一种空间框架子结构混合仿真试验方法及试验系统与流程

本发明属于土木工程结构试验领域，具体涉及一种空间框架子结构混合仿真试验方法及试验系统。

背景技术：

子结构混合仿真作为一种新型结构试验技术，结合了拟静力试验和振动台试验的优势，将一个整体结构划分为多个子结构，在地震荷载作用下易进入强非线的部分作为试验子结构进行实际试验，结构剩余部分作为数值子结构在有限元软件中进行模拟，不同子结构之间通过一个试验平台进行通讯，从而完成整体结构的抗震性能模拟试验。

目前子结构混合仿真的试验对象大多是单根柱或单榀框架，随着我国经济的快速发展，越来越多的高层及超高层结构出现，在对这类结构进行试验时，显然取出整体结构中的部分空间框架作为试验子结构更为合理。但是当以空间框架作为试验子结构时，每个边界节点有6个自由度，如果要完全模拟所有自由度方向上的位移是很困难的，因此必须对子结构的边界做合理的简化。已有的针对空间框架的子结构试验，在对边界进行加载时往往使用单个作动器，这种加载方式完全忽略了子结构之间的相互作用。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述不足，提供一种空间框架子结构混合仿真试验方法及试验系统，能够更准确地对空间框架试验子结构的边界自由度进行模拟，有助于混合仿真试验方法的进一步推广。

为了达到上述目的，一种空间框架子结构混合仿真试验方法，包括以下步骤：

步骤一，将待分析的整体结构划分为试验子结构和数值子结构；

步骤二，建立数值子结构模型，定义荷载工况；

步骤三，使用一个试验梁柱单元来与空间框架试验子结构进行自由度的等效简化；

步骤四，安装试验子结构的两个水平加载装置和一个竖向加载装置；

步骤五，加载地震波，并计算试验子结构在地震力的作用下，某一时刻下数值子结构的位移响应以及试验子结构对应的位移响应命令；

步骤六，将位移响应命令发送至两个水平加载装置，两个水平加载装置保持等位移的同步加载，达到命令位移后，通过力传感器测得试验子结构的反力为两个水平加载装置反馈力之和，并计算此刻试验子结构对应的刚度矩阵和阻尼矩阵；

步骤七，改变地震力，并重复步骤五和步骤六，直到地震波加载结束，完成试验。

步骤一中，子结构的动力方程为：

式中，xi分别为数值子结构的加速度、速度和位移,di分别为试验子结构的加速度、速度和位移，mn，cn，kn分别为数值子结构的质量、阻尼和刚度，me，ce，ke分别为试验子结构的质量、阻尼和刚度，fi为外部地震激励。

步骤五中，数值子结构的位移响应为加速度速度和位移xi；

试验子结构对应的位移响应命令为加速度速度和位移di。

步骤二中，建立数值子结构模型采用opensees软件。

试验子结构通过在openfresco平台控制。

试验子结构为一个空间框架，每个边界节点具有六个自由度。

一种空间框架子结构混合仿真试验系统，包括门架，门架顶部的下部固定有千斤顶，门架侧面设置有两个水平加载装置，分别为试验子结构层高处作动器和加载段框架层高处作动器，门架下方设置有地梁，地梁用于固定试验子结构，试验子结构上固定有平动加载大刚度加载段框架，平动加载大刚度加载段框架的顶面上放置有竖向荷载横向分配梁，千斤顶的顶杆连接竖向荷载纵向分配梁，竖向荷载纵向分配梁与竖向荷载横向分配梁铰接；

试验子结构层高处作动器通过水平加载分配梁与试验子结构顶梁的侧面铰接，加载段框架层高处作动器通过水平加载分配梁与平动加载大刚度加载段框架顶梁的侧面铰接。

门架的侧面设置有混凝土反力墙，试验子结构层高处作动器和加载段框架层高处作动器的端部固定在混凝土反力墙上。

试验子结构通过地脚螺钉固定在地梁上。

与现有技术相比，本发明首先将待分析的整体结构划分为试验子结构和数值子结构，建立数值子结构模型，定义荷载工况，加载不同的地震波，并计算不同地震力的作用下某一时刻下数值子结构的位移响应以及试验子结构对应的位移响应命令，控制水平加载装置对试验子结构进行载荷加载，得到子结构对应的刚度矩阵和阻尼矩阵。本发明将空间框架等效为一个试验单元，试验单元的水平位移响应代表了试验子结构的平动自由度，试验单元的水平刚度代表了试验子结构的水平刚度。

本发明采用双作动器水平加载来实现试验子结构的平动，一台作动器位于试验子结构层高位置，另一台位于加载段框架层高处，加载段框架的刚度相对与试验子结构框架近似为无穷大，在加载过程中保证两台作动器位移同步且一致，可以有效考虑数值子结构对试验子结构的边界约束。竖向荷载加载装置可以有效考虑重力二阶效应对试验子结构的影响。

