專利名稱：一種用于考慮土結相互作用的多維多點抗震實驗方法
技術領域：
本發明涉及一種抗震實驗方法，特別是一種用于考慮土結相互作用的多維多點抗 震實驗方法，屬于建筑結構抗震試驗技術領域。
背景技術：
1992年日本學者Nakashima首次實現的動力子結構實驗將結構關鍵部位或非線 性部分作為物理實驗對象，剩余方便數學描述的部分進行數值模型，二者之間通過界面相 互作用量實時數據交換有機的結合在一起。與現有其它抗震試驗方法相比具有以下優點 避免了對整體結構體系進行實時實驗的必要性，從而使得在現有實驗條件下對結構關鍵部 位進行足尺實時實驗成為可能；由于實驗中能夠采用大尺寸物理試件，因而大大減弱了尺 寸效應及因尺寸效應引起的非線性；由于進行的實時實驗，因此能有效地模擬結構的率相 關性及慣性特性。20世紀初至今，土-結構動力相互作用已經取得了大量理論研究成果，但受設備 和方法的限制，試驗研究方面還很欠缺。土 -結構動力相互作用分析方法可分為整體法和 子結構法，整體法試驗研究主要包括大比例和小比例縮尺試驗，小比例縮尺試驗直接將大 比例試驗模型建造在半無限土體上，這類試驗能完全模擬實際土 -結構綜合系統，但只能 進行結構自振特性方面的研究，無法模擬地震輸入，小比例試驗將半無限土體簡化為有限 邊界，用一定尺度土箱模擬實際土體，將結構同土和結構結合在一起進行其相互作用研究， 將整體作為試驗對象。這類試驗能對實際地震動進行模擬，但對試驗設備尺寸和出力要求 很高，目前實驗條件只能進行大比例縮尺試驗，且無法考慮有地基的半無限性產生的輻射 阻尼，即便如此，對于橋梁、大跨等長大型結構需要研究其在多維多點地震作用下的性能， 目前的試驗設備仍無能為力。子結構法停留在理論研究階段，上述子結構實驗的出現為土 結相互作用實驗研究提供了契機。

發明內容
本發明為了克服上述缺陷，提出了一種用于考慮土-結構動力相互作用、進行長 大型結構多維多點抗震性能實驗研究的實驗方法。該方法將半無限土體作為數值實驗模 型、將建筑結構作為物理實驗模型，通過界面反力和界面動力響應的傳遞使得土體和上部 建筑結構有機結合，而后通過子結構系統控制器的優化設計使得土模型與上部建筑結構之 間無縫連接，對多振動臺系統采用局部控制策略，按圖1所示基本原理實現基于多振動臺 的實時動力子結構實驗，以用于長大型結構考慮土-結相互作用的多維多點抗震性能實驗 研究。為了實現上述目的，本發明采取了如下技術方案一種用于考慮土結相互作用的多維多點抗震實驗方法，其通過分割建筑結構和半 無限土體組成的相互作用系統，利用實時動力子結構實驗原理，將土體作為數值計算模型、 建筑結構作為物理實驗模型，二者之間通過界面反力和界面響應相互連接，并基于地震模擬振動臺臺陣系統實現考慮土-結相互作用的多維多點抗震性能實驗研究方法。實現原理 如圖2所示，而實時動力子結構實驗的實現流程如圖3所示。主要包括以下步驟步驟1、根據所研究建筑結構具體動力特性和場地特性，在地基阻抗函數時域模型 現有研究成果中選取適合于對應建筑結構研究目的時域土模型，并求取相關參數；步驟2、根據所研究建筑結構具體特點，在基于振動臺的動力子結構實驗現有界面 反力獲取方法中選取合適的界面反力獲取方法；步驟3、根據選取的土模型特點，結合現有動力方程積分算法優缺點，選取適合于 數值子結構求解的數值算法；步驟4、根據選取的土模型特點及振動臺特性進行相應子結構控制算法程序優化， 以提高控制精度、改善控制穩定性；步驟5、選取合適的硬件和軟件設備，將步驟1-4進行集成，實現實驗。