考虑界面效应的拟动力子结构试验方法精细化研究

The method for the substructure pseudo-dynamic test considering the refined interface effect is established by combining the theoretical analysis, numerical simulations and experimental verifications. In the first place, the easily realizable and reliable refined substructure interface information transfer method is established based on the Guyan reduced method and interfacial reduced technique. In the second place, using the compile software and the substrutural data interface techniques the test program for numerical simulations is compiled. By comparing the results between the substructure pseudo-dynamic numerical simulation and pseudo-dynamic numerical simulation test for different models, the model for system errors, brought by the simplification of the substructure interface, is built and at the same time, the method for controlling the cumulative error is given. Then, the control effect of the multi-degree of freedom(MDOF) nonlinear coupled force-displacement mixed control method on different models is studied, thus the design method for the MDOF nonlinear coupled force-displacement mixed control parameters is established. Finally, based on the above research results, the program module for the substructure pseudo-dynamic test considering the refined interface effect is developed and at the meantime, the effectiveness and reliability is validated through the substructure pseudo-dynamic physical test of the scale steel frame model. Through the research of this project, we will provide a more reliable test technology to reflect the seismic behavior of the structure, thus play a role in promoting the development of the seismic test method.

采用理论分析、数值模拟及试验验证相结合的研究手段，建立更精细考虑界面效应的拟动力子结构试验方法。首先，基于Guyan缩聚法和界面自由度缩减思想，构建可靠、易于实现的精细化子结构界面信息传递方法；其次，采用编译软件与子结构数据接口技术，编制用于数值模拟分析的试验程序，对不同模型分别进行拟动力和拟动力子结构数值模拟比较分析，建立由子结构边界简化引起的系统误差模型，进行累积误差的分析与控制研究，探索得到控制该累积误差的方法；然后，针对多自由度非线性耦合的力-位移混合控制方法，研究对不同模型的控制效果，并最终建立多自由度非线性耦合的力-位移混合控制参数设计方法。最后，基于上述研究成果开发出一套更精细考虑界面效应的拟动力子结构试验模块，通过缩尺钢框架模型拟动力子结构物理试验，验证上述研究成果的科学性和可靠性，从而提供更能真实反应结构地震行为的可靠试验技术，进一步推动结构抗震试验方法的发展。

子结构混合试验方法是一种经济合理、应用前景广泛的抗震试验方法。然而，子结构界面模拟问题是其关键核心问题之一，严重制约了子结构试验方法的推广和应用。基于此，本项目主要沿着界面处理方案的提出、各种方案数值模拟程序编制及模拟比较、加载控制方法、物理模型设计与制作、物理实验程序编制与实现、以及试验数据整理等路线展开，采用理论分析、数值模拟及试验验证相结合的研究手段，主要研究内容如下：1）利用Matlab的强大矩阵运算功能、以及OpenSEES的开源特性，采用混合编程方法，建立了基于Matlab-OpenSEES的子结构试验系统。该系统可以直接在外接的计算机上编程独立实现，再通过数据采集卡与MTS电液伺服设备控制系统硬件的I/O通道连接即可，从而避开了设备控制系统复杂的底层编程技术，减少了对控制系统本身的要求，降低了试验难度和费用。2）提出基于弹性反弯点的子结构混合模拟试验方法。该方法将子结构界面选择在了弹性反弯点处，避开了界面处弯矩的模拟，从而减少了界面处作动器的数目，使试验方案在精细模拟的同时更具可操作性。大量数值模拟和钢框架模型物理实验证实了提出方法的可行性。3）提出预测轴向变形策略，采用力-位移混合控制的方法，实现了考虑倾覆力矩的子结构混合模拟试验方法。以六层钢框架模型为例，实现了考虑倾覆力矩情况下的子结构混合模拟试验。考虑倾覆力矩引起的竖向力调整情况表明，随着峰值加速度的增加，在试验子结构顶部调整的竖向力成增大趋势，最大达到结构重力荷载代表值的44%，不容忽视。但是随着结构非线性的增加，需调整的竖向力逐渐处于平缓，尤其在结构非线性后期基本处于持平。地震峰值加速度为310gal时考虑和不考虑倾覆力矩子结构实验结果比较情况可知，不考虑界面倾覆力矩，势必改变了结构在地震作用下的内力分布和破坏模式，不能真实地反应结构在地震作用下的力学性能。本项目的研究可有力的推动拟动力子结构试验技术的发展，也可对通过试验更客观真实地揭示框架结构抗震性能，推动框架结构抗震理论发展有十分重要的科学意义和应用价值，研究成果已发表科研论文9篇，其中SCI检索5篇，EI检索3篇；申请发明专利3项，其中已授权2项。