专利名称：一种用于考虑土结相互作用的多维多点抗震实验方法
技术领域：
本发明涉及一种抗震实验方法，特别是一种用于考虑土结相互作用的多维多点抗 震实验方法，属于建筑结构抗震试验技术领域。
背景技术：
1992年日本学者Nakashima首次实现的动力子结构实验将结构关键部位或非线 性部分作为物理实验对象，剩余方便数学描述的部分进行数值模型，二者之间通过界面相 互作用量实时数据交换有机的结合在一起。与现有其它抗震试验方法相比具有以下优点 避免了对整体结构体系进行实时实验的必要性，从而使得在现有实验条件下对结构关键部 位进行足尺实时实验成为可能；由于实验中能够采用大尺寸物理试件，因而大大减弱了尺 寸效应及因尺寸效应引起的非线性；由于进行的实时实验，因此能有效地模拟结构的率相 关性及惯性特性。20世纪初至今，土-结构动力相互作用已经取得了大量理论研究成果，但受设备 和方法的限制，试验研究方面还很欠缺。土 -结构动力相互作用分析方法可分为整体法和 子结构法，整体法试验研究主要包括大比例和小比例缩尺试验，小比例缩尺试验直接将大 比例试验模型建造在半无限土体上，这类试验能完全模拟实际土 -结构综合系统，但只能 进行结构自振特性方面的研究，无法模拟地震输入，小比例试验将半无限土体简化为有限 边界，用一定尺度土箱模拟实际土体，将结构同土和结构结合在一起进行其相互作用研究， 将整体作为试验对象。这类试验能对实际地震动进行模拟，但对试验设备尺寸和出力要求 很高，目前实验条件只能进行大比例缩尺试验，且无法考虑有地基的半无限性产生的辐射 阻尼，即便如此，对于桥梁、大跨等长大型结构需要研究其在多维多点地震作用下的性能， 目前的试验设备仍无能为力。子结构法停留在理论研究阶段，上述子结构实验的出现为土 结相互作用实验研究提供了契机。
发明内容
本发明为了克服上述缺陷，提出了一种用于考虑土-结构动力相互作用、进行长 大型结构多维多点抗震性能实验研究的实验方法。该方法将半无限土体作为数值实验模 型、将建筑结构作为物理实验模型，通过界面反力和界面动力响应的传递使得土体和上部 建筑结构有机结合，而后通过子结构系统控制器的优化设计使得土模型与上部建筑结构之 间无缝连接，对多振动台系统采用局部控制策略，按图1所示基本原理实现基于多振动台 的实时动力子结构实验，以用于长大型结构考虑土-结相互作用的多维多点抗震性能实验 研究。为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案一种用于考虑土结相互作用的多维多点抗震实验方法，其通过分割建筑结构和半 无限土体组成的相互作用系统，利用实时动力子结构实验原理，将土体作为数值计算模型、 建筑结构作为物理实验模型，二者之间通过界面反力和界面响应相互连接，并基于地震模拟振动台台阵系统实现考虑土-结相互作用的多维多点抗震性能实验研究方法。实现原理 如图2所示，而实时动力子结构实验的实现流程如图3所示。主要包括以下步骤步骤1、根据所研究建筑结构具体动力特性和场地特性，在地基阻抗函数时域模型 现有研究成果中选取适合于对应建筑结构研究目的时域土模型，并求取相关参数；步骤2、根据所研究建筑结构具体特点，在基于振动台的动力子结构实验现有界面 反力获取方法中选取合适的界面反力获取方法；步骤3、根据选取的土模型特点，结合现有动力方程积分算法优缺点，选取适合于 数值子结构求解的数值算法；步骤4、根据选取的土模型特点及振动台特性进行相应子结构控制算法程序优化， 以提高控制精度、改善控制稳定性；步骤5、选取合适的硬件和软件设备，将步骤1-4进行集成，实现实验。所述步骤1具体为根据建筑结构动力特性和建筑结构所在地场地特性及相关研 究目的，选择时域地基土模型和频域地基理论解，结合时域模型收敛准则和精度控制准则 优化拟合获取时域模型相关参数，本发明中已集成了集总参数模型及时域递归模型等常用 时域模型；所述步骤2具体为在现有的基于速度、位移获取界面反力、基于应变计获取界面 反力、基于力传感器直接测量反力以及基于加速度通过惯性力获取界面反力等四种方法中 权衡各自优缺点及设备配置情况，选择一种适合所研究建筑结构研究目的的方法；所述步骤3具体为针对所选用土模型复杂程度和软硬件计算效率，权衡各动力 方程求解算法的计算效率、稳定性收敛准则及计算精度选择合适求解算法，本发明中已集 成了中心差分法、Newmark法及龙格库塔等常用求解算法；所述步骤4具体为结合建筑结构研究目的和土模型、数值模型求解算法稳定性 及精度准则以及振动台物理特性等因素，优化设计子结构实验控制器。所述步骤5具体为利用高性能工控机结合高分辨率多功能PCI数据采集卡与 MATLAB/SIMULINK软件共同组成子结构实验控制器，由PCI数据采集卡实现软硬件交互，进 行数据采集和指令传输，传输的指令直达振动台台阵系统控制器，台阵系统采用分布式控 制策略，以实现多维多点动力子结构实验。与土 -结构动力相互作用现有实验方法相比，本发明的优点如下(1)避免了将土体和建筑结构同时作为实验试件进行实时实验的必要性，大大降 低了实验设备的要求，使得在现有实验设备条件下采用较大尺寸实验模型进行土-结构动 力相互作用实验研究成为可能，从而大大减弱了尺寸效应及因尺寸效应引起的非线性对实 验结果产生的影响；(2)与地震模拟振动台台阵系统相结合，可模拟多维多点地震作用，同时将土 -结 相互作用考虑在内，能对建筑结构抗震性能影响因素进行更全面的研究；(3)此外，由于本方法可以将结构系统的关键部分作为实验试件，大大释放了实验 设备能力，因此使得在考虑土结相互作用、减隔震部件及多维多点地震动等综合影响因素 的条件下，对结构关键部位进行非线性抗震性能实验研究成为可能。
