基于速度控制法的實時子結構實驗系統(tǒng)

基于速度控制法的實時子結構實驗系統(tǒng)

近年來，對實時子結構實驗系統(tǒng)的研究是一個熱點。它結合了靜態(tài)抵抗試驗、振動試驗和地震反應值計算的優(yōu)點，取得了迅速的發(fā)展。然而，本研究主要限于位移控制，在實驗中忽視了加載速度試驗結果的影響，這對于具有較高速度相關的橡膠絕緣支架的試驗結果是不正確的。另一方面，當前的實時子結構實驗系統(tǒng)主要采用兩種插值補償或插值補償法，以解決實驗中的延遲問題。許多研究人員希望采用最佳數(shù)值算法來減少實驗誤差，但這些誤差補償方法使實驗控制程序復雜化、冗余，并有增加目標位移信號的計算、轉換和處理時間長，這加劇了誤差問題。本文主要研究基于速度控制的實時子結構實驗系統(tǒng),該系統(tǒng)最新采用PC-DSP(digitalsignalprocessor,高速數(shù)字信號處理器)硬件控制系統(tǒng),使速度控制的概念得以實現(xiàn).同時,控制程序中采用OS(operatorsplitting)數(shù)值積分法,增強了分析程序的穩(wěn)定性和收斂性,不受時間步長的限制.在研究速度控制型實驗系統(tǒng)的基礎上,對隔震橋梁結構中天然橡膠隔震支座(NR)、高阻尼橡膠隔震支座(HDR)和超高阻尼橡膠隔震支座(HDR-S)的隔震效果進行了實驗研究,并與時程分析的結果對比,驗證了速度控制型實驗系統(tǒng)的精確性.1橡膠隔震性能測試控制系統(tǒng)運用速度控制型實時子結構實驗系統(tǒng)檢驗橋梁橡膠隔震支座的隔震效果的基本原理如圖1所示.在控制系統(tǒng)中,混凝土橋墩部分是實驗中的數(shù)值子結構,依靠其數(shù)值模型在控制程序中形成動力方程中的剛度矩陣和阻尼矩陣.力學性能極其復雜的橡膠隔震支座是實驗中的實驗子結構,其每一時間步長的恢復力依靠MTS公司生產(chǎn)的水平液壓伺服作動器的信號通道連續(xù)獲得,通過A/D(模擬/數(shù)字)轉化器輸入數(shù)值子結構的控制程序中,依靠DSP計算橡膠隔震支座的下一時間步長的目標位移和速度,再通過D/A傳感器輸入到MTS水平液壓伺服作動器的FlexTestGT控制系統(tǒng),并對橡膠隔震支座進行實驗加載,如此往復.與基于位移控制的實時子結構實驗控制系統(tǒng)相比,該系統(tǒng)有三個新內容,分別是:①在實驗控制程序方面,采用適應橡膠材料擁有速度相關性的速度控制法;②為了實時模擬隔震橋梁的地震反應,采用DSP,直接與A/D,D/A信號轉換程序模塊連接,高速計算、處理和控制信號,實現(xiàn)了基于速度控制法的實時子結構實驗系統(tǒng).③實驗系統(tǒng)中采用OS數(shù)值積分法,使分析程序的穩(wěn)定性不再受到時間步長的限制.1.1flusportrt控制系統(tǒng)的應用本實驗在日本愛知工業(yè)大學抗震減震實驗中心完成,其高速水平和豎向加載設備如圖2所示.水平加載設備是MTS液壓伺服作動器,由MTS公司提供的FlexTestGT控制系統(tǒng)控制,利用其外部信號輸入接口,控制程序中計算出的位移信號傳輸?shù)紽lexTestGT控制系統(tǒng)控制MTS作動器.實驗中使用的動力液壓伺服作動器在動力加載時可以達到±1000kN,靜力加載時可以達到±1464kN,水平位移的范圍是±460mm.此加載系統(tǒng)保證橡膠隔震支座處于單純的水平運動,符合橋梁橡膠隔震支座的真實受力狀態(tài).1.2實驗流程和控制程序os數(shù)值求解方法,根據(jù)速度控制的速度控制a本研究的速度控制原理是在實驗控制時間步長內保持MTS動力加載裝置以特定的速度勻速運行.具體的控制方法如圖3所示.當控制程序運行完第i步時,試件運行速度v(i)通過數(shù)值積分計算出,同時計算出第i+1步的預測位移目標值.在第i步到第i+1步的Δt時間步長內,實驗試件在動力液壓伺服作動器加載下以勻速運行.當Δt時間步長結束或者已達到預測位移目標值,測量此刻試件的實際恢復力和實際位移,并以此為基礎計算速度v(i)和第i+2步的目標位移.在測量和計算過程中,實驗試件繼續(xù)以v(i)勻速運動,并且將此時的位移控制在誤差允許范圍內.一旦v(i+1)計算出,動力加載設備將運行速度改為v(i+1).速度控制法可以避免編寫以往用位移控制的實時擬動力實驗系統(tǒng)中極其復雜的數(shù)值計算及控制程序.