CN109543347B - 一种用于混合动力试验的变刚度柱构件设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于混合动力试验的变刚度柱构件设计方法，所述变刚度柱构件包括依次连接的箱型柱、柱脚螺杆和支座，且所述箱型柱与支座铰接，所述设计方法包括以下步骤：1)建立数值模型，获得数值模型对应的侧向刚度，并其将作为试验模型的侧向刚度；2)选择箱型柱的结构尺寸；3)将步骤1)获得的侧向刚度等效为柱脚螺杆轴向刚度，基于所述箱型柱的结构尺寸，确定柱脚螺杆的数目、间距和直径。与现有技术相比，本发明能准确的表征不同刚度数值子结构模型，保证试验中物理子结构与数值子结构刚度的匹配性，同时还能大幅提高混合试验的效率，降低试件制作的成本。

Description

一种用于混合动力试验的变刚度柱构件设计方法
技术领域
本发明属于土木工程领域，尤其是涉及一种用于混合动力试验的变刚度柱构件设计方法。
背景技术
混合动力试验结合了数值模拟方法和物理试验方法，研究整体系统的动力响应与关键构件的抗震性能。以按位移为控制条件的混合试验方法为例，在每一个计算步后，由数值子结构计算出的位移作为指令传送到作动器，作动器以该位移为命令位移，作用到物理子结构上，通过传感器测量的力反馈信号，数值子结构完成下一个分析步的计算。然而，在混合试验过程中，由于通讯条件限制与数值模型不稳定，经常会发生试验发散等情况。同时，混合试验具有不同重复性，当构件发生破坏后，就不可用于下一工况的试验研究。
在以往的混合试验中，经常采用足尺的原型构件作为试验模型。一旦构件失效，试验就不可继续，这样就不可避免地带来试验资源的浪费。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种用于混合动力试验的变刚度柱构件设计方法，可变刚度构件的侧向刚度采用与数值子结构侧向刚度匹配的设计原则，合理解决了混合试验中试验易发散、构件一经破坏不可重复利用的难题，通过调整构件的侧向刚度，能真实反映数值子结构的地震响应。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种用于混合动力试验的变刚度柱构件设计方法，所述变刚度柱构件包括箱型柱、柱脚螺杆和支座，所述设计方法包括以下步骤：
1)建立数值模型，获得数值模型对应的侧向刚度，并其将作为试验模型的侧向刚度；
2)选择箱型柱的结构尺寸；
3)将步骤1)获得的侧向刚度等效为柱脚螺杆轴向刚度，基于所述箱型柱的结构尺寸，确定柱脚螺杆的数目、间距和直径。
进一步地，所述箱型柱的结构尺寸包括箱型柱高度、箱型柱外表面截面宽度、箱型柱外表面截面高度、箱型柱内表面截面宽度和箱型柱内表面截面高度。
进一步地，所述确定柱脚螺杆的数目、间距和直径的计算公式为：
Figure BDA0001910581520000021
式中，K为数值模型中构件的侧向刚度，l1为箱型柱高度，E1为箱型柱弹性模量，I1为箱型柱惯性矩，km为支座转动刚度，b1为箱型柱外表面截面宽度，h1为箱型柱外表面截面高度，b2为箱型柱内表面截面宽度，h2为箱型柱内表面截面高度，n为单侧柱脚螺杆数量，d为柱脚螺杆直径，a为柱脚螺杆间距。
进一步地，所述箱型柱一端通过铰接方式与作动器连接，另一端通过铰接方式与底部支座连接。
进一步地，所述柱脚螺杆两端分别通过螺母紧固。
进一步地，所述变刚度柱构件为钢结构试件。
进一步地，所述柱脚螺杆垂直于水平面。
与现有技术相比，本发明具有以如下有益效果：
1)本发明设计方法基于物理子结构与数值子结构侧向刚度相等、柱脚螺杆轴向刚度与试件弯曲刚度等效设计的原则，既能够真实地模拟数值模型中相应构件在地震作用下的受力性能和破坏模式，还能满足试验过程中多工况不同侧向刚度的需求。
2)本发明设计方法可以仅通过改变柱脚螺栓的数目、间距和直径，即可获得可变刚度柱试件，能在有效模拟不同刚度数值子结构的受力行为的同时，将试件破坏集中在可更换螺杆上以保证在调试过程中整体试件不发生破坏。
附图说明
图1为本发明设计方法的流程示意图；
图2为本发明设计的试件结构示意图；