附图说明

图1为本发明的试验系统示意图；

图2为本发明中空间子结构混合仿真试验流程图；

图3为本发明中试验子结构的布置示意图；

图4为本发明中试验子结构的边界自由度与试验单元的等效简化示意图；

图5为本发明中试验单元边界与作动器加载的转换示意图；

图6为本发明的结构图；

其中，1、混凝土反力墙，2、试验子结构层高处作动器，3、加载段框架层高处作动器，4、水平加载分配梁，5、平动加载大刚度加载段框架，6、地脚螺栓，7、地梁，8、门架，9、千斤顶，10、竖向荷载纵向分配梁，11、竖向荷载横向分配梁，12、试验子结构。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

参见图1和图2，本发明的试验方法包括以下步骤：

步骤一，参见图3，将整体结构划分为数值子结构和试验子结构，子结构的动力方程如式(1)所示：

式中，xi分别为数值子结构的加速度、速度和位移,di分别为试验子结构的加速度、速度和位移，mn，cn，kn分别为数值子结构的质量、阻尼和刚度，me，ce，ke分别为试验子结构的质量、阻尼和刚度，fi为外部地震激励。在试验过程中，试验子结构的恢复力kedi由作动器实测得到；

步骤二，利用opensees建立高强钢组合偏心支撑框架数值子结构模型，定义荷载工况；

步骤三，参考图4，试验子结构为一个空间框架，每个边界节点有六个自由度，如果要完全模拟所有自由度方向上的位移是很困难的，因此必须对子结构的边界做合理的简化。首先，考虑到模型平面布置规整，且地震波采用单向加载，因此各个节点可以忽略沿x轴的转动自由度，沿y轴的平动自由度和沿z轴的扭转自由度。然后，考虑到空间框架模型的质量基本集中在楼盖位置，依据刚性楼板假定，可认为在楼盖平面内的所有节点的平动保持一致，此时水平位移是主自由度，产生的位移、速度和加速度远远大于由于节点转动产生的楼盖梁竖向运动对应值。因此，可只考虑试验子结构的平动自由度，以及竖向荷载引起的竖向位移。虽然试验子结构是一个空间框架，但通过上述分析简化，在仅考虑平动为主自由度时，可将试验子结构看成是一个整体单元。采用openfresco中的梁柱试验单元来进行试验子结构的等效通讯，利用单点约束命令：singlepointconstraints保证试验单元顶点自由度的位移为0。试验试验单元顶点的水平位移自由度代表了试验子结构整体的顶部位移，试验单元的水平刚度反映了试验子结构框架整体的水平刚度；

步骤四，参考图5，要实现试件的水平平动加载，需要采一种双作动器水平加载模式，包括加载段和试验段两部分。加载段的刚度要尽可能的大，以保证在加过程中不会发生变形。在加载的过程中，我们保证两个作动器位移同步且一致，便可实现试验子结构边界处的纯平动加载；

步骤五，参考图6，通过设计支撑形式，层高，截面形式和截面尺寸来调整加载段空间框架的刚度。通过实际实测以及计算模拟，加载段的刚度约为试验子结构的6倍，因此近似认为加载段的刚度为无穷大。将加载段框架与试验子结构直接进行焊接，然后分别布置双作动平动加载装置和千斤顶竖向荷载加载装置；

步骤六，打开装有双作动器加载软件的试验计算机，启动作动器液压油源；运行opensees中的荷载分析工况，进行空间框架子结构的混合仿真试验。

参见图6，一种空间框架子结构混合仿真试验系统，包括门架8，门架8顶部的下部固定有千斤顶9，门架8侧面设置有两个水平加载装置，分别为试验子结构层高处作动器2和加载段框架层高处作动器3，门架8下方设置有地梁7，地梁7用于固定试验子结构12，试验子结构12通过地脚螺钉6固定在地梁7上。试验子结构12上固定有平动加载大刚度加载段框架5，平动加载大刚度加载段框架5的顶面上放置有竖向荷载横向分配梁11，千斤顶9的顶杆连接竖向荷载纵向分配梁10，竖向荷载纵向分配梁10与竖向荷载横向分配梁11铰接；门架8的侧面设置有混凝土反力墙1，试验子结构层高处作动器2和加载段框架层高处作动器3的端部固定在混凝土反力墙1上。

试验子结构层高处作动器2通过水平加载分配梁4与试验子结构12顶梁的侧面铰接，加载段框架层高处作动器3通过水平加载分配梁4与平动加载大刚度加载段框架5顶梁的侧面铰接。

实施该试验方法的系统由数值子结构建模软件opensees，空间试验子结构，子结构通讯平台openfresco以及试验子结构双作动器加载装置组成；使用openfresco中的梁柱试验单元来进行空间框架试验子结构的等效通讯，试验单元顶点的水平位移代表了试验子结构整体的顶部位移，试验单元的水平刚度反映了试验子结构框架整体的水平刚度。

双作动加载装置主要包括两台水平布置的mts电液伺服作动器以及一个试验加载段框架。加载段的刚度要尽可能的大，以保证在加过程中不会发生变形。在加载的过程中，保证两台作动器位移同步且一致，便可实现试验子结构边界处的平动加载。

本发明能够更准确地对空间框架试验子结构的边界自由度进行模拟，有助于混合仿真试验方法的进一步推广。