王 濤,李 勐,孟麗巖,許國山,劉家秀,謝婧怡
(1.黑龍江科技大學 建筑工程學院,哈爾濱 150022;2.哈爾濱工業(yè)大學 土木工程學院,哈爾濱 150090)
混合試驗是一種結(jié)合物理子結(jié)構(gòu)試驗加載和數(shù)值模擬技術(shù)的試驗手段,可以有效評價結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng),在土木工程領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1-4]。日本學者Hakuno[5]最早提出混合試驗的概念,將結(jié)構(gòu)中重要的部分作為物理結(jié)構(gòu)進行試驗加載,數(shù)值子結(jié)構(gòu)假定有可靠的模型在計算機中模擬。近幾年來,混合試驗已在數(shù)值積分算法[6-7]、時滯補償[8-10]、模型更新[11-14]等關(guān)鍵方面取得了很大的進展?;旌显囼灥臄?shù)值部分建模是否準確,將影響混合試驗精度,模型更新是解決這一問題的有效手段。模型更新混合試驗方法將模型更新技術(shù)與混合試驗方法相結(jié)合,利用試驗子結(jié)構(gòu)觀測數(shù)據(jù)在線識別試驗子結(jié)構(gòu)模型參數(shù),實時更新數(shù)值子結(jié)構(gòu)模型參數(shù),以提高數(shù)值模型精度。近幾年來,眾多研究學者針對此方法進行了深入研究。Ou[15]對在線模型更新的實時混合仿真進行了精度分析,通過從物理子結(jié)構(gòu)中提取信息來提高保真度,將模型更新算法集成到實時混合仿真中,采用兩個不同復雜度的Bouc-Wen模型作為目標模型,并評價該方法的性能。陳凡[16]提出基于AUKF(adaptive unscented Kalman filter,AUKF)的框架結(jié)構(gòu)離線模型更新混合試驗方法,在傳統(tǒng)UKF的基礎(chǔ)上加入方差自適應(yīng)模塊,能夠減輕初始參數(shù)設(shè)定對參數(shù)識別結(jié)果的影響。對以Bouc-Wen為恢復力模型的防屈曲支撐進行低周反復加載數(shù)值模擬,通過AUKF算法進行Bouc-Wen模型參數(shù)識別,驗證了所提出算法的準確性。陳再現(xiàn)[17]提出基于均勻設(shè)計的模型更新混合模擬方法,在試驗子結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,通過均勻設(shè)計的手段構(gòu)造驗算子結(jié)構(gòu)樣本空間,得到最符合試驗子結(jié)構(gòu)的數(shù)值模型用于模型參數(shù)更新,有效提升識別效率。
然而,模型更新混合試驗的誤差來源主要有兩方面,其中包括物理子結(jié)構(gòu)邊界條件的非完整性和本構(gòu)模型誤差。當物理子結(jié)構(gòu)邊界自由度較多時,受加載設(shè)備、試驗場地以及試驗經(jīng)費等多方面的限制,其邊界條件往往難以完全實現(xiàn),而邊界條件的缺失勢必改變結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài),影響結(jié)構(gòu)性能評估的準確性。Wu[18]提出了數(shù)值混合模擬方法,并將其應(yīng)用在防屈曲支撐-鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)中,解決了邊界條件對模擬結(jié)果的影響,提高了混合試驗的模擬精度。此外,當原型結(jié)構(gòu)由多種材料所構(gòu)成,如配備有耗能減震構(gòu)件的新型結(jié)構(gòu),在以往的混合試驗中僅僅對主要結(jié)構(gòu)進行材料本構(gòu)模型參數(shù)識別更新,從而忽略其他不同材料所構(gòu)成的重要構(gòu)件的模型參數(shù)識別更新,這樣處理勢必會導致在試驗過程中數(shù)值子結(jié)構(gòu)的反應(yīng)與原型結(jié)構(gòu)的真實反應(yīng)存在較大差異,利用本構(gòu)參數(shù)存在較大誤差的數(shù)值子結(jié)構(gòu)將難以準確的模擬原型結(jié)構(gòu)在地震作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng),同時也難以為物理子結(jié)構(gòu)提供準確的邊界條件[19]。
