子結(jié)構(gòu)試驗的數(shù)值穩(wěn)定性分析.pdf

1、子結(jié)構(gòu)試驗是物理加載與數(shù)值模擬相互偶聯(lián)的混合試驗方法。該試驗方法將結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位作為試驗子結(jié)構(gòu)，通過試驗設(shè)備進(jìn)行物理加載，而結(jié)構(gòu)的其余部分作為數(shù)值子結(jié)構(gòu)，通過數(shù)學(xué)模型予以模擬。子結(jié)構(gòu)試驗在模型比例、試驗成本上比地震模擬振動臺試驗及擬動力試驗更具優(yōu)勢。特別是最新發(fā)展起來的實時子結(jié)構(gòu)試驗更是結(jié)合了幾種傳統(tǒng)抗震試驗方法的優(yōu)點。子結(jié)構(gòu)試驗方法更能順應(yīng)現(xiàn)代工程結(jié)構(gòu)發(fā)展的需求，工業(yè)技術(shù)和計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的飛速發(fā)展也使其具有了更廣闊的發(fā)展前景。
　　

2、目前子結(jié)構(gòu)試驗尚處于發(fā)展階段，其研究和應(yīng)用主要集中在相對簡單的小型結(jié)構(gòu)或構(gòu)件。為了滿足日益大型化、復(fù)雜化的工程結(jié)構(gòu)的要求，同時也為了使子結(jié)構(gòu)試驗技術(shù)得到更為廣泛的應(yīng)用，國內(nèi)外學(xué)者致力于提高試驗的穩(wěn)定性和可靠性，并取得了一定的研究成果。本文針對子結(jié)構(gòu)試驗穩(wěn)定性的若干問題進(jìn)行了研究，主要研究內(nèi)容及結(jié)論如下：
　　（1）針對單自由度結(jié)構(gòu)，研究了當(dāng)試件為有阻尼動力子結(jié)構(gòu)時，實時子結(jié)構(gòu)試驗中心差分法的穩(wěn)定性。研究表明，當(dāng)試驗子結(jié)構(gòu)與數(shù)值子結(jié)

3、構(gòu)的質(zhì)量比大于或等于1時，算法為無條件不穩(wěn)定；當(dāng)質(zhì)量比小于1時，算法為有條件穩(wěn)定，此結(jié)論與試件為純質(zhì)量時的結(jié)論一致。但對于相同的質(zhì)量比，有阻尼動力子結(jié)構(gòu)試件的穩(wěn)定界限比純質(zhì)量試件的穩(wěn)定界限小，且穩(wěn)定界限隨著試驗子結(jié)構(gòu)阻尼比的增加而減小。此外，算法的穩(wěn)定界限不受頻率比和數(shù)值子結(jié)構(gòu)阻尼比的影響。本文還對純質(zhì)量試件的實時子結(jié)構(gòu)試驗零穩(wěn)定性問題進(jìn)行了分析。通過試驗驗證了純質(zhì)量試件的實時子結(jié)構(gòu)試驗中心差分法穩(wěn)定性的理論研究結(jié)果。
　?。?）

4、以兩自由度結(jié)構(gòu)為例，研究了試驗子結(jié)構(gòu)與數(shù)值子結(jié)構(gòu)不共用自由度時，考慮試件質(zhì)量的實時子結(jié)構(gòu)試驗中心差分法的穩(wěn)定性。分別考慮了運(yùn)動控制法，力控制串行法和力控制并行法三種試驗方法。研究表明，算法的穩(wěn)定界限都隨著上層結(jié)構(gòu)與下層結(jié)構(gòu)的質(zhì)量比、頻率比的增加而減小，隨著上層結(jié)構(gòu)阻尼比的增加而增大。當(dāng)結(jié)構(gòu)的阻尼比為0時，三種方法都是無條件不穩(wěn)定的。對于上層結(jié)構(gòu)與下層結(jié)構(gòu)的質(zhì)量比和頻率比都較小，或下層結(jié)構(gòu)阻尼比較大的結(jié)構(gòu)，力控制法的穩(wěn)定界限比運(yùn)動控制法大

5、，尤其是力控制串行法，其穩(wěn)定界限甚至可超過標(biāo)準(zhǔn)中心差分法的穩(wěn)定界限。
　?。?）利用非線性穩(wěn)定理論，研究了平均加速度法與隱式中點法對非線性結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。研究結(jié)果表明，對于耗散的非線性結(jié)構(gòu)，隱式中點法是無條件穩(wěn)定的，而平均加速度法有可能不穩(wěn)定。提出了基于隱式中點法的實時子結(jié)構(gòu)試驗等效力控制方法，并將隱式中點法用于三層預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)足尺模型的擬動力試驗，實現(xiàn)了由MTS液壓伺服系統(tǒng)的Flex Test GT控制器獨(dú)立完成四個目標(biāo)位移的同

6、時計算及四個作動器的同時控制的擬動力試驗。采用中心差分法與隱式中點法的試驗結(jié)果表明，隱式中點法具有更好的穩(wěn)定性。
　?。?）結(jié)合逐步積分算法研究了時滯對試驗穩(wěn)定性的影響。研究表明：對于考慮時滯的子結(jié)構(gòu)試驗，采用隱式中點法可以提高試驗的穩(wěn)定性，而采用中心差分法則會降低試驗的穩(wěn)定性。因此，一方面可以肯定結(jié)合逐步積分算法分析時滯影響的必要性，另一方面證明了隱式中點法具有良好的穩(wěn)定性。本文還提出了作動器實現(xiàn)位移滯后于期望位移的時間間隔的計