图1 土-结相互作用动力子结构基本原理；图2 土-结相互作用子结构实验实现原理；图3本发明方法实现流程图；图4频域土模型；图5两种时域土模型，其中图5 (a)为8参数集总参数模型，图5 (b)为时域递归模 型；图6子结构实验控制框图；图7三参量及线性控制器综合控制系统；图8单维单点实时子结构试验架构；图9多维多点实时子结构实现架构。图中，1为建筑结构，2为地基土，3为作动器，4为振动台，5为振动台控制器，6为 子结构实验控制器，7为A/D、D/A数据卡，8为基础，9为半无限土体，10为地震动
具体实施例方式本发明的技术方案参见图3所示，结合相关附图，下面详细介绍本发明的实施步 骤(1)数值土模型选取研究结果表明，地基阻抗可以用图4所示的频域模型来描 述，图中Kh、Kr分别为地基阻抗函数和频域阻抗刚度，而有关结构动力响应的计算大多在时 域中进行，同时动力子结构实验要求实时在线实现，无法进行离线转换或迭代，因此需要将 地基土模型转换到时域，常用的时域模型包括图5中的集总参数模型(图5(a))和时域递 归模型(图5(b))。图5(a)图中^；、、 分别为该模型对应质量、刚度阻尼，图5(b)图 中kb、cb分别表示刚度和阻尼，Fd可以表示为
权利要求
1.一种用于考虑土结相互作用的多维多点抗震实验方法，其通过分割建筑结构和半 无限土体组成的相互作用系统，利用实时动力子结构实验原理，将土体作为数值计算模型、 建筑结构作为物理实验模型，二者之间通过界面反力和界面响应相互连接，并基于地震模 拟振动台台阵系统实现考虑土-结相互作用的多维多点抗震性能实验研究方法，其特征在 于主要包括以下步骤步骤1、根据所研究建筑结构具体动力特性和场地特性，在地基阻抗函数时域模型现有 研究成果中选取适合于对应建筑结构研究目的时域土模型，并求取相关参数；步骤2、根据所研究建筑结构具体特点，在基于振动台的动力子结构实验现有界面反力 获取方法中选取合适的界面反力获取方法；步骤3、根据选取的土模型特点，结合现有动力方程积分算法优缺点，选取适合于数值 子结构求解的数值算法；步骤4、根据选取的土模型特点及振动台特性进行相应子结构控制算法程序优化，以提 高控制精度、改善控制稳定性；步骤5、选取合适的硬件和软件设备，将步骤1-4进行集成，实现实验。
2.根据权利要求1所述的一种用于考虑土结相互作用的多维多点抗震实验方法，其特 征在于所述步骤1具体为，根据建筑结构动力特性和建筑结构所在地场地特性及相关研 究目的，选择时域地基土模型和频域地基理论解，结合时域模型收敛准则和精度控制准则 优化拟合获取时域模型相关参数。
3.根据权利要求2所述的一种用于考虑土结相互作用的多维多点抗震实验方法，其特 征在于所述步骤2具体为在现有的基于速度、位移获取界面反力、基于应变计获取界面 反力、基于力传感器直接测量反力以及基于加速度通过惯性力获取界面反力这四种方法中 权衡各自优缺点及设备配置情况，选择一种适合所研究建筑结构研究目的的方法。
4.根据权利要求3所述的一种用于考虑土结相互作用的多维多点抗震实验方法，其特 征在于所述步骤3具体为针对所选用土模型复杂程度和软硬件计算效率，权衡各动力方 程求解算法的计算效率、稳定性收敛准则及计算精度选择合适求解算法。
5.根据权利要求4所述的一种用于考虑土结相互作用的多维多点抗震实验方法，其特 征在于所述步骤4具体为结合建筑结构研究目的和土模型、数值模型求解算法稳定性及 精度准则以及振动台物理特性因素，优化设计子结构实验控制器。
6.根据权利要求5所述的一种用于考虑土结相互作用的多维多点抗震实验方法，其 特征在于所述步骤5具体为利用高性能工控机结合高分辨率多功能PCI数据采集卡与 MATLAB/SIMULINK软件共同组成子结构实验控制器，由PCI数据采集卡实现软硬件交互，进 行数据采集和指令传输，传输的指令直达振动台台阵系统控制器，台阵系统采用分布式控 制策略，以实现多维多点动力子结构实验。
全文摘要
本发明涉及用于考虑土结相互作用的多维多点抗震实验方法，属于建筑结构抗震实验领域。该方法将半无限土体作为数值实验模型、将建筑结构作为物理实验模型，通过界面反力和界面动力响应的传递使得土体和上部建筑结构有机结合，而后通过子结构系统控制器的优化设计使得土模型与上部建筑结构之间无缝连接，对多振动台系统采用局部控制策略，从而实现基于多振动台的实时动力子结构实验，以用于长大型结构考虑土-结相互作用的多维多点抗震性能实验研究。本发明的方法大大降低了实验设备的要求，能对建筑结构抗震性能影响因素进行更全面的研究。
文档编号G01M7/02GK102147322SQ201110007329
公开日2011年8月10日 申请日期2011年1月13日 优先权日2011年1月13日
发明者唐贞云, 李振宝, 李晓亮, 纪金豹 申请人:北京工业大学