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实时子结构试验方法及其应用

王倩颖  
【摘要】: 现代工程结构日趋复杂化和大型化,为了提高结构抗震性能,新的设计理念、新的构造形式、新的建筑材料不断涌现。结构抗震技术(特别是结构控制技术)的发展对结构试验提出了新的挑战。对于动力性能与速度或时间相关的材料、构件,其结构试验要求实时加载;同时,对于大型复杂结构,由于其小比例尺模型与原型之间的相似关系很难严格满足,要求进行大比例尺或足尺结构试验。实时子结构试验为解决以上困难提供了新的技术手段:它结合了数值计算与试验加载,可以实现大比例尺甚至足尺结构的实时试验。实时子结构试验技术对于通过试验更客观真实地揭示结构的动力性能、降低试验成本有十分重要的意义。 本文研究实时子结构试验的基本方法及其应用,主要研究内容如下: 1.提出了基于MTS控制系统的实时子结构试验方法。充分利用MTS系统FlexTest GT控制器的计算功能,适当设置系统资源及其参数,实现了数值计算与试验加载的实时整合。利用实时子结构试验检验了MTS系统的试验性能,试验结果与计算结果能很好地吻合,说明MTS系统可以满足实时子结构试验对试验设备的要求。 2.考虑由加载系统动力特性引起的逐步积分算法数值特性的变化,分析了试验系统时滞及其补偿对实时子结构试验的影响。建立作动器的双线性简化模型和二阶系统简化模型,分析了考虑时滞及其补偿的算子分解法和中心差分法的稳定性,提出基于作动器动力性能的时滞补偿方法。试验及分析结果表明,作动器简化模型可以很好地模拟作动器的动力特性;时滞使试验的稳定性下降,三阶外插补偿方法可以提高试验的稳定性;基于作动器动力性能的时滞补偿方法对时滞有很好的补偿效果。 3.为避免隐式积分算法的迭代问题,提出了利用反馈控制原理求解隐式差分方程的实时子结构试验方法——等效力控制方法。对于试验子结构反力与速度相关的情况,提出等效力命令插值的方法以解决加载速度不均匀的问题,并讨论了由等效力命令插值所导致的逐步积分算法数值特性的变化。以PD控制器为例,通过理论推导、数值模拟和试验验证的方式讨论了等效力控制器的设计。数值模拟和试验研究结果表明,如果等效力控制器设计合理,等效力控制方法可以取得很好的试验结果。 4.对JZ20-2NW海洋平台磁流变阻尼控制系统进行了实时子结构试验。结合前文的研究成果,针对试验加载设备和海洋平台结构的动力性能分析了该试验的稳定性和精度。考虑不同峰值的冰力和地震作用,通过试验检验了磁流变阻尼减振系统对平台振动的控制效果。研究结果表明,现有的试验技术和设备可以满足对JZ20-2NW平台进行磁流变阻尼实时子结构试验的要求,磁流变控制系统对平台结构的冰激振动和地震反应均有很好的控制效果。


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