CN109916584A - 基于土-结构-消能减震装置相互作用的子结构试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于土‑结构‑消能减震装置相互作用的子结构试验方法，包括以下步骤：选取地震动，建立土‑结构分析子结构模型，获得质量、刚度、阻尼矩阵；获取分析子结构的初始加速度向量和不同时刻的相对位移和速度；获得消能减震装置与结构界面处的绝对位移；测得消能减震装置与振动台界面处界面力；获得分析子结构对应时刻的加速度向量。本发明通过建立土‑结构相互作用的分析子结构模型，结合实际的振动台与消能减震装置相互作用试验，建立了考虑土‑结构‑消能减震装置三者之间相互作用的试验方法，从而能够更真实、更准确的反映地震作用下实际的土‑结构‑消能减震装置体系的相互作用，为建筑结构的抗震研究提供新思路。

Description

基于土-结构-消能减震装置相互作用的子结构试验方法

技术领域

本发明涉及结构工程抗震技术领域，尤其涉及基于土-结构-消能减震装置相互作用的子结构试验方法。

背景技术

现有的建筑结构抗震设计大多基于刚性地基假定，并未考虑土体对上部结构的影响，大量的研究表明土体的动力特性会影响建筑结构的抗震性能。而对于添加了消能减震装置的建筑结构，在地震作用下，土体对建筑结构的动力作用顺次传递到了消能减震装置中，消能减震装置的动力反应又反作用于建筑结构，然后又反馈到土体当中，因此，三者是相互影响相互作用的整体，其中，直接承受地震作用的土体对建筑结构和消能减震装置的影响，在建筑结构的抗震性能研究中具有重要地位。而现有的消能减震装置体系因为忽略土-结构相互作用的影响势必会给被动消能设计引入一定的误差，会影响被动消能装置的效果，甚至影响结构设计的安全性、可靠性。

现有考虑土-结构相互作用的消能减震装置体系均采用传统的整体结构振动台试验方法。具体地，将结构的缩尺模型放在振动台上进行加载试验，这种试验方法存在以下问题：首先，由于采用较大的几何缩尺模型，无法真实反映原型结构的力学性能；其次，由于人为设置的模型边界条件而产生的不符合实际情况的波反射和散射，对试验结果产生较大影响；再次，采用整体结构振动台试验时，结构参数的调整变得异常困难，即如果要调整结构参数，就需要制作很多结构模型，这样会给试验带来巨大阻力。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的是提出基于土-结构-消能减震装置相互作用的子结构试验方法，通过建立土-结构相互作用的分析子结构模型，结合实际的振动台与消能减震装置相互作用试验，建立了一种考虑土-结构-消能减震装置三者之间相互作用的试验方法，从而能够更真实、更准确的反映地震作用下实际的土-结构-消能减震装置体系的相互作用，为建筑结构的抗震研究提供新思路。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以解决。

基于土-结构-消能减震装置相互作用的子结构试验方法，包括以下步骤：

步骤1，选取地震动；将消能减震装置置于振动台上，在振动台与消能减震装置之间设置力传感器；

根据目标子结构的结构类型和结构参数，建立目标子结构的分析子结构模型，获得分析子结构的质量矩阵M、刚度矩阵K和阻尼矩阵C。

步骤2，施加地震动至分析子结构，获取初始地震动外力向量F₀；设定分析子结构的初始相对位移向量X₀、初始速度向量从而获取分析子结构的初始加速度向量并采用双显式积分法，得到分析子结构第i+1时刻的速度向量和相对位移向量X_i+1：

其中，i＝1，2…n，n∈N⁺，α₁和α₂为模型参数矩阵，α₁＝(M+γΔtC+βΔt²K)^-1M，α₂表示γ和β为常数，表示数值特性参数；(.)^-1表示矩阵的逆；Δt是时间积分步长。

