9多維多點(diǎn)實(shí)時(shí)子結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)架構(gòu)。圖中，1為建筑結(jié)構(gòu)，2為地基土，3為作動(dòng)器，4為振動(dòng)臺(tái)，5為振動(dòng)臺(tái)控制器，6為 子結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)控制器，7為A/D、D/A數(shù)據(jù)卡，8為基礎(chǔ)，9為半無(wú)限土體，10為地震動(dòng)
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的技術(shù)方案參見(jiàn)圖3所示，結(jié)合相關(guān)附圖，下面詳細(xì)介紹本發(fā)明的實(shí)施步 驟(1)數(shù)值土模型選取研究結(jié)果表明，地基阻抗可以用圖4所示的頻域模型來(lái)描 述，圖中Kh、Kr分別為地基阻抗函數(shù)和頻域阻抗剛度，而有關(guān)結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的計(jì)算大多在時(shí) 域中進(jìn)行，同時(shí)動(dòng)力子結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)要求實(shí)時(shí)在線實(shí)現(xiàn)，無(wú)法進(jìn)行離線轉(zhuǎn)換或迭代，因此需要將 地基土模型轉(zhuǎn)換到時(shí)域，常用的時(shí)域模型包括圖5中的集總參數(shù)模型(圖5(a))和時(shí)域遞 歸模型(圖5(b))。圖5(a)圖中^；、、 分別為該模型對(duì)應(yīng)質(zhì)量、剛度阻尼，圖5(b)圖 中kb、cb分別表示剛度和阻尼，F(xiàn)d可以表示為
權(quán)利要求
1.一種用于考慮土結(jié)相互作用的多維多點(diǎn)抗震實(shí)驗(yàn)方法，其通過(guò)分割建筑結(jié)構(gòu)和半 無(wú)限土體組成的相互作用系統(tǒng)，利用實(shí)時(shí)動(dòng)力子結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)原理，將土體作為數(shù)值計(jì)算模型、 建筑結(jié)構(gòu)作為物理實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，二者之間通過(guò)界面反力和界面響應(yīng)相互連接，并基于地震模 擬振動(dòng)臺(tái)臺(tái)陣系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)考慮土-結(jié)相互作用的多維多點(diǎn)抗震性能實(shí)驗(yàn)研究方法，其特征在 于主要包括以下步驟步驟1、根據(jù)所研究建筑結(jié)構(gòu)具體動(dòng)力特性和場(chǎng)地特性，在地基阻抗函數(shù)時(shí)域模型現(xiàn)有 研究成果中選取適合于對(duì)應(yīng)建筑結(jié)構(gòu)研究目的時(shí)域土模型，并求取相關(guān)參數(shù)；步驟2、根據(jù)所研究建筑結(jié)構(gòu)具體特點(diǎn)，在基于振動(dòng)臺(tái)的動(dòng)力子結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)有界面反力 獲取方法中選取合適的界面反力獲取方法；步驟3、根據(jù)選取的土模型特點(diǎn)，結(jié)合現(xiàn)有動(dòng)力方程積分算法優(yōu)缺點(diǎn)，選取適合于數(shù)值 子結(jié)構(gòu)求解的數(shù)值算法；步驟4、根據(jù)選取的土模型特點(diǎn)及振動(dòng)臺(tái)特性進(jìn)行相應(yīng)子結(jié)構(gòu)控制算法程序優(yōu)化，以提 高控制精度、改善控制穩(wěn)定性；步驟5、選取合適的硬件和軟件設(shè)備，將步驟1-4進(jìn)行集成，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于考慮土結(jié)相互作用的多維多點(diǎn)抗震實(shí)驗(yàn)方法，其特 征在于所述步驟1具體為，根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性和建筑結(jié)構(gòu)所在地場(chǎng)地特性及相關(guān)研 究目的，選擇時(shí)域地基土模型和頻域地基理論解，結(jié)合時(shí)域模型收斂準(zhǔn)則和精度控制準(zhǔn)則 優(yōu)化擬合獲取時(shí)域模型相關(guān)參數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種用于考慮土結(jié)相互作用的多維多點(diǎn)抗震實(shí)驗(yàn)方法，其特 征在于所述步驟2具體為在現(xiàn)有的基于速度、位移獲取界面反力、基于應(yīng)變計(jì)獲取界面 反力、基于力傳感器直接測(cè)量反力以及基于加速度通過(guò)慣性力獲取界面反力這四種方法中 權(quán)衡各自優(yōu)缺點(diǎn)及設(shè)備配置情況，選擇一種適合所研究建筑結(jié)構(gòu)研究目的的方法。