基于速度控制法的實(shí)時(shí)子結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

基于速度控制法的實(shí)時(shí)子結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

近年來(lái)，對(duì)實(shí)時(shí)子結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的研究是一個(gè)熱點(diǎn)。它結(jié)合了靜態(tài)抵抗試驗(yàn)、振動(dòng)試驗(yàn)和地震反應(yīng)值計(jì)算的優(yōu)點(diǎn)，取得了迅速的發(fā)展。然而，本研究主要限于位移控制，在實(shí)驗(yàn)中忽視了加載速度試驗(yàn)結(jié)果的影響，這對(duì)于具有較高速度相關(guān)的橡膠絕緣支架的試驗(yàn)結(jié)果是不正確的。另一方面，當(dāng)前的實(shí)時(shí)子結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要采用兩種插值補(bǔ)償或插值補(bǔ)償法，以解決實(shí)驗(yàn)中的延遲問題。許多研究人員希望采用最佳數(shù)值算法來(lái)減少實(shí)驗(yàn)誤差，但這些誤差補(bǔ)償方法使實(shí)驗(yàn)控制程序復(fù)雜化、冗余，并有增加目標(biāo)位移信號(hào)的計(jì)算、轉(zhuǎn)換和處理時(shí)間長(zhǎng)，這加劇了誤差問題。本文主要研究基于速度控制的實(shí)時(shí)子結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),該系統(tǒng)最新采用PC-DSP(digitalsignalprocessor,高速數(shù)字信號(hào)處理器)硬件控制系統(tǒng),使速度控制的概念得以實(shí)現(xiàn).同時(shí),控制程序中采用OS(operatorsplitting)數(shù)值積分法,增強(qiáng)了分析程序的穩(wěn)定性和收斂性,不受時(shí)間步長(zhǎng)的限制.在研究速度控制型實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,對(duì)隔震橋梁結(jié)構(gòu)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(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,并與時(shí)程分析的結(jié)果對(duì)比,驗(yàn)證了速度控制型實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的精確性.1橡膠隔震性能測(cè)試控制系統(tǒng)運(yùn)用速度控制型實(shí)時(shí)子結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)檢驗(yàn)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(shí)驗(yàn)中的數(shù)值子結(jié)構(gòu),依靠其數(shù)值模型在控制程序中形成動(dòng)力方程中的剛度矩陣和阻尼矩陣.力學(xué)性能極其復(fù)雜的橡膠隔震支座是實(shí)驗(yàn)中的實(shí)驗(yàn)子結(jié)構(gòu),其每一時(shí)間步長(zhǎng)的恢復(fù)力依靠MTS公司生產(chǎn)的水平液壓伺服作動(dòng)器的信號(hào)通道連續(xù)獲得,通過(guò)A/D(模擬/數(shù)字)轉(zhuǎn)化器輸入數(shù)值子結(jié)構(gòu)的控制程序中,依靠DSP計(jì)算橡膠隔震支座的下一時(shí)間步長(zhǎng)的目標(biāo)位移和速度,再通過(guò)D/A傳感器輸入到MTS水平液壓伺服作動(dòng)器的FlexTestGT控制系統(tǒng),并對(duì)橡膠隔震支座進(jìn)行實(shí)驗(yàn)加載,如此往復(fù).與基于位移控制的實(shí)時(shí)子結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)控制系統(tǒng)相比,該系統(tǒng)有三個(gè)新內(nèi)容,分別是:①在實(shí)驗(yàn)控制程序方面,采用適應(yīng)橡膠材料擁有速度相關(guān)性的速度控制法;②為了實(shí)時(shí)模擬隔震橋梁的地震反應(yīng),采用DSP,直接與A/D,D/A信號(hào)轉(zhuǎn)換程序模塊連接,高速計(jì)算、處理和控制信號(hào),實(shí)現(xiàn)了基于速度控制法的實(shí)時(shí)子結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng).③實(shí)驗(yàn)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(shí)間步長(zhǎng)的限制.1.1flusportrt控制系統(tǒng)的應(yīng)用本實(shí)驗(yàn)在日本愛知工業(yè)大學(xué)抗震減震實(shí)驗(yàn)中心完成,其高速水平和豎向加載設(shè)備如圖2所示.水平加載設(shè)備是MTS液壓伺服作動(dòng)器,由MTS公司提供的FlexTestGT控制系統(tǒng)控制,利用其外部信號(hào)輸入接口,控制程序中計(jì)算出的位移信號(hào)傳輸?shù)紽lexTestGT控制系統(tǒng)控制MTS作動(dòng)器.實(shí)驗(yàn)中使用的動(dòng)力液壓伺服作動(dòng)器在動(dòng)力加載時(shí)可以達(dá)到±1000kN,靜力加載時(shí)可以達(dá)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(yùn)動(dòng),符合橋梁橡膠隔震支座的真實(shí)受力狀態(tài).1.2實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)控制時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)保持MTS動(dòng)力加載裝置以特定的速度勻速運(yùn)行.具體的控制方法如圖3所示.當(dāng)控制程序運(yùn)行完第i步時(shí),試件運(yùn)行速度v(i)通過(guò)數(shù)值積分計(jì)算出,同時(shí)計(jì)算出第i+1步的預(yù)測(cè)位移目標(biāo)值.在第i步到第i+1步的Δt時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi),實(shí)驗(yàn)試件在動(dòng)力液壓伺服作動(dòng)器加載下以勻速運(yùn)行.當(dāng)Δt時(shí)間步長(zhǎng)結(jié)束或者已達(dá)到預(yù)測(cè)位移目標(biāo)值,測(cè)量此刻試件的實(shí)際恢復(fù)力和實(shí)際位移,并以此為基礎(chǔ)計(jì)算速度v(i)和第i+2步的目標(biāo)位移.