步骤3，根据分析子结构第i+1时刻的相对位移向量X_i+1，确定分析子结构第i+1时刻的状态，即获得分析子结构第i+1时刻的恢复力向量R_i+1。

根据分析子结构第i+1时刻的相对位移向量X_i+1，结合第i+1时刻的地震动位移x_g，i+1，得到消能减震装置与结构界面处第i+1时刻的绝对位移

步骤4，采用绝对位移驱动振动台，测得消能减震装置与振动台界面处第i+1时刻的界面力，即为第i+1时刻消能减震装置与结构之间的界面力

步骤5，将界面力输入分析子结构模型中，得到分析子结构第i+1时刻的加速度向量

重复上述步骤2-步骤5可以获得考虑土-结构-消能减震装置之间相互作用的地震动过程中

本发明技术方案的特点和进一步的改进为：

(1)步骤1中，采用集总参数模型或有限元数值模型建立目标子结构的分析子结构。

(2)步骤1中，所述消能减震装置为调谐液体阻尼器、颗粒阻尼器或调谐质量阻尼器中的一种或多种的组合。

(3)步骤3包含以下子步骤：

步骤3a，设定分析子结构模型为线弹性模型，则第i+1时刻分析子结构的恢复力向量R_i+1＝KX_i+1；

步骤3b，将分析子结构的自由度转换为消能减震装置与结构界面处的自由度，得到消能减震装置与结构界面处第i+1时刻的相对位移

步骤3c，根据相对位移和第i+1时刻的地震动位移x_g，i+1，得到消能减震装置与结构界面处第i+1时刻的绝对位移

其中，T₁为将多维向量转换为单个位移数据的转换矩阵，用于将分析子结构的自由度转换为消能减震装置与结构界面处的自由度。

(4)步骤5包含以下子步骤：

步骤5a，根据第i+1时刻的地震动加速度得到第i+1时刻的地震动外力向量F_i+1：

其中，l为影响向量，表示地面位移对结构位移的影响；其中，若向量l中的元素对应水平自由度，则向量l的元素全部为1，否则，向量l的元素全部为0；

步骤5b，采用第i+1时刻的地震动外力向量F_i+1和第i+1时刻消能减震装置与结构之间的界面力计算出第i+1时刻分析子结构的加速度向量

其中，T₂为将单个数据转换为多维向量的转换矩阵，用于将消能减震装置与结构界面处的自由度转换为分析子结构的自由度。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)本发明的方法考虑了土-结构-消能减震装置三者之间的相互作用，在试验过程中，通过建立考虑土-结构相互作用的分析子结构模型，调整消能减震装置的驱动载荷，再通过获得的消能减震装置与建筑结构之间的界面力得到在地震动作用下建筑结构的力学性能及变化规律，能够更真实的反映地震过程中建筑结构内部各处的受力情况，为建筑结构的抗震性能研究提供理论依据。

(2)本发明中将消能减震装置与振动台作为试验子结构，使试验子结构能够做成大比例尺或足尺模型，避免了缩尺试验带来的结构误差和模型边界的波反射和波散射对试验结果产生的影响，提高了试验结果的准确性。

(3)本发明将土-结构作为分析子结构进行数值模拟，从而避免了土-结构的物理模型的制作；且便于进行土-结构的物理参数的调整，避免了制作大批的土-结构物理模型，提高了试验效率，大大的降低了试验成本。

附图说明

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

图1是本发明的基于土-结构-消能减震装置相互作用的子结构试验方法的试验过程示意图。

图2是本发明的基于土-结构-消能减震装置相互作用的子结构试验方法的试验原理流程图。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域的技术人员将会理解，以下实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。

参考图1，本发明实施例提供基于土-结构-消能减震装置相互作用的子结构试验方法，基于真实的地震发生时采集的地震动数据，建立考虑土-结构-消能减震装置相互作用的试验方法。

基于土-结构-消能减震装置相互作用的子结构试验方法，具体包括如下步骤：

步骤1，选取地震动；将消能减震装置置于振动台上，在振动台与消能减震装置之间设置力传感器；

根据目标子结构的结构类型和结构参数，建立目标子结构的分析子结构模型，获得分析子结构的质量矩阵M、刚度矩阵K和阻尼矩阵C。

步骤2，施加地震动至分析子结构，获取初始地震动外力向量F₀；设定分析子结构的初始相对位移向量X₀、初始速度向量从而获取分析子结构的初始加速度向量并采用双显式积分法，得到分析子结构第i+1时刻的速度向量和相对位移向量X_i+1：

其中，i＝1，2…n，n∈N⁺，α₁和α₂为模型参数矩阵，α₁＝(M+γΔtC+βΔt²K)^-1M，α₂表示γ和β为常数，表示数值特性参数；(.)^-1表示矩阵的逆；Δt是时间积分步长。

步骤3，根据分析子结构第i+1时刻的相对位移向量X_i+1，确定分析子结构第i+1时刻的状态，即获得分析子结构第i+1时刻的恢复力向量R_i+1。

根据分析子结构第i+1时刻的相对位移向量X_i+1，结合第i+1时刻的地震动位移x_g，i+1，得到消能减震装置与结构界面处第i+1时刻的绝对位移

步骤4，采用绝对位移驱动振动台，测得消能减震装置与振动台界面处第i+1时刻的界面力，即为第i+1时刻消能减震装置与结构之间的界面力

步骤5，将界面力输入分析子结构模型中，得到分析子结构第i+1时刻的加速度向量

示例性的，以某软土地基上的两层钢框架结构-颗粒阻尼器体系，在长周期大位移地震动作用下为例，对本发明的技术方案作进一步的说明，参考图1为本实施例的试验过程，包括以下步骤：

