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    振動臺子結(jié)構(gòu)試驗方法實(shí)現(xiàn)的韌性防災(zāi)需求與其關(guān)鍵問題

    2020-12-09 05:37:36唐貞云洪越李振寶
    地震研究 2020年3期
    關(guān)鍵詞:數(shù)值積分系統(tǒng)控制振動臺

    唐貞云 洪越 李振寶

    摘要:振動臺子結(jié)構(gòu)試驗可解決振動臺試驗中縮尺比例過小、結(jié)構(gòu)構(gòu)造措施難以準(zhǔn)確模擬、非結(jié)構(gòu)構(gòu)件動力響應(yīng)難以研究等問題?;谡駝优_子結(jié)構(gòu)試驗應(yīng)用于結(jié)構(gòu)韌性防災(zāi)中存在的潛在需求,探討了振動臺子結(jié)構(gòu)試驗原理及其實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)問題。研究結(jié)果表明:振動臺子結(jié)構(gòu)試驗以數(shù)值仿真與物理試驗相結(jié)合的方式間接增加振動臺試驗?zāi)芰?,具有增大物理試驗尺寸、減小尺寸效應(yīng)影響的優(yōu)點(diǎn)。但是在數(shù)值子結(jié)構(gòu)計算效率、試驗系統(tǒng)穩(wěn)定性分析、物理加載精度、數(shù)值子結(jié)構(gòu)建模精度和邊界條件模型等方面還需要進(jìn)一步開展系統(tǒng)的研究。

    關(guān)鍵詞:振動臺;實(shí)時子結(jié)構(gòu)試驗;結(jié)構(gòu)韌性;數(shù)值積分;穩(wěn)定性;系統(tǒng)控制

    0 引言

    21世紀(jì),人類多次面臨大震下整個城市癱瘓,重建難度大、時間長的問題,工程結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)防目標(biāo)不再局限于“小震不壞、中震可修、大震不倒”,而是對包括結(jié)構(gòu)、非結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的震后功能恢復(fù)提出了新的要求?;诖?,眾多學(xué)者提出韌性城市(楊靜等,2019;陸新征等,2017)的概念,其具體內(nèi)涵包括:小震時城市可以快速恢復(fù);大震時城市幾個月內(nèi)基本恢復(fù)正常運(yùn)行等。城市抗震韌性是指采用多種措施來增強(qiáng)城市防震減災(zāi)的能力,在遇到突發(fā)地震后,城市功能和社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展能快速恢復(fù),主要包括重要公共設(shè)施如醫(yī)院、核電站等建筑要具備震中使用功能不受損失的能力,學(xué)校、行政機(jī)關(guān)等要具備震后快速恢復(fù)的能力,道路橋梁、水電管網(wǎng)等城市基礎(chǔ)設(shè)施要有震后及時恢復(fù)能力,避免阻礙救援或形成二次災(zāi)害等現(xiàn)象。

    為了配合地震工程研究的需求,近年來發(fā)展起來一些抗震試驗技術(shù)(謝禮立,馬玉宏,2003),主要有:擬靜力試驗、擬動力試驗、振動臺試驗和混合試驗。擬靜力試驗(趙均等,2014)主要通過施加逐步增大的低周往復(fù)位移或力時程,模擬試件從彈性到破壞全過程的恢復(fù)力特性,但在試驗中加載歷程需人為預(yù)先設(shè)定,與地震作用下結(jié)構(gòu)的實(shí)際位移時程相關(guān)性較小。為了解決這一問題,出現(xiàn)了擬動力試驗(侯杰等,2006),主要通過求解動力方程得到在地震作用下結(jié)構(gòu)的真實(shí)位移時程,然后再施加于試件。振動臺可以再現(xiàn)地震動,較好地彌補(bǔ)了靜力加載抗震試驗的不足,但振動臺的建設(shè)尺寸和加載能力限制了試件尺寸。因此,實(shí)時子結(jié)構(gòu)試驗(Nakashima et al,1992,2020)被提出,按加載設(shè)備不同,實(shí)時子結(jié)構(gòu)試驗包括基于作動器(郭珺等,2017)、振動臺(高春華等,2014)和二者同時使用(Shao et al,2011)3類。