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種用于考慮土結(jié)相互作用的多維多點(diǎn)抗震實(shí)驗(yàn)方法，其特 征在于所述步驟3具體為針對(duì)所選用土模型復(fù)雜程度和軟硬件計(jì)算效率，權(quán)衡各動(dòng)力方 程求解算法的計(jì)算效率、穩(wěn)定性收斂準(zhǔn)則及計(jì)算精度選擇合適求解算法。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種用于考慮土結(jié)相互作用的多維多點(diǎn)抗震實(shí)驗(yàn)方法，其特 征在于所述步驟4具體為結(jié)合建筑結(jié)構(gòu)研究目的和土模型、數(shù)值模型求解算法穩(wěn)定性及 精度準(zhǔn)則以及振動(dòng)臺(tái)物理特性因素，優(yōu)化設(shè)計(jì)子結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)控制器。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種用于考慮土結(jié)相互作用的多維多點(diǎn)抗震實(shí)驗(yàn)方法，其 特征在于所述步驟5具體為利用高性能工控機(jī)結(jié)合高分辨率多功能PCI數(shù)據(jù)采集卡與 MATLAB/SIMULINK軟件共同組成子結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)控制器，由PCI數(shù)據(jù)采集卡實(shí)現(xiàn)軟硬件交互，進(jìn) 行數(shù)據(jù)采集和指令傳輸，傳輸?shù)闹噶钪边_(dá)振動(dòng)臺(tái)臺(tái)陣系統(tǒng)控制器，臺(tái)陣系統(tǒng)采用分布式控 制策略，以實(shí)現(xiàn)多維多點(diǎn)動(dòng)力子結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于考慮土結(jié)相互作用的多維多點(diǎn)抗震實(shí)驗(yàn)方法，屬于建筑結(jié)構(gòu)抗震實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域。該方法將半無(wú)限土體作為數(shù)值實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?、將建筑結(jié)構(gòu)作為物理實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，通過(guò)界面反力和界面動(dòng)力響應(yīng)的傳遞使得土體和上部建筑結(jié)構(gòu)有機(jī)結(jié)合，而后通過(guò)子結(jié)構(gòu)系統(tǒng)控制器的優(yōu)化設(shè)計(jì)使得土模型與上部建筑結(jié)構(gòu)之間無(wú)縫連接，對(duì)多振動(dòng)臺(tái)系統(tǒng)采用局部控制策略，從而實(shí)現(xiàn)基于多振動(dòng)臺(tái)的實(shí)時(shí)動(dòng)力子結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)，以用于長(zhǎng)大型結(jié)構(gòu)考慮土-結(jié)相互作用的多維多點(diǎn)抗震性能實(shí)驗(yàn)研究。本發(fā)明的方法大大降低了實(shí)驗(yàn)設(shè)備的要求，能對(duì)建筑結(jié)構(gòu)抗震性能影響因素進(jìn)行更全面的研究。
文檔編號(hào)G01M7/02GK102147322SQ201110007329
公開日2011年8月10日 申請(qǐng)日期2011年1月13日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月13日
發(fā)明者唐貞云, 李振寶, 李曉亮, 紀(jì)金豹 申請(qǐng)人:北京工業(yè)大學(xué)