鑒于此,為了解決復雜結(jié)構(gòu)數(shù)值模型精度,本文提出基于容積卡爾曼濾波器(cubature Kalman filter,CKF)的多尺度模型更新數(shù)值混合模擬方法,針對二層帶有自復位摩擦耗能支撐(self-centering friction energy dissipation braces,SCED)結(jié)構(gòu)鋼框架進行數(shù)值混合模擬,來驗證所提方法的有效性。
CKF模型更新算法需建立如下系統(tǒng)的狀態(tài)方程和觀測方程
Xk=f(Xk-1,uk-1)+Vk-1
(1)
Yk=h(Xk,uk)+Wk
(2)
式中:u為輸入向量;V為過程噪聲,假定過程噪聲向量是均值為0的高斯白噪聲,其協(xié)方差矩陣為R;W為觀測噪聲,假定觀測噪聲向量是均值為0的高斯白噪聲,其協(xié)方差矩陣為Q;X為系統(tǒng)狀態(tài)向量;Y為系統(tǒng)觀測向量;k為算法運行步數(shù),k=1,2,…N。
求出算法第k-1步容積點
(3)
式中:i為容積點個數(shù),i=1,2,…2n;n為狀態(tài)的維數(shù);
Sk-1為運行算法過程中k-1步誤差協(xié)方差分解的一個下三角矩陣,其表達式為
(4)
ζ為容積點集,其表達式為
(5)
(6)
式中,[e]i為第i個容積點。
(7)
(8)
(9)
(10)
重采樣
(11)
(12)
(13)
(14)
(15)
(16)
式中,Kk為運行算法第k步的卡爾曼增益。
校正狀態(tài)量
(17)
式中,yk為第k步的試驗觀測值。
校正協(xié)方差陣
(18)
CKF模型更新算法流程圖如圖1所示。
圖1 CKF模型更新算法流程圖Fig.1 CKF model update algorithm flow chart
通過第1章可以看出,建立模型更新算法的狀態(tài)方程和觀測方程需要借助物理子結(jié)構(gòu)數(shù)值模型方程得以實現(xiàn)。因此,物理子結(jié)構(gòu)的模型方程尤為重要,本文主要采用兩種層次的本構(gòu)模型來進行數(shù)值模擬,其中包括:構(gòu)件層次的本構(gòu)模型和材料層次的本構(gòu)模型。
為驗證多尺度模型更新數(shù)值混合模擬方法的有效性,以SCED為研究對象,采用基于改進的旗形模型(modified flag-shaped model,MFS)[20]的構(gòu)件層次本構(gòu)模型模擬SCED結(jié)構(gòu)的滯回性能,對MFS模型進行參數(shù)在線識別,SCED構(gòu)造圖與MFS模型力與位移變化關(guān)系如圖2所示。
圖2中:P為外部荷載;T0為預應(yīng)力;F為能量耗散器中的靜摩擦力;Fs為內(nèi)摩擦裝置的激活力。
圖2 自復位摩擦耗能支撐構(gòu)造圖Fig.2 Self-centering energy dissipation braces structure
MFS模型由線模型、雙線性模型、具有可滑移彈塑性模型組成,自復位摩擦耗能支撐機理如圖3所示。MFS模型初始階段剛度K為線性模型剛度K1、雙線性模型彈性剛度K2、具有可滑移彈塑性模型的第一剛度K3之和,即K=K1+K2+K3。
(a) 線性部分
其中K1、K2、K3由式(19)~(21)給出
K1=A·K
(19)
K2=(1-A)·(1-Q)·K
(20)
K3=(1-A)·Q·K
(21)
式中,A為激活剛度比,其表達式為
A=(1-Q)·b