    提高工程結(jié)構(gòu)抗震韌性是確保實(shí)現(xiàn)韌性城市的關(guān)鍵,裝配式建筑作為目前廣泛采用的結(jié)構(gòu)建造形式,常與減隔震設(shè)計配合使用。采用振動臺進(jìn)行試驗時,減隔震設(shè)計下的裝配式結(jié)構(gòu)中的節(jié)點(diǎn)連接、構(gòu)造措施以及結(jié)構(gòu)內(nèi)部的非結(jié)構(gòu)構(gòu)件和設(shè)備用具等均無法通過大比例縮尺模型模擬,且對于需要考慮土、波浪等介質(zhì)影響的工程結(jié)構(gòu)需要模擬的空間尺寸更大,縮尺模型試驗的可靠性更低。鑒于此,本文主要討論采用振動臺加載、振動臺和作動器共同加載的實(shí)時子結(jié)構(gòu)試驗,此處統(tǒng)稱為振動臺子結(jié)構(gòu)試驗,從韌性防災(zāi)需求、振動臺子結(jié)構(gòu)試驗原理、振動臺子結(jié)構(gòu)試驗實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵問題3方面進(jìn)行探討。

    1 振動臺子結(jié)構(gòu)試驗韌性防災(zāi)需求1.1 減隔震結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)試驗研究

    減隔震結(jié)構(gòu)主要包括隔震、減震(被動、半主動和主動減震)兩種形式。隔震結(jié)構(gòu)通過在結(jié)構(gòu)與大地之間或者結(jié)構(gòu)不同層之間設(shè)置隔震層,以減小地震作用向上傳播(Asai et al,2015)。隔震裝置(如橡膠墊或摩擦擺)是實(shí)現(xiàn)隔震的最關(guān)鍵環(huán)節(jié),為了達(dá)到隔震目的,必須具備以下功能:較小的水平剛度和足夠大的豎向承載力。用傳統(tǒng)振動臺試驗研究隔震結(jié)構(gòu)的整體動力響應(yīng)時,需要同時對隔震層和隔震結(jié)構(gòu)進(jìn)行大比例縮尺,因此,在隔震層性能模擬方面存在以下不足:①大比例縮尺使得隔震層在尺寸和材料使用上與原結(jié)構(gòu)均發(fā)生變化,比如小尺寸橡膠墊中鋼板與橡膠比例、摩擦擺的摩擦層等均無法按比例加工,從而使隔震裝置存在尺寸效應(yīng);②所有大比例縮尺振動臺試驗?zāi)P蛶缀蹙幱谇焚|(zhì)量狀態(tài),使隔震層承受豎向壓力不足,水平剛度偏小,無法準(zhǔn)確描述隔震層對上部結(jié)構(gòu)的隔震效果。針對上述問題,可采用圖1所示的2個階段子結(jié)構(gòu)試驗:第一階段,通過足尺試驗對隔震層的力學(xué)行為進(jìn)行試驗測試,再建立準(zhǔn)確數(shù)值模型,避免尺寸效應(yīng);第二階段:基于所建立的數(shù)值模型,把隔震層作為數(shù)值子結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬,上部結(jié)構(gòu)作為物理子結(jié)構(gòu)進(jìn)行試驗測試,可解決上部結(jié)構(gòu)縮尺帶來的豎向壓力不足的問題,從而降低豎向壓力不足對水平剛度的影響。