所述步驟1具體為根據建筑結構動力特性和建筑結構所在地場地特性及相關研 究目的，選擇時域地基土模型和頻域地基理論解，結合時域模型收斂準則和精度控制準則 優化擬合獲取時域模型相關參數，本發明中已集成了集總參數模型及時域遞歸模型等常用 時域模型；所述步驟2具體為在現有的基于速度、位移獲取界面反力、基于應變計獲取界面 反力、基于力傳感器直接測量反力以及基于加速度通過慣性力獲取界面反力等四種方法中 權衡各自優缺點及設備配置情況，選擇一種適合所研究建筑結構研究目的的方法；所述步驟3具體為針對所選用土模型復雜程度和軟硬件計算效率，權衡各動力 方程求解算法的計算效率、穩定性收斂準則及計算精度選擇合適求解算法，本發明中已集 成了中心差分法、Newmark法及龍格庫塔等常用求解算法；所述步驟4具體為結合建筑結構研究目的和土模型、數值模型求解算法穩定性 及精度準則以及振動臺物理特性等因素，優化設計子結構實驗控制器。所述步驟5具體為利用高性能工控機結合高分辨率多功能PCI數據采集卡與 MATLAB/SIMULINK軟件共同組成子結構實驗控制器，由PCI數據采集卡實現軟硬件交互，進 行數據采集和指令傳輸，傳輸的指令直達振動臺臺陣系統控制器，臺陣系統采用分布式控 制策略，以實現多維多點動力子結構實驗。與土 -結構動力相互作用現有實驗方法相比，本發明的優點如下(1)避免了將土體和建筑結構同時作為實驗試件進行實時實驗的必要性，大大降 低了實驗設備的要求，使得在現有實驗設備條件下采用較大尺寸實驗模型進行土-結構動 力相互作用實驗研究成為可能，從而大大減弱了尺寸效應及因尺寸效應引起的非線性對實 驗結果產生的影響；(2)與地震模擬振動臺臺陣系統相結合，可模擬多維多點地震作用，同時將土 -結 相互作用考慮在內，能對建筑結構抗震性能影響因素進行更全面的研究；(3)此外，由于本方法可以將結構系統的關鍵部分作為實驗試件，大大釋放了實驗 設備能力，因此使得在考慮土結相互作用、減隔震部件及多維多點地震動等綜合影響因素 的條件下，對結構關鍵部位進行非線性抗震性能實驗研究成為可能。


圖1 土-結相互作用動力子結構基本原理；圖2 土-結相互作用子結構實驗實現原理；圖3本發明方法實現流程圖；圖4頻域土模型；圖5兩種時域土模型，其中圖5 (a)為8參數集總參數模型，圖5 (b)為時域遞歸模 型；圖6子結構實驗控制框圖；圖7三參量及線性控制器綜合控制系統；圖8單維單點實時子結構試驗架構；圖9多維多點實時子結構實現架構。圖中，1為建筑結構，2為地基土，3為作動器，4為振動臺，5為振動臺控制器，6為 子結構實驗控制器，7為A/D、D/A數據卡，8為基礎，9為半無限土體，10為地震動
具體實施例方式本發明的技術方案參見圖3所示，結合相關附圖，下面詳細介紹本發明的實施步 驟(1)數值土模型選取研究結果表明，地基阻抗可以用圖4所示的頻域模型來描 述，圖中Kh、Kr分別為地基阻抗函數和頻域阻抗剛度，而有關結構動力響應的計算大多在時 域中進行，同時動力子結構實驗要求實時在線實現，無法進行離線轉換或迭代，因此需要將 地基土模型轉換到時域，常用的時域模型包括圖5中的集總參數模型(圖5(a))和時域遞 歸模型(圖5(b))。圖5(a)圖中^；、、 分別為該模型對應質量、剛度阻尼，圖5(b)圖 中kb、cb分別表示剛度和阻尼，Fd可以表示為
權利要求