(22)
Q為耗能率,是能量耗散的重要指標,其表達式為
Q=K3/(K2+K3)
(23)
當摩擦裝置啟動后,支撐剛度減小至預應(yīng)力筋剛度K1,卸載初始階段的卸載剛度等于K1+K3,當力到達激活點b時,剛度變成K1+K2。
MFS的恢復力F可表達為
F=K1x+K2R(x)+K3z
(24)
式中,R(x)為由雙線性彈性模型提供的恢復力,kN;
R(x)具體表達式可由式(25)給出
(25)
式中:H(x)為海維賽德階躍函數(shù);b為激活位移,mm;z為模型滯回位移,mm;z微分表達式由式(26)給出
(26)
鋼框架非線性梁柱單元采用材料層次本構(gòu)模型建模,本文選擇OpenSees軟件中具有各向同性應(yīng)變硬化的單軸Giuffre-Menegotto-Pinto鋼材料模型,此模型由Filippou[21]所提出,OpenSees將此材料命名為Steel02,其應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系如圖4所示。
圖4 鋼材應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系圖Fig.4 Stress-strain diagram of steel
圖中:R0、R1、R2為控制彈性到塑性發(fā)展的參數(shù);ξ、ξ1、ξ2為方程系數(shù);b為第二剛度系數(shù)。
鋼材本構(gòu)模型可由如下非線性函數(shù)表示
σs=g(fy,Es,b1,R0,R1,R2,a1,a2,a3,a4)
(27)
式中:σs為鋼材任意時刻的應(yīng)力;g為歷史變量相關(guān)的非線性函數(shù);fy為鋼材的屈服強度;Es為彈性模量;b1為第二剛度系數(shù);a1~a4為控制同性強化的系數(shù)。
在模型更新過程中,模型參數(shù)的識別方法主要分為在線識別和離線識別兩類[22-23]。為了提高復雜結(jié)構(gòu)模型更新數(shù)值混合模擬精度,本文主要應(yīng)用在線參數(shù)識別方法,驗證筆者所提方法的有效性?;诙喑叨饶P透禄旌显囼灧椒ǖ幕舅枷胧牵和ㄟ^對整體結(jié)構(gòu)加載,可以獲得兩種層面物理子結(jié)構(gòu)的準確加載命令,并能夠考慮試驗對象與結(jié)構(gòu)其它部分之間的耦合作用影響;物理子結(jié)構(gòu)當前步恢復力不返回給整體結(jié)構(gòu),僅用于在線估計模型參數(shù),通過估計的模型參數(shù)更新整體結(jié)構(gòu)模型參數(shù)進而得到結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)反應(yīng),從而評價整體結(jié)構(gòu)抗震性能。
該數(shù)值混合模擬方法包括四個模塊:整體結(jié)構(gòu)分析模塊、物理子結(jié)構(gòu)試驗?zāi)K、材料模型參數(shù)識別模塊、構(gòu)件模型加載及構(gòu)件模型參數(shù)識別模塊。首先,根據(jù)試驗條件確定物理子結(jié)構(gòu),通過作動器實現(xiàn)邊界條件。采用OpenSees有限元軟件進行整體結(jié)構(gòu)加載分析,MATLAB軟件進行參數(shù)識別,OpenSees有限元軟件和MATLAB軟件之間的數(shù)據(jù)通訊基于TCP/IP協(xié)議的Socket通訊技術(shù)實現(xiàn)[24]。數(shù)值混合模擬的原理示意圖如圖5所示。
圖5 多尺度模型更新數(shù)值混合模擬原理
步驟(1)對于整體結(jié)構(gòu),將二層框架部分在OpenSees端離散化為數(shù)值模型,SCED在MATLAB端利用模型方程建立數(shù)值模型,同時在整體結(jié)構(gòu)中選擇用于提供模型參數(shù)更新部分的物理子結(jié)構(gòu),材料層次選用結(jié)構(gòu)底層鋼框架柱作為物理子結(jié)構(gòu),構(gòu)件層次選用結(jié)構(gòu)底層SCED作為物理子結(jié)構(gòu)。