    對于高層和超高層建筑,為了控制結(jié)構(gòu)上部動力響應(yīng),通常在合適位置設(shè)置質(zhì)量調(diào)諧減震裝置(被動、半主動和主動),如質(zhì)量調(diào)諧阻尼器(Tuned Mass Damper,TMD)、液體調(diào)諧阻尼器(Tuned Liquid Damper,TLD)(Lee et al,2007)、主動質(zhì)量阻尼器(Active Mass Damper,AMD)等。被動減震裝置中阻尼的非線性較強(qiáng),半主動裝置中阻尼項是地震作用的時變函數(shù),主動裝置中調(diào)諧裝置的出力隨地震作用而自適應(yīng)變化。因此,對這類裝置進(jìn)行試驗研究時,重點(diǎn)在于對減震裝置性能的模擬。采用傳統(tǒng)振動臺試驗時,需要對減震裝置和結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體模擬,大比例縮尺會使幾十噸出力的大裝置變成了幾公斤出力的微型裝置,特別是縮尺后的阻尼器難以加工,更無法保障其力學(xué)性能的準(zhǔn)確性,同時,對地震輸入時程進(jìn)行大比例壓縮,地震輸入頻率大比例提高,這相當(dāng)于人為放大輸入地震動的速度,而阻尼器的出力與速度密切相關(guān),所以試驗中阻尼特性的模擬與其實(shí)際特性相差較大。而圖1所示的兩階段振動臺子結(jié)構(gòu)試驗可以在保證對減震裝置特性進(jìn)行準(zhǔn)確模擬的前提下,對結(jié)構(gòu)減震性能進(jìn)行整體模擬,從而避免了大比例縮尺對減震裝置、結(jié)構(gòu)動力性能的不利影響,可較好地模擬減震裝置對風(fēng)或地震作用下結(jié)構(gòu)破壞全過程的影響。

    1.2 多介質(zhì)耦合下結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)試驗研究

    工程結(jié)構(gòu)主要建造在陸地上或者江河湖海中,結(jié)構(gòu)所受的全部荷載都需要通過基礎(chǔ)傳遞到土體或液體介質(zhì)中。因此,在風(fēng)、海嘯、地震等作用下,結(jié)構(gòu)的韌性防災(zāi)能力不但和結(jié)構(gòu)性能和外荷載特性相關(guān),也和結(jié)構(gòu)與土體、液體等介質(zhì)的耦合作用密切相關(guān)。土-結(jié)構(gòu)相互作用(李振寶等,2010;姜忻良等,2019)是工程結(jié)構(gòu)研究的經(jīng)典問題,主要包括3個方面:結(jié)構(gòu)建在硬土上,可視為固定約束忽略土體的影響;低矮結(jié)構(gòu)建在軟土上,可視為具有減震效果,作為結(jié)構(gòu)安全儲備不做特別考慮;高層、高聳、橋梁等柔性結(jié)構(gòu)建在軟土上,結(jié)構(gòu)周期與場地特征周期相近,需要重點(diǎn)考慮。隔震技術(shù)通過延長結(jié)構(gòu)周期減小結(jié)構(gòu)響應(yīng),但在軟土上進(jìn)行短周期結(jié)構(gòu)建設(shè)時,會面臨與柔性結(jié)構(gòu)一樣的問題,需要考慮土-結(jié)構(gòu)相互作用。對這類土-結(jié)相互作用系統(tǒng)進(jìn)行振動臺試驗研究時,需要將結(jié)構(gòu)和承載結(jié)構(gòu)的土體均作為物理模型。由于需要模擬土體邊界的影響,土體的重量和尺寸比結(jié)構(gòu)還要大,所以其試驗?zāi)P捅燃兇獾慕Y(jié)構(gòu)振動臺試驗?zāi)P透?。目前在這樣的試驗?zāi)芰ο?,考慮土體影響的結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)試驗研究基本處于定性階段,離定量化研究還有一定距離。結(jié)構(gòu)韌性防災(zāi)能力研究對土-結(jié)構(gòu)相互作用試驗量化研究提出了新的要求。

    多介質(zhì)耦合除了土體的影響外還有液體與結(jié)構(gòu)相互作用,如跨河/跨江大橋、海上風(fēng)電、海洋平臺、隔震/非隔震儲液罐等結(jié)構(gòu)在遭受地震、海嘯時,其動力響應(yīng)的影響不僅會受土體性能的影響,波浪荷載對其結(jié)構(gòu)的作用也不可忽略。目前對波浪荷載的試驗?zāi)M主要采用造波機(jī),對地震和波浪的耦合作用試驗?zāi)M主要通過造波機(jī)和振動臺聯(lián)合模擬,如天津大學(xué)和河海大學(xué)建成了相關(guān)試驗設(shè)備,但目前具備這個試驗?zāi)芰Φ膯挝贿€較少,且試驗試件同樣受振動臺尺寸及加載能力的限制,大比例縮尺仍然不可避免。