本實驗系統(tǒng)采用OS數(shù)值求解方法.在此方法中,只要程序中試件的初始剛度比實際剛度略大,在一定范圍內,無論采用的時間步長是多少,計算控制程序都是無條件穩(wěn)定.同時,由于實驗中不斷地修正預測位移目標值,初試條件中的誤差會隨著實驗進行而很快消除.這樣,在編寫控制程序時,可以避免受時間步長的限制,因此,這種數(shù)值求解方法是最適合速度控制型實時子結構擬動力實驗使用.綜上所述,本實驗系統(tǒng)是基于速度控制原理及OS求解理論的.具體的控制及數(shù)值計算流程如下:步驟1,在控制程序中,定義時間步長Δt、結構的質量矩陣M、阻尼矩陣C和剛度矩陣K(試件的初始剛度采用橡膠隔震支座30%應變時的等效剛度K)、地震波加速度函數(shù).步驟2,計算A=M+(ΔtC)/2+(Δt2K)/4.步驟3,當i=0時,定義結構的初始位移向量d(0)=0,速度向量v(0)=0和加速度向量a(i)=0.2實驗方法2.1橋墩模型的一次振型實驗中使用的橋墩結構如圖4a所示,圖4b是其簡化的三自由度模型.其橋墩的高度Lc=10m,橋墩基礎的平面尺寸為6.3m×6.3m,基礎高度Lf=2.0m,橋墩的斷面尺寸為5.22m×2.4m,橋面的質量m3=714000kg.橋墩模型的一次振型為{0.08,0.133,0.991}T,周期為1.27s.實驗中使用的隔震橡膠支座是0.5的縮尺模型,面積是實際的1/4.而在實際情況中,每個橋墩使用兩個隔震橡膠墊.因此,實際每個橋墩上的隔震橡膠支座的總恢復力是實驗中單個支座實測值的8倍.2.2膠隔震裝置如前所述,本次使用的實驗構件是天然橡膠隔震支座(NR),高阻尼橡膠隔震支座(HDR)和超高阻尼橡膠隔震支座(HDR-S)三種,平面尺寸都采用400mm×400mm,橡膠純厚度為120mm,水平剪切彈性模量采用G12(1.2MPa).其設計等效阻尼系數(shù)分別為0.08,0.16,0.21,采用日本建設省提供的針對二類場地的L2T1Soil2地震波,其最大加速度峰值為0.22g.3阻尼橡膠隔震實驗采用速度控制型實時子結構實驗系統(tǒng),精確檢驗了三種橡膠隔震支座NR,HDR,HDR-S對10m高橋墩的減震效果.與傳統(tǒng)的位移控制型實時子結構實驗結果相比,NR,HDR,HDR-S的最大地震反應位移分別減少了3%,11%和17%.說明對于速度相關型實驗構件(如高阻尼與超高阻尼橡膠隔震支座),由于位移控制型實時子結構實驗系統(tǒng)未考慮加載速度對實驗的影響,實驗結果偏大;而對于速度相關性小的天然橡膠隔震支座,實驗系統(tǒng)的精度是能夠滿足要求的.與此同時,將實驗中支座的位移時程曲線和采用線性模型的數(shù)值分析結果對比,結果如圖5所示.二者的最大誤差控制在5%以內,這說明速度控制型實驗系統(tǒng)的精確性.L2T1Soil2地震波輸入條件下的10m高橋墩中使用的三種橡膠隔震支座的地震反應滯回曲線,在圖6中列出.從圖中觀察到不同橡膠隔震支座對地震反應有較大的差別,其中,NR的地震反應位移較大,而HDR-S的地震反應位移最小.通過計算實驗中的橡膠隔震支座的等效阻尼系數(shù),考察每種橡膠隔震支座的耗能能力,NR,HDR,HDR-S的等效阻尼系數(shù)分別為13%,16%和24%.這表明,地震中HDR-S能最有效地吸收地震能量從而保護橋梁的主體結構.因此,擁有高阻尼特性的橡膠隔震支座在地震中吸收較多的地震能量,隔震效果較好.4結構的最大加速度反應和橋墩底部彎矩根據(jù)實驗結果,考察橋墩頂部的最大位移和橋面的最大位移,HDR-S的兩項評價指標的實驗結果均比NR大致減少33%,比HDR減少21%.由于地震中橋梁結構的地震反應位移較大,因此,擁有高阻尼特性的橡膠隔震支座能更有效地耗能.與NR,HDR相比,HDR-S的超高阻尼特性得以發(fā)揮.考察橋面的最大加速度反應和橋墩底部的最大彎矩時,HDR-S的實驗結果比HDR減少6%～18%.步驟4,計算橋梁結構的預測位移目標向量絕對值步驟5,計算在地震作用下橋梁結構的外力荷載步驟6,液壓伺服作動器以速度v(i)=v3(i)-v2(i),向預測目標位移dtes(ti+1)勻速運動.其中,步驟7,等待液壓伺服作動器到達目標位移,或者等待Δt用完.步驟8,測量此時隔震橡膠墊的實際恢復力步驟9,計算隔震橡膠墊的恢復力修正值步驟10,形成實驗子結構的恢復力向量修正值:步驟11,計算數(shù)值子結構的恢復力向量步驟