图3为本发明试件另一面示意图；
图4为实施例中两跨车站模型示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
本发明提供一种用于混合动力试验的变刚度柱构件设计方法，变刚度柱构件包括箱型柱、柱脚螺杆和支座，所述设计方法以物理子结构(试验模型)与数值子结构(数值模型)侧向刚度相等为设计原则，将柱脚螺杆轴向刚度与试件弯曲刚度等效设计，完成模型的尺寸设计，由此得到柱脚螺杆的根数、间距与直径。
如图1所示，该设计方法包括以下步骤：
1)建立数值模型，获得数值模型对应的侧向刚度，并其将作为试验模型的侧向刚度。
在OpenFresco中设置数值模型的刚度矩阵，该刚度矩阵确定方法如下式：
Figure BDA0001910581520000031
式中，Kexp＝试验单元的刚度矩阵；E＝弹性模量；A＝截面尺寸；I＝截面惯性矩；l＝单元长度。
2)选择箱型柱的结构尺寸。箱型柱的结构尺寸包括箱型柱高度、箱型柱外表面截面宽度、箱型柱外表面截面高度、箱型柱内表面截面宽度和箱型柱内表面截面高度。
箱型柱的抗弯刚度远大于整体试件的抗弯刚度。在混合试验过程中，箱型柱不发生弯曲变形，变形模式为刚体转动。同时，箱型柱应与作动器的连接方式为铰接触，箱型柱应与底部支座的连接方式为铰接触。
3)将步骤1)获得的侧向刚度等效为柱脚螺杆轴向刚度，基于箱型柱的结构尺寸，确定柱脚螺杆的数目、间距和直径。通过调整柱脚螺杆的直径、间距与根数，令变形集中于可更换螺杆上，该试件破坏模式为螺杆压弯破坏，从而达到更换螺杆，即可改变试件侧向刚度的目的。
确定柱脚螺杆的数目、间距和直径的计算公式为：
Figure BDA0001910581520000041
Figure BDA0001910581520000042
Figure BDA0001910581520000043
Figure BDA0001910581520000044
式中，K为数值模型中构件的侧向刚度，l1为箱型柱高度，E1为箱型柱弹性模量，I1为箱型柱惯性矩，km为支座转动刚度，b1为箱型柱外表面截面宽度，h1为箱型柱外表面截面高度，b2为箱型柱内表面截面宽度，h2为箱型柱内表面截面高度，n为单侧柱脚螺杆数量，d为柱脚螺杆直径，a为柱脚螺杆间距。
可更换螺杆在上下两端应与顶底板紧密接触，防止螺杆在试验过程中滑动。螺杆在安装过程中，应保证垂直于水平面，保证在试验过程中的变形模式为轴向拉伸与轴向压缩。
如图2-图3所示，通过上述方法设计的变刚度柱构件为一钢结构试件，包括箱型柱3、柱脚螺杆5和支座7，所述箱型柱3两端分别设有柱顶铰支座2和柱底铰支座4，柱顶铰支座2通过第一连接件1与作动器铰接，保证柱顶边界条件为铰接，柱底铰支座4通过第二连接件6和支座7铰接，可以令箱型柱发生自由转动。柱脚螺杆5有多个，对称设置两排，分布连接于柱底铰支座4和第二连接件6之间，且两端通过螺母可拆卸式连接，方便更换的同时保证各部分协调工作。该试件中，柱脚螺杆5的根数、间距与直径由上述设计方法获得。支座7为反力基座，用来连接试验室反力地平与可变刚度柱构件装置，在试验过程中，保证该构件的底部边界条件为固接。箱型柱3为箱型钢柱，箱型钢柱的抗弯刚度较大，在试验过程中的变形模式为刚体转动，变形主要集中在柱底铰支座处螺杆位置。
在试验过程中，作动器在水平方向上对可变刚度柱构件进行加载，在该构件受力时，螺杆发生轴向变形，由两侧螺杆轴向变形产生的轴力，形成反力弯矩，平衡作动器水平作用时产生的柱底弯矩。
本实施例以一层两跨车站模型为例，如图4所示。其中，车站中柱下半柱作为试验子结构，其余部分当作数值子结构。在数值子结构中，混凝土28天抗压峰值强度为39.8MPa，混凝土峰值强度对应下的峰值应变为0.002；混凝土的受压破坏强度为20MPa，混凝土极限强度对应下的极限应变为0.004。钢筋的屈服强度定义为400MPa，应变强化率定义为0.01，弹性模量定义为200000MPa。在OpenSees中，混凝土材料选为Concrete01，钢筋材料选为Steel02。Concrete 01材料是一种单轴Kent-Scott-Park混凝土材料模型。根据Karsan-Jirsa的研究成果所示：Concrete01材料是一种可以表征加卸载刚度退化的混凝土材料。同时，该材料并未考虑混凝土材料的抗拉性能。车站结构的剖面尺寸为17m×7.2m。车站结构的埋深深度为4.8米，车站结构的柱距为3.5m。顶板的厚度为0.8米，底板的厚度为0.85米，侧墙的厚度为0.7米。中柱截面的尺寸为0.3m×0.3m。由于中柱的抗弯刚度远远小于结构底板、结构顶板的抗弯刚度，可以近似认为中柱柱端的边界条件为固定接触。