(1)获取分析子结构的特征参数矩阵

选取长周期大位移地震动；将颗粒阻尼器置于驱动位移单参量驱动的振动台上，在振动台与颗粒阻尼器之间设置力传感器；采用ANSYS有限元软件对软土地基-两层钢框架结构进行分析子结构建模。具体建模过程为：

首先，选取单元类型，采用BEAM4单元模拟钢框架结构，钢框架结构包含梁和柱，采用PLANE182单元模拟软土地基。其次，输入材料参数，材料特征参数包括钢材的密度、弹性模量和强度和软土的密度、弹性模量和强度。再次，分别对钢框架结构及软土进行网格划分。具体划分方法为：将每层钢框架的柱划分为一个单元，每层钢框架的梁划分为一个单元；软土划分为四个相同大小的单元。最后即可获得分析子结构的自由度n，即完成建模，得到软土地基-两层钢框架结构的分析子结构。

通过该分析子结构即可导出软土地基-两层钢框架的质量矩阵M、刚度矩阵K、阻尼矩阵C；其中，M、K、C三个矩阵的维数均为n×n。

(2)获取分析子结构的初始加速度和不同时刻的位移、速度

参考图2，对于步骤(1)建立的分析子结构，输入步骤(1)中选取的长周期大位移地震动至分析子结构中，即输入加速度激励至分析子结构中，进而获取初始地震动外力向量F₀。

设定分析子结构的初始位移向量X₀为元素全为0的向量、初始速度向量为元素全为0的向量，由以下公式计算出分析子结构的初始加速度向量：

采用双显式积分法，得到分析子结构的位移向量迭代公式和速度向量迭代公式：

上式中，i取正整数，α₁和α₂为模型参数矩阵，α₁＝(M+γΔtC+βΔt²K)^-1M，γ和β为常数，表示数值特性参数，令γ＝2β＝1/2；(.)^-1表示矩阵的逆；Δt是时间积分步长，设定为0.01s；基于初始位移向量X₀、初始速度向量初始地震动外力向量F₀和初始加速度向量通过上述位移向量迭代公式和速度向量迭代公式，即可获得分析子结构不同时刻的相对位移向量X_i+1和速度向量

(3)获取颗粒阻尼器与钢框架界面处的绝对位移

首先，根据X_i+1来确定分析子结构第i+1时刻的恢复力向量R_i+1，对于线弹性的情形，恢复力向量与相对位移向量之间可通过公式计算：R_i+1＝KX_i+1。

其次，通过转换矩阵T₁将相对位移向量X_i+1转换为颗粒阻尼器与钢框架界面处第i+1时刻的相对位移也就是将分析子结构即软土-两层钢框架结构的数值模型的自由度转换为消能减震装置即颗粒阻尼器与结构界面处的自由度；

最后，由步骤(1)选取的地震动获得第i+1时刻的地震动位移x_g，i+1，结合颗粒阻尼器与钢框架界面处第i+1时刻的相对位移获得求得颗粒阻尼器与钢框架界面处第i+1时刻的绝对位移

(4)获取颗粒阻尼器与钢框架结构界面处的界面力

采用步骤(3)中计算出的第i+1时刻的绝对位移作为驱动载荷通过控制系统驱动振动台振动，通过应力传感器测得颗粒阻尼器与振动台界面处第i+1时刻的界面力，作为第i+1时刻颗粒阻尼器与钢框架结构之间的界面力

(5)获取分析子结构不同时刻的加速度向量

首先，通过步骤(1)选取的地震动，获得第i+1时刻的地震动加速度进而通过以下公式得到第i+1时刻的地震动外力向量其中，l为影响向量，表示地面位移对结构位移的影响；若向量l中的元素对应水平自由度，则向量l的元素全部为1，否则，向量l的元素全部为0。

其次，采用第i+1时刻的地震动外力向量F_i+1和第i+1时刻消能减震装置与结构之间的界面力通过以下公式计算出第i+1时刻分析子结构即软土-两层钢框架结构的加速度向量

其中，(.)^-1表示矩阵的逆；T₂为将单个数据转换为多维向量的转换矩阵，用于将颗粒阻尼器与钢框架结构界面处的自由度转换为分析子结构的自由度。

重复上述步骤(2)到步骤(5)，直至地震动输入结束，即可获得考虑软土地基-两层钢框架结构-颗粒阻尼器三者之间相互作用后建筑结构即两层钢框架结构在地震动中的力学性能，即获得两层钢框架结构中的各个节点在地震动输入过程中的不同时刻的相对位移、速度和加速度等信息，进而为建筑结构的抗震性能研究提供有力证据。