    為了解決土與結(jié)構(gòu)動力相互作用、波浪與結(jié)構(gòu)動力作用以及二者的耦合相互作用試驗研究需求,可將圖1所示策略擴(kuò)展為多階段子結(jié)構(gòu)試驗,分別開展試驗研究,再通過子結(jié)構(gòu)試驗技術(shù)將多因素耦合研究整個系統(tǒng)的動力特性。例如,通過大尺寸試驗研究土-基礎(chǔ)阻抗函數(shù)、波浪荷載規(guī)律,而后將土體、波浪均作為數(shù)值子結(jié)構(gòu),工程結(jié)構(gòu)進(jìn)行物理試驗,采用振動臺和作動器分別進(jìn)行地震作用和波浪作用的加載模擬,從而達(dá)到整體系統(tǒng)大尺寸試驗研究的目的。

    1.3 非結(jié)構(gòu)系統(tǒng)地震響應(yīng)規(guī)律試驗研究

    建設(shè)建筑結(jié)構(gòu)的目的在于其功能需求,非結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的投資遠(yuǎn)高于主體建筑的投資。震害表明,造成非結(jié)構(gòu)構(gòu)件損害的地震強(qiáng)度更低,同級別地震作用下非結(jié)構(gòu)構(gòu)件損壞更嚴(yán)重(賀思維等,2017)。因此,研究非結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中各類構(gòu)件的抗震性能是韌性研究的重要環(huán)節(jié)。研究需求主要包括填充墻、吊頂、幕墻、管道、醫(yī)療設(shè)備等。根據(jù)受力特性的不同,非結(jié)構(gòu)構(gòu)件可以分為位移影響型和加速度影響型,通常分別采用擬靜力試驗和動力試驗方法試驗其抗震性能。非結(jié)構(gòu)系統(tǒng)安裝在結(jié)構(gòu)中的不同位置,其動力特性不但與地震動相關(guān),與結(jié)構(gòu)自身動力特性也密切相關(guān)。因此,直接決定其動力響應(yīng)的是非結(jié)構(gòu)系統(tǒng)所在位置的時程響應(yīng)。與主體結(jié)構(gòu)相比,其質(zhì)量可以忽略不計,且主體結(jié)構(gòu)方便建立數(shù)值計算模型時,在動力試驗中通常只需對非結(jié)構(gòu)系統(tǒng)及其連接件進(jìn)行模擬,將數(shù)值計算所得非結(jié)構(gòu)系統(tǒng)所在位置的響應(yīng)作為輸入進(jìn)行試驗。當(dāng)非結(jié)構(gòu)系統(tǒng)質(zhì)量不可忽略而需要考慮其與主體結(jié)構(gòu)之間相互作用,或者主體結(jié)構(gòu)本身也需要進(jìn)行試驗研究時,大比例縮尺振動臺試驗將再次面臨挑戰(zhàn)。振動臺子結(jié)構(gòu)試驗有可能為解決該問題提供途徑,可以將無法縮尺的非結(jié)構(gòu)系統(tǒng)(構(gòu)件或設(shè)備)作為物理子結(jié)構(gòu)進(jìn)行試驗研究,將主體結(jié)構(gòu)部分作為數(shù)值子結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真或者并行物理子結(jié)構(gòu)試驗,從而對兩者相互作用加以考慮,再現(xiàn)非結(jié)構(gòu)系統(tǒng)在地震中的真實(shí)響應(yīng)。

