混合試驗是在線結合實驗室物理加載與計算機數(shù)值模擬從而評估結構性能的新型抗震試驗方法。通常來講,混合試驗將待評估結構中的關鍵部位作為物理子結構在實驗室中進行加載,而剩余部分則作為數(shù)值子結構在計算機中模擬。如此以來,在很大程度上節(jié)省實驗室資源,從而能夠開展大比例尺甚至足尺結構的性能評估。然而,當物理子結構邊界自由度較多時,受加載設備、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構的受力狀態(tài),影響結構性能評估的準確性。如何在現(xiàn)有條件下,通過不完整邊界條件的混合試驗獲取高精度混合模擬結果,并合理判斷結構抗震性能,成為抗震試驗研究的新挑戰(zhàn)。本文稱無法完全實現(xiàn)的物理子結構邊界條件的現(xiàn)實為不完整邊界條件問題。為了解決該問題,本文提出了一種新型混合試驗方法——基于模型更新的在線數(shù)值模擬方法,并針對該方法的部分關鍵科學問題開展了研究。主要研究內容如下:1.針對模型更新混合試驗的核心問題,提出基于梯度的材料本構模型參數(shù)估計方法;基于李雅普諾夫穩(wěn)定理論,證明卡爾曼濾波器在用于參數(shù)估計時的收斂性,研究擴展的卡爾曼濾波器的收斂條件。闡述卡爾曼濾波器與加權遞推最小二乘法的關系,給出卡爾曼濾波器參數(shù)取值建議。分析表明,隱性卡爾曼濾波器本質上是隨機最小二乘法,它是一種高精度的次優(yōu)估計器;以任意非線性標量系統(tǒng)為例分析了比例對稱采樣的精度,得到了達到四階精度時采樣參數(shù)需要滿足的條件。數(shù)值算例表明,隱性卡爾曼濾波器具有較快的收斂速度和較強的魯棒性。2.提出基于模型更新的在線數(shù)值模擬方法。新方法中結構反應由整體結構數(shù)值模型計算得到,邊界條件自然得到滿足;物理子結構的恢復力不再返回到時間積分模塊參與運動方程的求解,而是返回到參數(shù)估計模塊用于數(shù)值模型本構參數(shù)在線估計�；赥CP/IP網(wǎng)絡傳輸協(xié)議,在不更改有限元軟件Open Sees框架的前提下實現(xiàn)了MATLAB和Open Sees的通訊;通過修改Open Sees源代碼,實現(xiàn)了混合試驗的力-位移同步加載模擬。研究結果表明,在線數(shù)值模擬方法能夠獲得較高的模擬精度且具有較強的魯棒性;單方面的本構模型參數(shù)更新并不一定能夠改善混合試驗的模擬精度;新方法可以彌補本構模型不準確以及對本構模型認識不足帶來的不利影響。3.搭建了基于Open Sees-MATLAB-Hy Test Connector-MTS的三環(huán)混合試驗架構,并以鋼筋混凝土框架結構為例,完成了在線數(shù)值模擬方法的試驗驗證。研究結果表明,在線數(shù)值模擬方法對邊界條件具有較強的魯棒性,可以獲取高精度混合試驗模擬結果,從而為評估結構的抗震性能提供支持和依據(jù);與數(shù)值模擬類似,參數(shù)估計在初期表現(xiàn)出明顯的波動,隨后快速收斂至穩(wěn)態(tài)值;受模型誤差的影響,在線估計得到的參數(shù)收斂值表現(xiàn)出地震動峰值加速度相關性;物理子結構豎向力邊界的波動對最終的參數(shù)估計結果影響較小。4.以短肢剪力墻結構和防屈曲支撐-鋼筋混凝土框架結構為例,探討了在線數(shù)值模擬方法在大型建筑結構抗震試驗中的適用性;研究了采用歐拉梁模擬剪力墻的適用條件;提出了三段式防屈曲支撐建模方法;探討了多本構模型參數(shù)估計方法的可行性以及觀測量個數(shù)對參數(shù)估計的影響。研究結果表明,在線數(shù)值模擬方法適用于復雜建筑結構抗震試驗;在高維參數(shù)估計時,隱性卡爾曼濾波器依然具有較高的精度和較快的收斂速度;對處于靜定或超靜定狀態(tài)的土木工程結構來講,單觀測量模式足以保證參數(shù)估計的準確性。
【學位單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：TU352.11
【部分圖文】：

中間環(huán)為有效位移控制回路，由 HyTest Connector 完成。HyTest Connec MTS VB COM 程序庫，采用 VB 語言開發(fā)的一款軟件，能夠實現(xiàn)與 M統(tǒng)的通訊和控制功能。HyTest Connector 在 Microsoft Windows 操作系統(tǒng)現(xiàn)，避免引入實時運算平臺，具有便捷、經(jīng)濟的優(yōu)點。HyTest Connector移（協(xié)調器發(fā)送）為控制目標、以外接位移計為位移反饋，采用 PI 控制作動筒命令位移，并以斜坡-保持方式將其發(fā)送給內環(huán)，即電液伺服加載系est Connector 在 MTS 控制器所在計算機上運行，不需安裝，直接讀取電統(tǒng)位移傳感器和數(shù)據(jù)采集卡上的信號。外環(huán)為數(shù)值積分算法環(huán)路，它的主要功能是求解結構運動方程獲取結構新結構狀態(tài)（本文由有限元軟件 OpenSees 完成）。為保證混合試驗順利開協(xié)調器在單獨的計算機上，以避免程序崩潰而使試驗控制系統(tǒng)不可控，臺計算機完成混合試驗。兩臺計算機采用網(wǎng)線連接。用于模型更新混合線數(shù)值模擬的參數(shù)估計程序采用 MATLAB 語言編寫，該程序位于外環(huán)控制系統(tǒng)具體的實物連接見圖 4-4。