本发明考虑了土-结构-消能减震装置三者之间的相互作用，在试验过程中，通过建立考虑土-结构相互作用的分析子结构模型，调整消能减震装置的驱动载荷，再通过获得的消能减震装置与建筑结构之间的界面力得到在地震动作用下建筑结构的力学性能及变化规律，能够更真实的反映地震过程中建筑结构内部各处的受力情况，为建筑结构的抗震性能研究提供理论依据。本发明将消能减震装置与振动台作为试验子结构，使试验子结构能够做成大比例尺或足尺模型，避免了缩尺试验带来的结构误差和模型边界的波反射和波散射对试验结果产生的影响，提高了试验结果的准确性。本发明将土-结构作为分析子结构进行数值模拟，从而避免了土-结构的物理模型的制作；且便于进行土-结构的物理参数的调整，避免了制作大批的土-结构物理模型，提高了试验效率，大大的降低了试验成本。

本发明中，试验子结构即消能减震装置是调谐液体阻尼器、颗粒阻尼器和调谐质量阻尼器中的一种或多种的组合形式。分析子结构即土-结构的数值模型中的土体为简化的集总参数模型或复杂的有限元数值模型。分析子结构即土-结构的数值模型中的结构为简化的质量-阻尼-刚度模型或复杂的有限元数值模型。振动台为位移单参量驱动类型或位移、速度双参量驱动类型。所述力传感器可为应变式力传感器或压电式力传感器。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些改动和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (5)

1.一种基于土-结构-消能减震装置相互作用的子结构试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，选取地震动；将消能减震装置置于振动台上，在振动台与消能减震装置之间设置力传感器；

根据目标子结构的结构类型和结构参数，建立目标子结构的分析子结构模型，获得分析子结构的质量矩阵M、刚度矩阵K和阻尼矩阵C；

步骤2，施加地震动至分析子结构，获取初始地震动外力向量F₀；设定分析子结构的初始相对位移向量X₀、初始速度向量从而获取分析子结构的初始加速度向量并采用双显式积分法，得到分析子结构第i+1时刻的速度向量和相对位移向量X_i+1：

其中，i＝1，2…n，n∈N⁺，α₁和α₂为模型参数矩阵，α₁＝(M+γΔtC+βΔt²K)^-1M，α₂表示γ和β为常数，表示数值特性参数；(.)^-1表示矩阵的逆；Δt是时间积分步长；

步骤3，根据分析子结构第i+1时刻的相对位移向量X_i+1，确定分析子结构第i+1时刻的状态，即获得分析子结构第i+1时刻的恢复力向量R_i+1；

根据分析子结构第i+1时刻的相对位移向量X_i+1，结合第i+1时刻的地震动位移x_g，i+1，得到消能减震装置与结构界面处第i+1时刻的绝对位移

步骤4，采用绝对位移驱动振动台，测得消能减震装置与振动台界面处第i+1时刻的界面力，即为第i+1时刻消能减震装置与结构之间的界面力

步骤5，将界面力输入分析子结构模型中，得到分析子结构第i+1时刻的加速度向量

2.根据权利要求1所述的基于土-结构-消能减震装置相互作用的子结构试验方法，步骤1中，采用集总参数模型或有限元数值模型建立目标子结构的分析子结构。

3.根据权利要求1所述的基于土-结构-消能减震装置相互作用的子结构试验方法，其特征在于，步骤1中，所述消能减震装置为调谐液体阻尼器、颗粒阻尼器或调谐质量阻尼器中的一种或多种的组合。

4.根据权利要求1所述的基于土-结构-消能减震装置相互作用的子结构试验方法，其特征在于，步骤3包含以下子步骤：

步骤3a，设定分析子结构模型为线弹性模型，则第i+1时刻分析子结构的恢复力向量R_i+1＝KX_i+1；

步骤3b，将分析子结构的自由度转换为消能减震装置与结构界面处的自由度，得到消能减震装置与结构界面处第i+1时刻的相对位移

步骤3c，根据相对位移和第i+1时刻的地震动位移x_g，i+1，得到消能减震装置与结构界面处第i+1时刻的绝对位移

其中，T₁为将多维向量转换为单个位移数据的转换矩阵，用于将分析子结构的自由度转换为消能减震装置与结构界面处的自由度。

5.根据权利要求2所述的基于土-结构-消能减震装置相互作用的子结构试验方法，其特征在于，步骤5包含以下子步骤：

步骤5a，根据第i+1时刻的地震动加速度得到第i+1时刻的地震动外力向量F_i+1：

其中，l为影响向量，表示地面位移对结构位移的影响；其中，若向量l中的元素对应水平自由度，则向量l的元素全部为1，否则，向量l的元素全部为0；

步骤5b，采用第i+1时刻的地震动外力向量F_i+1和第i+1时刻消能减震装置与结构之间的界面力计算出第i+1时刻分析子结构的加速度向量

其中，T₂为将单个数据转换为多维向量的转换矩阵，用于将消能减震装置与结构界面处的自由度转换为分析子结构的自由度。