步驟(6)以最新識別得到的鋼框架柱材料本構(gòu)模型參數(shù)及SCED模型參數(shù)更新所對應(yīng)整體結(jié)構(gòu)數(shù)值模型的材料本構(gòu)模型及SCED模型參數(shù)。
步驟(7)重復步驟(3)~(7),直至試驗結(jié)束。
為了驗證本文所提出自復位摩擦耗能支撐結(jié)構(gòu)多尺度模型更新數(shù)值混合模擬方法的可行性,針對二層帶有SCED結(jié)構(gòu)的二層鋼框架進行數(shù)值混合模擬,設(shè)定鋼框架底柱與基礎(chǔ)為剛接,該框架層高為3.6 m,跨度為6.0 m。本文為方便建模,梁柱截面均采用H型鋼,材料參數(shù)為(HW300×300×10×15)。鋼框架的梁和柱采用基于位移的梁柱單元(element disp Beam Column),每個單元選取3個Gauss-Lobatto積分點,鋼材截面為纖維截面。在對截面進行纖維單元定義時,為了保證試驗精度且快速完成計算,分別沿局部坐標系的兩個方向?qū)孛孢M行劃分,沿長度方向劃分出20個子區(qū)域,沿寬度方向劃分出2個子區(qū)域。鋼材纖維的本構(gòu)模型選擇具有各向同性應(yīng)變硬化的單軸 Giuffre-Menegotto-Pinto(Steel02)鋼材料對象。對于物理子結(jié)構(gòu)的選取,在子結(jié)構(gòu)試驗中通常將子結(jié)構(gòu)的邊界建立在反彎點處,以避免模擬轉(zhuǎn)動自由度。因此,本文除將二層框架結(jié)構(gòu)下層SCED作為物理子結(jié)構(gòu)外,還將底層鋼框架柱的一半作為物理子結(jié)構(gòu)。
本次數(shù)值混合模擬二層框架結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)底層鋼框架柱采用OpenSees模擬,SCED采用MATLAB模擬。本次試驗仿真假定:試驗子結(jié)構(gòu)與數(shù)值子結(jié)構(gòu)采用相同模型、試驗子結(jié)構(gòu)先于數(shù)值子結(jié)構(gòu)進入非線性、試驗子結(jié)構(gòu)和更新的數(shù)值子結(jié)構(gòu)加載路徑差異對結(jié)構(gòu)無影響??蚣芙Y(jié)構(gòu)模型參數(shù)如下所示:每層結(jié)構(gòu)質(zhì)量為Mn1=Mn2=2 000 t,框架結(jié)構(gòu)的層間水平剛度剛度為Kn1=Kn2=80 000 kN/m,框架結(jié)構(gòu)的層間阻尼系數(shù)為Cn1=Cn2=1 550 kN/(m/s),此處n1、n2分別為數(shù)值結(jié)構(gòu)的一層和二層,支撐與樓面夾角均為28.81°,每層SCED結(jié)構(gòu)恢復力模型采用MFS模型。地震作用選取EI Centro(1940,NS)地震波,地震動峰值加速度為400 cm/s2,加載制度如圖6所示。
圖6 EI Centro地震動加載Fig.6 EI Centro loading system
本次模擬采用CKF方法識別物理子結(jié)構(gòu)的模型參數(shù),識別物理子結(jié)構(gòu)的模型參數(shù)包括:下層支撐滯變位移、加載位移及MFS模型關(guān)鍵參數(shù)b、K、Q、鋼框架柱屈服強度fy、彈性模量E、鋼材硬化系數(shù)b1,物理子結(jié)構(gòu)的模型參數(shù)值如表1所示。利用識別關(guān)鍵參數(shù)值去更新數(shù)值子結(jié)構(gòu)模型參數(shù),通過模型參數(shù)識別結(jié)果及整體結(jié)構(gòu)的震后響應(yīng)驗證多尺度模型更新數(shù)值混合模擬的可行性。本次識別過程中,物理子結(jié)構(gòu)的識別分為兩個部分,第一部分為底層鋼框架柱識別部分,第二部分為底層MFS模型識別部分,此處需要明確的是,兩次識別在整個模擬過程中同時進行同時結(jié)束,以確保試驗準確性。