裂縫均出現(xiàn)在地震動峰值加速度為 125gal 時。為此，在線數(shù)值模擬方法在地震動峰值加速度較大時，即結構產生肉眼可見的裂縫后，具有較好的效果。35gal 55gal 70gal 125gal 220gal 310gal 400gal04080120160200工況MRSE%()ONS-PMUHS-PONS-OTHS-Oa) 整體誤差35gal 55gal 70gal 125gal 220gal 310gal 400gal0306090120150180工況RE(%)ONS-PMUHS-PONS-OTHS-Ob) 最大相對誤差圖 4-10 混合試驗位移誤差直方圖Fig. 4-10 Displacement error histograms for hybrid simulations

【參考文獻】

相關期刊論文 前10條

1 譚曉晶;王貞;吳斌;周惠蒙;阿拉塔;;基于位移正反饋的力與位移切換控制加載方法[J];振動與沖擊;2015年24期

2 楊格;王貞;吳斌;楊婧;許國山;陳永盛;;建筑結構混合試驗平臺HyTest開發(fā)研究[J];建筑結構學報;2015年11期

3 王貞;劉進進;吳斌;許國山;;基于近完全時滯補償?shù)碾[式實時混合試驗方法[J];振動工程學報;2015年03期

4 王貞;劉進進;吳斌;;實時混合試驗近完全時滯補償方法的參數(shù)確定[J];工程力學;2014年10期

5 趙博宇;丁勇;吳斌;;基于擴展卡爾曼估計算法的地震模擬振動臺模型識別[J];振動與沖擊;2014年12期

6 蘇宇坤;潘鵬;鄧開來;苗啟松;李文峰;;子結構擬動力試驗方法在老舊住宅外套式加固改造工程中的應用[J];建筑結構學報;2014年02期

7 譚曉晶;吳斌;王貞;;采用力控制加載的擬動力試驗等效力控制方法[J];振動工程學報;2013年03期

8 譚曉晶;吳斌;;外環(huán)位移控制與內環(huán)力控制擬動力試驗方法[J];振動與沖擊;2012年14期

9 周惠蒙;吳斌;;采用滑動模態(tài)控制器的實時子結構試驗等效力控制方法[J];振動與沖擊;2012年07期

10 陳再現(xiàn);姜洪斌;張家齊;吳斌;田玉斌;劉文清;;預制鋼筋混凝土剪力墻結構擬動力子結構試驗研究[J];建筑結構學報;2011年06期

相關博士學位論文 前9條

1 潘天林;能量一致積分方法及其在混合試驗中的應用[D];哈爾濱工業(yè)大學;2016年

2 陳永盛;基于截面屈服面模型更新的框架結構混合試驗方法[D];哈爾濱工業(yè)大學;2015年

3 梅洋;防屈曲支撐內芯屈曲機理及整體穩(wěn)定設計方法[D];哈爾濱工業(yè)大學;2015年

4 王濤;基于模型更新的土木結構混合試驗方法[D];哈爾濱工業(yè)大學;2014年

5 陶冬旺;基于數(shù)據(jù)驅動和物理模型的結構地震損傷識別方法研究[D];哈爾濱工業(yè)大學;2013年

6 譚曉晶;大剛度試件擬動力試驗方法[D];哈爾濱工業(yè)大學;2013年

7 王貞;實時混合試驗的控制和時間積分算法[D];哈爾濱工業(yè)大學;2012年

8 鄧利霞;子結構試驗的數(shù)值穩(wěn)定性分析[D];哈爾濱工業(yè)大學;2011年

9 章紅梅;剪力墻結構基于性態(tài)的抗震設計方法研究[D];同濟大學;2007年

相關碩士學位論文 前7條

1 楊浩文;考慮粘結滑移模型更新的混合試驗方法[D];哈爾濱工業(yè)大學;2016年

2 王超;子結構擬動力試驗的模型修正法[D];湖南大學;2016年

3 寧西占;實時混合試驗的H_∞控制[D];哈爾濱工業(yè)大學;2013年

4 張健;自適應子結構擬動力試驗方法[D];哈爾濱工業(yè)大學;2010年

5 程春;基于模型預測—修正算法的分布式混合試驗系統(tǒng)[D];中國地震局工程力學研究所;2010年

6 尹全林;實時子結構試驗等效力控制方法中的零點問題[D];哈爾濱工業(yè)大學;2009年

7 馮濤;實時子結構試驗的無超調等效力控制方法[D];哈爾濱工業(yè)大學;2007年

本文編號：2834442