    2 振動臺子結(jié)構(gòu)試驗原理

    子結(jié)構(gòu)試驗的優(yōu)勢在于可以將研究對象按建模難易程度分為數(shù)值模擬和物理測試兩部分,還能保持結(jié)構(gòu)的完整動力特性。在試驗設(shè)備能力不變的情況下,試驗測試部分的尺寸可以大幅度增大,從而避免大比例縮尺帶來的試驗誤差。依據(jù)韌性防災(zāi)需求,振動臺子結(jié)構(gòu)試驗大體可以分為如圖2所示的3種情況:第一種:上部結(jié)構(gòu)非線性更強(qiáng),可作為物理子結(jié)構(gòu)進(jìn)行試驗,下部結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值仿真,如新型TMD/TLD減震裝置研究、液體儲罐隔震等。另外,土-結(jié)構(gòu)動力相互作用系統(tǒng)研究過程中重點(diǎn)關(guān)注上部結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)時也可采用該方式。第二種:下部結(jié)構(gòu)非線性更強(qiáng),作為物理子結(jié)構(gòu)進(jìn)行試驗測試,上部結(jié)構(gòu)作為數(shù)值子結(jié)構(gòu),如高層結(jié)構(gòu)的破壞主要集中在底部階層而上面部分基本處于彈性階段,或者土-結(jié)構(gòu)動力相互作用系統(tǒng)中重點(diǎn)關(guān)注土-基礎(chǔ)系統(tǒng)特性。第三種:重點(diǎn)關(guān)注結(jié)構(gòu)中間部分,將其作為物理子結(jié)構(gòu),其余部分結(jié)構(gòu)作為數(shù)值子結(jié)構(gòu),如有轉(zhuǎn)換層或中間薄弱層的結(jié)構(gòu)等。

    從子結(jié)構(gòu)試驗實(shí)現(xiàn)角度,圖2所示的3類振動臺子結(jié)構(gòu)試驗可以分為兩類:前兩種試驗系統(tǒng)只有一個數(shù)值與物理子結(jié)構(gòu)界面,所以用振動臺或作動器實(shí)現(xiàn)界面的物理與數(shù)值交互,第二種子結(jié)構(gòu)中所用振動臺的作用和傳統(tǒng)試驗一樣,只需再現(xiàn)地震動輸入,不需要與數(shù)值子結(jié)構(gòu)實(shí)時交互;第三種試驗系統(tǒng)有多個數(shù)值與物理子結(jié)構(gòu)界面,需要多個振動臺或作動器與數(shù)值子結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時數(shù)據(jù)交互。由此可知,實(shí)時子結(jié)構(gòu)試驗的實(shí)現(xiàn)過程實(shí)際上是保證試驗系統(tǒng)中每個數(shù)值與物理子結(jié)構(gòu)實(shí)時數(shù)據(jù)交互過程,其交互流程如圖3所示,圖中Eq代表外荷載,yN是數(shù)值子結(jié)構(gòu)計算得到的界面響應(yīng),yP為通過加載系統(tǒng)實(shí)際加載到物理子結(jié)構(gòu)上的界面響應(yīng),f為物理子結(jié)構(gòu)反饋給數(shù)值子結(jié)構(gòu)的界面反力。實(shí)時子結(jié)構(gòu)試驗實(shí)現(xiàn)過程為:通過積分算法求解數(shù)值子結(jié)構(gòu)在外荷載和物理子結(jié)構(gòu)反作用下的界面響應(yīng),將數(shù)值子結(jié)構(gòu)與物理子結(jié)構(gòu)之間的界面響應(yīng)作為指令傳輸給加載系統(tǒng)(振動臺或作動器),在加載系統(tǒng)的作用下物理子結(jié)構(gòu)發(fā)生運(yùn)動,物理子結(jié)構(gòu)再響應(yīng)反饋給數(shù)值子結(jié)構(gòu),進(jìn)行下一步試驗,所有環(huán)節(jié)組合成了一個閉環(huán),如此循環(huán)往復(fù)完成試驗。

    3 振動臺子結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵問題

    從圖3可知,振動臺子結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵是準(zhǔn)確的數(shù)值求解和物理加載,以及通過數(shù)值和物理模型準(zhǔn)確模擬界面邊界條件以保證被測試結(jié)構(gòu)的整體特性,而閉環(huán)的穩(wěn)定性是試驗成功的前提。