在单榀框架模型与一层两跨车站模型中，数值模拟的结果显示结构破坏是由柱子失效引起的。在车站地层模型中，选择车站中柱半柱作为试验单元，即需要设计的柱试件。通过更换柱脚处不同直径、不同数量的螺杆，可以改变钢结构试件的侧向刚度。在本例中，在柱脚处设置四个直径为15mm的螺杆。根据静力试验结果，测得试验的水平刚度为2.10kN/mm。同时，根据数值模拟结果，计算得数值模型中的构件侧向刚度为2.06kN/mm。综上，对于研究构件而言，物理子结构的侧向刚度与数值子结构的侧向刚度匹配，可以进行物理混合试验。
采用本设计方法得到的可变刚度钢试件，易于循环利用，且能准确的表征不同刚度数值子结构模型，保证试验中物理子结构与数值子结构刚度的匹配性，同时还能大幅提高混合试验的效率，降低试件制作的成本。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (5)

1.一种用于混合动力试验的变刚度柱构件设计方法，其特征在于，该设计方法以物理子结构与数值子结构侧向刚度相等为设计原则，所述变刚度柱构件包括依次连接的箱型柱、柱脚螺杆和支座，且所述箱型柱与支座铰接，在车站地层模型中，选择车站中柱半柱作为试验单元，即需要设计的柱试件，所述设计方法包括以下步骤：
1)建立数值模型，获得数值模型对应的侧向刚度，并其将作为试验模型的侧向刚度，所述数值模型即为数值子结构，所述试验模型即为物理子结构，数值模型的刚度矩阵确定方法如下式：
Figure FDA0003861687970000011
式中，Kexp＝试验单元的刚度矩阵；E＝弹性模量；A＝截面尺寸；I＝截面惯性矩；
Figure FDA0003861687970000018
2)选择箱型柱的结构尺寸，所述箱型柱的结构尺寸包括箱型柱高度、箱型柱外表面截面宽度、箱型柱外表面截面高度、箱型柱内表面截面宽度和箱型柱内表面截面高度；
3)将步骤1)获得的侧向刚度等效为柱脚螺杆轴向刚度，基于所述箱型柱的结构尺寸，确定柱脚螺杆的数目、间距和直径；
所述确定柱脚螺杆的数目、间距和直径的计算公式为：
Figure FDA0003861687970000012
Figure FDA0003861687970000013
Figure FDA0003861687970000014
Figure FDA0003861687970000015
式中，K为数值模型中构件的侧向刚度，
Figure FDA0003861687970000017
为箱型柱高度，E1为箱型柱弹性模量，I1为箱型柱惯性矩，km为支座转动刚度，b1为箱型柱外表面截面宽度，h1为箱型柱外表面截面高度，b2为箱型柱内表面截面宽度，h2为箱型柱内表面截面高度，n为单侧柱脚螺杆数量，d为柱脚螺杆直径，a为柱脚螺杆间距；
步骤3)中，通过更换柱脚处不同直径、不同数量的螺杆，改变钢结构试件的侧向刚度。
2.根据权利要求1所述的用于混合动力试验的变刚度柱构件设计方法，其特征在于，所述箱型柱一端通过铰接方式与作动器连接，另一端通过铰接方式与底部支座连接。
3.根据权利要求1所述的用于混合动力试验的变刚度柱构件设计方法，其特征在于，所述柱脚螺杆两端分别通过螺母紧固。
4.根据权利要求1所述的用于混合动力试验的变刚度柱构件设计方法，其特征在于，所述变刚度柱构件为钢结构试件。
5.根据权利要求1所述的用于混合动力试验的变刚度柱构件设计方法，其特征在于，所述柱脚螺杆垂直于水平面。
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