表1 模型參數(shù)Tab.1 Model parameters
(28)
式中,x為加載位移。
y=x4·x·A+(1-A)·(1-x5)·x4·R(x)+
(1-A)·x5·x4·x1+VQ1
(29)
(30)
(31)
VQ1=10-26×I5
(32)
式中,I5為5×5的單位矩陣。
WR1=10-10×I1
(33)
式中,I1為1×1的單位矩陣。
VQ2=0.4×I3
(34)
式中,I3為3×3的單位矩陣。
WR2=0.4×I1
(35)
(36)
(36)
(37)
CKF識別模型參數(shù)結(jié)果如圖7所示。
(a) 滯變位移識別值
使用CKF方法得到的支撐恢復力如圖8所示。
(a) 上層支撐恢復力
使用CKF方法得到的支撐滯回曲線及整體結(jié)構(gòu)滯回曲線如圖9所示。
(a) 下層支撐滯回曲線
由圖7、圖8、圖9可以看出,使用CKF方法得到的模型參數(shù)識別值及滯回曲線與真實值吻合程度較高,收斂至真實值的速度較快,且與真實值誤差較小。從圖8中可以發(fā)現(xiàn),相比真實值模擬得到的支撐恢復力,基于多尺度模型更新數(shù)值混合模擬方法所得到的支撐恢復力與采用參數(shù)真實值得到的支撐恢復力吻合良好;雖然在初期由于參數(shù)識別過程的波動導致基于多尺度模型更新數(shù)值混合模擬方法所得到的支撐恢復力與采用參數(shù)真實值進行非線性分析得到的支撐恢復力存在一定差異,由于參數(shù)識別屬于反問題求解,參數(shù)識別值初期都會經(jīng)歷一定的波動,之后逐漸收斂到一個穩(wěn)態(tài)值。從耗能角度分析,CKF方法得到的下層支撐滯回曲線、上層支撐滯回曲線、整體結(jié)構(gòu)滯回曲線與真實值的相對誤差分別為5.69%、7.29%、6.47%,相對誤差較小,可以更好地模擬結(jié)構(gòu)真實響應(yīng)。
為了能定量評價算法識別精度,定義獨立仿真的相對誤差(relative error,RE)為
(38)
模型參數(shù)識別值的相對誤差如圖10。
結(jié)合圖7、圖10可以看出,在參數(shù)識別過程中的前10 s,參數(shù)識別值并沒有達到穩(wěn)定階段,參數(shù)識別值波動較為明顯,導致參數(shù)識別值相對誤差較大,這是因為每次運行的觀測噪聲是隨機的,從本質(zhì)上講CKF算法是一種隨機算法,每一次識別的結(jié)果都存在差異,并且算法初始參數(shù)的設(shè)置對識別結(jié)果也有一定的影響,往往試驗者常根據(jù)經(jīng)驗估計算法初始參數(shù)值,從而導致參數(shù)識別前期產(chǎn)生較大的波動。此外,模型參數(shù)敏感性對識別結(jié)果也有一定的影響,敏感性小的參數(shù)識別起來相對難度更大。隨著時間的增長,多尺度模型更新數(shù)值混合模擬方法得到的模型參數(shù)識別值相對誤差逐漸降低,最終達到平穩(wěn)階段。MFS模型參數(shù)b、K、Q的平均相對誤差分別為18.75%、4.38%、13.69%,鋼材料模型參數(shù)fy、E、b1的平均相對誤差分別為11.23%、5.26%、19.56%,可見多尺度模型更新混合模擬方法具有較好的識別精度。
圖10 參數(shù)相對誤差圖Fig.10 Relative error diagram of parameters
為了能夠更好說明多尺度模型更新數(shù)值混合模擬方法的優(yōu)勢,分別單一對鋼框架模型參數(shù)及單一對構(gòu)件模型進行模型更新,數(shù)值模擬過程中單純考慮更新一種層面上的模型參數(shù),整體結(jié)構(gòu)滯回曲線如圖11所示。通過對二層整體鋼框架結(jié)構(gòu)的耗能、殘余變形、頂層相對位移及最大層間位移角分別進行分析,以驗證多尺度模型更新數(shù)值混合模擬方法的可行性及有效性。