1.一種用于考慮土結相互作用的多維多點抗震實驗方法，其通過分割建筑結構和半 無限土體組成的相互作用系統，利用實時動力子結構實驗原理，將土體作為數值計算模型、 建筑結構作為物理實驗模型，二者之間通過界面反力和界面響應相互連接，并基于地震模 擬振動臺臺陣系統實現考慮土-結相互作用的多維多點抗震性能實驗研究方法，其特征在 于主要包括以下步驟步驟1、根據所研究建筑結構具體動力特性和場地特性，在地基阻抗函數時域模型現有 研究成果中選取適合于對應建筑結構研究目的時域土模型，并求取相關參數；步驟2、根據所研究建筑結構具體特點，在基于振動臺的動力子結構實驗現有界面反力 獲取方法中選取合適的界面反力獲取方法；步驟3、根據選取的土模型特點，結合現有動力方程積分算法優缺點，選取適合于數值 子結構求解的數值算法；步驟4、根據選取的土模型特點及振動臺特性進行相應子結構控制算法程序優化，以提 高控制精度、改善控制穩定性；步驟5、選取合適的硬件和軟件設備，將步驟1-4進行集成，實現實驗。
2.根據權利要求1所述的一種用于考慮土結相互作用的多維多點抗震實驗方法，其特 征在于所述步驟1具體為，根據建筑結構動力特性和建筑結構所在地場地特性及相關研 究目的，選擇時域地基土模型和頻域地基理論解，結合時域模型收斂準則和精度控制準則 優化擬合獲取時域模型相關參數。
3.根據權利要求2所述的一種用于考慮土結相互作用的多維多點抗震實驗方法，其特 征在于所述步驟2具體為在現有的基于速度、位移獲取界面反力、基于應變計獲取界面 反力、基于力傳感器直接測量反力以及基于加速度通過慣性力獲取界面反力這四種方法中 權衡各自優缺點及設備配置情況，選擇一種適合所研究建筑結構研究目的的方法。
4.根據權利要求3所述的一種用于考慮土結相互作用的多維多點抗震實驗方法，其特 征在于所述步驟3具體為針對所選用土模型復雜程度和軟硬件計算效率，權衡各動力方 程求解算法的計算效率、穩定性收斂準則及計算精度選擇合適求解算法。
5.根據權利要求4所述的一種用于考慮土結相互作用的多維多點抗震實驗方法，其特 征在于所述步驟4具體為結合建筑結構研究目的和土模型、數值模型求解算法穩定性及 精度準則以及振動臺物理特性因素，優化設計子結構實驗控制器。
6.根據權利要求5所述的一種用于考慮土結相互作用的多維多點抗震實驗方法，其 特征在于所述步驟5具體為利用高性能工控機結合高分辨率多功能PCI數據采集卡與 MATLAB/SIMULINK軟件共同組成子結構實驗控制器，由PCI數據采集卡實現軟硬件交互，進 行數據采集和指令傳輸，傳輸的指令直達振動臺臺陣系統控制器，臺陣系統采用分布式控 制策略，以實現多維多點動力子結構實驗。
全文摘要
本發明涉及用于考慮土結相互作用的多維多點抗震實驗方法，屬于建筑結構抗震實驗領域。該方法將半無限土體作為數值實驗模型、將建筑結構作為物理實驗模型，通過界面反力和界面動力響應的傳遞使得土體和上部建筑結構有機結合，而后通過子結構系統控制器的優化設計使得土模型與上部建筑結構之間無縫連接，對多振動臺系統采用局部控制策略，從而實現基于多振動臺的實時動力子結構實驗，以用于長大型結構考慮土-結相互作用的多維多點抗震性能實驗研究。本發明的方法大大降低了實驗設備的要求，能對建筑結構抗震性能影響因素進行更全面的研究。
文檔編號G01M7/02GK102147322SQ201110007329
公開日2011年8月10日 申請日期2011年1月13日 優先權日2011年1月13日
發明者唐貞云, 李振寶, 李曉亮, 紀金豹 申請人:北京工業大學