    3.1 數(shù)值子結(jié)構(gòu)求解

    數(shù)值子結(jié)構(gòu)的求解實(shí)際上就是通過求解結(jié)構(gòu)動力方程得到其數(shù)值響應(yīng)(位移、速度和加速度)。對于復(fù)雜的工程結(jié)構(gòu),特別是考慮非線性特性的結(jié)構(gòu),動力方程本身非常復(fù)雜,同時,地震、風(fēng)、海嘯等災(zāi)害荷載多為隨機(jī)時程,都無法進(jìn)行嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)學(xué)表達(dá),這使工程結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)只能采用數(shù)值積分算法求得其數(shù)值解。為了控制數(shù)值解與精確解之間的誤差,通常采用小步長顯式積分算法(Wu et al,2015)或隱式迭代算法(Newmark,1959)。對于實(shí)時子結(jié)構(gòu)試驗,隱式迭代算法的計算效率和實(shí)時性都無法滿足要求,故常用顯式積分算法。除計算精度外,積分算法穩(wěn)定性也是制約子結(jié)構(gòu)試驗發(fā)展的瓶頸之一,為了滿足試驗需求,研究人員發(fā)展了一批無條件穩(wěn)定算法(Chang et al,2011;Chen,Ricles,2010;Kolay,Ricles,2014;Gui et al,2014)。結(jié)構(gòu)的時程響應(yīng)包括位移、速度和加速度,且分別在結(jié)構(gòu)低頻、中頻和高頻響應(yīng)中占主要成分。目前數(shù)值積分算法多以位移顯式,速度、加速度隱式為主,故而用位移作為控制量實(shí)現(xiàn)試驗。對于速度相關(guān)型或者高頻特性模擬,需要開發(fā)更多高效的速度、加速度顯式積分算法。目前實(shí)現(xiàn)的實(shí)時子結(jié)構(gòu)試驗中數(shù)值子結(jié)構(gòu)的自由度數(shù)大多在100以內(nèi),盡管學(xué)者們在高效率數(shù)值積分算法方面做了大量工作,但仍無法滿足工程結(jié)構(gòu)研究需求。近年來運(yùn)用圖形處理器(GPU)強(qiáng)大的并行計算能力提高土木工程結(jié)構(gòu)數(shù)值計算效率的研究得到了快速發(fā)展,其計算效率相比于中央處理器(CPU)最高可達(dá)百倍以上(吳恩華,2014;Lu et al,2014;解琳琳等,2014;曹勝濤等,2019),可提高數(shù)值子結(jié)構(gòu)計算效率、擴(kuò)大數(shù)值子結(jié)構(gòu)計算規(guī)模。

    3.2 穩(wěn)定性研究

    數(shù)值積分算法、作動器/振動臺加載等環(huán)節(jié)都存在不同程度的誤差,當(dāng)系統(tǒng)為開環(huán)時上述誤差不會累積。但實(shí)時子結(jié)構(gòu)試驗相當(dāng)于給試驗系統(tǒng)增加了額外的閉環(huán)(圖3),導(dǎo)致數(shù)值求解和物理加載誤差會累積、放大甚至發(fā)散,這就是實(shí)時子結(jié)構(gòu)試驗系統(tǒng)的失穩(wěn)問題。影響試驗系統(tǒng)穩(wěn)定性的因素為數(shù)值/物理子結(jié)構(gòu)動力特性、數(shù)值積分算法、加載系統(tǒng)動力特性等,其中加載系統(tǒng)動力特性造成的誤差占比更大。對于幅值誤差可以忽略的作動器,通常認(rèn)為其實(shí)際和期望響應(yīng)之間存在時間差,即采用時滯描述其動力特性。為此,學(xué)者們針對不同子結(jié)構(gòu)試驗系統(tǒng)提出了能量平衡方法(Horiuchi et al,1999)、譜半徑法(Wu et al,2009)、時滯差分法(Wallace,2005)、離散根軌跡法(Zhu et al,2015)等。這些方法將加載系統(tǒng)動力特性看作時滯模型,這其中暗含了2個假設(shè)(Tang et al,2018):幅值誤差可以忽略,相位與加載頻率成正比。圖4給出了振動臺和作動器動力特性的實(shí)際對比,可以看到單作動器在較寬的頻帶(15 Hz以內(nèi))可以滿足時滯模型假設(shè)條件,但振動臺自身質(zhì)量大,降低了其共振頻率,使幅值和相位均只在很小的頻率范圍(5 Hz以內(nèi)),滿足時滯模型假設(shè)。為了準(zhǔn)確預(yù)測振動臺子結(jié)構(gòu)試驗系統(tǒng)穩(wěn)定性,需要采用更復(fù)雜的動力模型,比如多階傳遞函數(shù)。