由圖11(a)可以看出,單獨進行鋼材料模型更新對整體結(jié)構(gòu)滯回曲線的結(jié)果影響很大,不足以反映結(jié)構(gòu)真實響應(yīng)。為了定量分析整體結(jié)構(gòu)的耗能能力,采用結(jié)構(gòu)的累計耗能值作為衡量指標,即采用EI Centro地震動加載產(chǎn)生滯回環(huán)的面積作為衡量的指標。從耗能的角度分析,單純對鋼材料模型更新得到的滯回曲線與真實值耗能相對誤差為34.35%,而多尺度模型更新數(shù)值混合模擬方法得到的滯回曲線與真實值耗能相對誤差為6.47%,多尺度模型更新數(shù)值混合模擬方法相對誤差降低了27.88%。
(a) 鋼材料模型更新
由圖11(b)可以看出,單獨進行MFS模型更新對整體結(jié)構(gòu)滯回曲線的結(jié)果影響很大,與結(jié)構(gòu)真實加載響應(yīng)存在較大差異。從耗能的角度分析,MFS模型更新與真實值耗能相對誤差為29.32%,而多尺度模型更新數(shù)值混合模擬方法與真實值耗能相對誤差為6.47%,多尺度模型更新數(shù)值混合模擬方法相對誤差降低了22.85%。
通過單獨對鋼材料模型更新、MFS模型更新以及多尺度模型更新數(shù)值混合模擬三種方式,分別計算整體結(jié)構(gòu)的頂層相對位移,驗證所提出方法的有效性,結(jié)構(gòu)頂層相對位移如圖12所示。
(a) 頂層相對位移
由圖12(a)可以看出,單獨對鋼材料模型更新及單獨對MFS模型更新所得到的頂層最大相對位移分別為0.120 m和0.125 m,產(chǎn)生的最大層間位移角分別為1/60和1/57.6,而多尺度模型更新數(shù)值模擬方法得到的頂層最大相對位移僅為0.095 m,產(chǎn)生的最大層間位移角為1/75.79,頂層最大相對位移與真實值的相對誤差為2.96%,最大層間位移角與真實值的相對誤差為5.6%,與單獨對鋼材料模型更新和單獨對MFS模型更新所得到的相對誤差相比,最大相對位移相對誤差分別降低了20.41%和25.55%,最大層間位移角分別降低了28.23%和30.02%。
由圖12(b)可以看出,單獨對鋼材料模型更新及單獨對MFS模型更新所得到的結(jié)構(gòu)殘余變形分別為5.72×10-5m和5.95×10-5m,結(jié)構(gòu)殘余變形與真實值相對誤差分別為25.44%和30.48%,而多尺度模型更新數(shù)值混合模擬方法得到的結(jié)構(gòu)殘余變形為4.63×10-5m,和真實殘余變形相對誤差為1.53%,與單獨對鋼材料模型更新及單獨對MFS模型更新所得到的相對誤差相比,分別降低了23.91%和28.95%。相對誤差圖如圖13所示。
圖13 相對誤差圖Fig.13 Relative error diagram
圖13為三種不同模型更新方法對整體結(jié)構(gòu)的滯回曲線耗能量、殘余變形、頂層相對位移及最大層間位移角的相對誤差圖。由圖13可知,多尺度模型更新數(shù)值混合模擬方法與鋼材料模型更新方法及MFS模型更新方法相比,多尺度模型更新數(shù)值混合模擬精度更高。
本文提出自復位摩擦耗能支撐結(jié)構(gòu)多尺度模型更新數(shù)值混合模擬方法,以二層帶有SCED的鋼結(jié)構(gòu)框架為例,通過使用CKF算法進行多尺度模型更新數(shù)值混合模擬。得出以下結(jié)論:
(1)基于CKF的多尺度模型更新數(shù)值混合模擬方法解決了大型復雜結(jié)構(gòu)的模型更新,提高了含有多種不同類型構(gòu)件結(jié)構(gòu)的模型更新數(shù)值混合模擬精度,擴展了數(shù)值混合模擬的工程應(yīng)用能力。
(2)與單一材料模型更新傳統(tǒng)數(shù)值混合模擬方法相比,基于CKF的多尺度模型更新數(shù)值混合模擬方法極大程度降低了耗能、殘余變形、頂層相對位移、最大層間位移角的相對誤差,驗證了多尺度模型更新數(shù)值混合模擬方法的有效性,具有廣闊的應(yīng)用前景。