在測(cè)量和計(jì)算過(guò)程中,實(shí)驗(yàn)試件繼續(xù)以v(i)勻速運(yùn)動(dòng),并且將此時(shí)的位移控制在誤差允許范圍內(nèi).一旦v(i+1)計(jì)算出,動(dòng)力加載設(shè)備將運(yùn)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(shí)時(shí)擬動(dòng)力實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中極其復(fù)雜的數(shù)值計(jì)算及控制程序.本實(shí)驗(yàn)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(shí)際剛度略大,在一定范圍內(nèi),無(wú)論采用的時(shí)間步長(zhǎng)是多少,計(jì)算控制程序都是無(wú)條件穩(wěn)定.同時(shí),由于實(shí)驗(yàn)中不斷地修正預(yù)測(cè)位移目標(biāo)值,初試條件中的誤差會(huì)隨著實(shí)驗(yàn)進(jìn)行而很快消除.這樣,在編寫控制程序時(shí),可以避免受時(shí)間步長(zhǎng)的限制,因此,這種數(shù)值求解方法是最適合速度控制型實(shí)時(shí)子結(jié)構(gòu)擬動(dòng)力實(shí)驗(yàn)使用.綜上所述,本實(shí)驗(yàn)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(jì)算流程如下:步驟1,在控制程序中,定義時(shí)間步長(zhǎng)Δt、結(jié)構(gòu)的質(zhì)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(yīng)變時(shí)的等效剛度K)、地震波加速度函數(shù).步驟2,計(jì)算A=M+(ΔtC)/2+(Δt2K)/4.步驟3,當(dāng)i=0時(shí),定義結(jié)構(gòu)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(shí)驗(yàn)方法2.1橋墩模型的一次振型實(shí)驗(yàn)中使用的橋墩結(jié)構(gòu)如圖4a所示,圖4b是其簡(jiǎn)化的三自由度模型.其橋墩的高度Lc=10m,橋墩基礎(chǔ)的平面尺寸為6.3m×6.3m,基礎(chǔ)高度Lf=2.0m,橋墩的斷面尺寸為5.22m×2.4m,橋面的質(zhì)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(shí)驗(yàn)中使用的隔震橡膠支座是0.5的縮尺模型,面積是實(shí)際的1/4.而在實(shí)際情況中,每個(gè)橋墩使用兩個(gè)隔震橡膠墊.因此,實(shí)際每個(gè)橋墩上的隔震橡膠支座的總恢復(fù)力是實(shí)驗(yàn)中單個(gè)支座實(shí)測(cè)值的8倍.2.2膠隔震裝置如前所述,本次使用的實(shí)驗(yàn)構(gòu)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(shè)計(jì)等效阻尼系數(shù)分別為0.08,0.16,0.21,采用日本建設(shè)省提供的針對(duì)二類場(chǎng)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(shí)驗(yàn)采用速度控制型實(shí)時(shí)子結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),精確檢驗(yàn)了三種橡膠隔震支座NR,HDR,HDR-S對(duì)10m高橋墩的減震效果.與傳統(tǒng)的位移控制型實(shí)時(shí)子結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比,NR,HDR,HDR-S的最大地震反應(yīng)位移分別減少了3%,11%和17%.說(shuō)明對(duì)于速度相關(guān)型實(shí)驗(yàn)構(gòu)件(如高阻尼與超高阻尼橡膠隔震支座),由于位移控制型實(shí)時(shí)子結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)未考慮加載速度對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響,實(shí)驗(yàn)結(jié)果偏大;而對(duì)于速度相關(guān)性小的天然橡膠隔震支座,實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的精度是能夠滿足要求的.與此同時(shí),將實(shí)驗(yàn)中支座的位移時(shí)程曲線和采用線性模型的數(shù)值分析結(jié)果對(duì)比,結(jié)果如圖5所示.二者的最大誤差控制在5%以內(nèi),這說(shuō)明速度控制型實(shí)驗(yàn)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(yīng)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(duì)地震反應(yīng)有較大的差別,其中,NR的地震反應(yīng)位移較大,而HDR-S的地震反應(yīng)位移最小.通過(guò)計(jì)算實(shí)驗(yàn)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(hù)橋梁的主體結(jié)構(gòu).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(jié)構(gòu)的最大加速度反應(yīng)和橋墩底部彎矩根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)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(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果均比NR大致減少33%,比HDR減少21%.由于地震中橋梁結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)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(yīng)和橋墩底部的最大彎矩時(shí),HDR-S的實(shí)驗(yàn)結(jié)果比HDR減少6%～18%.步驟4,計(jì)算橋梁結(jié)構(gòu)的預(yù)測(cè)位移目標(biāo)向量絕對(duì)值步驟5,計(jì)算在地震作用下橋梁結(jié)構(gòu)的外力荷載步驟6,液壓伺服作動(dòng)器以速度v(i)=v3(i)-v2(i),向預(yù)測(cè)目標(biāo)位移dtes(ti+1)勻速運(yùn)動(dòng).其中,步驟7,等待液壓伺服作動(dòng)器到達(dá)目標(biāo)位移,或者等待Δt用完.步驟8,測(cè)量此時(shí)隔震橡膠墊的實(shí)際恢復(fù)力步驟9,計(jì)算隔震橡膠墊的恢復(fù)力修正值步驟10,形成實(shí)驗(yàn)子結(jié)構(gòu)的恢復(fù)力向量修正值:步驟11,計(jì)算數(shù)值子結(jié)構(gòu)的恢復(fù)力向量步驟