    實(shí)時子結(jié)構(gòu)試驗系統(tǒng)穩(wěn)定性預(yù)測還存在以下問題:①數(shù)值或物理子結(jié)構(gòu)模型多以單自由度為主,無法考慮高階模態(tài)的耦合影響;②進(jìn)行結(jié)構(gòu)試驗的原因在于被測試對象存在無法準(zhǔn)確用數(shù)學(xué)描述的非線性,目前的預(yù)測方法多以線性特性為主;③子結(jié)構(gòu)試驗系統(tǒng)中數(shù)值求解為離散系統(tǒng),物理加載為連續(xù)系統(tǒng)(圖3),為了保證計算效率數(shù)值求解步長大于物理加載,為了協(xié)調(diào)加載需要指令插值,但目前的穩(wěn)定性分析方法對數(shù)值和物理子結(jié)構(gòu)均采用連續(xù)或離散模型,無法準(zhǔn)確描述真實(shí)試驗系統(tǒng)特性。

    3.3 加載系統(tǒng)控制

    加載系統(tǒng)控制器設(shè)計也通常將加載系統(tǒng)假設(shè)為時滯模型。據(jù)此發(fā)展了時滯補(bǔ)償控制器,通過將控制指令向外插值預(yù)測的方法實(shí)現(xiàn)對時滯的補(bǔ)償。由圖4可知,時滯補(bǔ)償對作動器控制在一定頻帶是有效的,但對振動臺的適用頻帶太低,無法滿足試驗研究。受制于振動臺尺寸和加載能力,即使用子結(jié)構(gòu)試驗也不可避免縮尺,進(jìn)而會加大對高頻性能的需求。韌性防災(zāi)需要考慮非結(jié)構(gòu)系統(tǒng)性能,以加速度控制的非結(jié)構(gòu)系統(tǒng)不能忽略結(jié)構(gòu)的高階響應(yīng),也對振動臺高頻提出了進(jìn)一步要求。大尺寸試件與振動臺的相互作用也會對子結(jié)構(gòu)試驗系統(tǒng)產(chǎn)生影響(郭珺等,2016)。因此,一些學(xué)者從控制理論出發(fā),將加載系統(tǒng)和物理子結(jié)構(gòu)統(tǒng)一作為控制對象,運(yùn)用逆?zhèn)骱瘎恿ρa(bǔ)償(Wallace,2005)和自適應(yīng)控制(Stoten et al,2009)對加載系統(tǒng)的時滯和幅值一同進(jìn)行控制。但目前振動臺子結(jié)構(gòu)試驗在試驗研究中還是以小尺寸試件、低頻位移控制為主。對通過加速度進(jìn)行高頻信號控制、振動臺與作動器聯(lián)合實(shí)現(xiàn)多物理邊界的子結(jié)構(gòu)試驗系統(tǒng)中的協(xié)同控制、考慮振動臺/試件非線性特性實(shí)時變化的自適應(yīng)控制器等均需要進(jìn)一步的研究。

    4 結(jié)論

    裝配式結(jié)構(gòu)的快速發(fā)展和韌性防災(zāi)需求的提出將會加速減隔震結(jié)構(gòu)的發(fā)展應(yīng)用,同時增大了非結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的研究需求,因此對減小大比例縮尺試驗局限、增強(qiáng)大尺寸試件試驗研究能力提出了新要求。振動臺子結(jié)構(gòu)試驗以數(shù)值仿真與物理試驗相結(jié)合的方式間接增加振動臺試驗?zāi)芰?,具有增大物理試驗尺寸、減小尺寸效應(yīng)影響的可能性。為了成功實(shí)現(xiàn)振動臺子結(jié)構(gòu)試驗,在通過數(shù)值積分算法研發(fā)和高性能硬件應(yīng)用提高數(shù)值子結(jié)構(gòu)計算效率、實(shí)時子結(jié)構(gòu)試驗系統(tǒng)穩(wěn)定性綜合分析方法、通過高性能控制算法開發(fā)提高物理加載精度、通過模型更新提高數(shù)值子結(jié)構(gòu)建模精度和邊界條件模型等方面,還需要開展進(jìn)一步系統(tǒng)的研究。

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