CN111027261A - 一种用于研究结构风激励响应的混合模拟试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种结合数值模拟与物理试验用于研究结构风荷载下动力响应的方法，属于结构防灾领域，特别是结构抗风试验研究领域。本发明所提出的试验方法，将实际工程结构划分为试验子结构(1)和计算子结构(2)，试验子结构(1)通过新型风激励装置(4)加载，计算子结构(2)通过结构分析软件进行计算机数值模拟，二者之间通过数据交换系统(3)进行交互，从而得到整体结构在外部风激励下的响应。该方法克服了传统的风洞试验由于尺寸限制难以准确模拟复杂工程结构在风荷载下的响应，特别是克服了风损试验难度大等方面的缺陷，突破了结构模型尺寸限制，降低了试验费用，对极端风荷载模拟效果更理想，可以满足工程技术及研究人员的需求。

Description

一种用于研究结构风激励响应的混合模拟试验方法

技术领域

本发明提出一种结合数值模拟与物理试验用于研究结构风荷载下动力响应的试验方法，属于结构防灾领域，特别是结构抗风试验研究领域。

背景技术

风灾是自然灾害的主要灾种之一。近年来，由于全球气候变暖，风灾更加严重，每年造成全球经济损失达数百亿甚至数千亿美元。土木工程结构抗风研究是防灾减灾领域中非常重要的学科方向。传统的结构抗风试验研究多采用风洞试验模拟自然风在构筑物表面的作用。但现有的风洞试验室在规模上往往难以满足结构足尺模型试验的要求，因此不得不对试验结构采用缩尺简化，所得到的试验结果必然与真实情况存在较大差异；特别是由于风洞设计和建造成本方面的考虑，常规风洞往往不能开展破坏性的风损试验，以避免破坏后的构件对试验装置的损害。随着近年来计算机数值计算技术的飞速发展，数值模拟技术成为结构抗风试验研究的重要手段。通过人工风荷载时程模拟构筑物表面作用的风荷载并利用流体力学软件进行数值计算从而实现结构动力响应的求解，为解决风洞试验价格高昂等经济性问题提供了一条有效途径。但考虑到破坏阶段结构构件局部大变形和材料非线性等问题，利用数值手段进行准确模拟的计算成本较高，并仍然存在许多理论上的问题。采用混合模拟试验的试验方法，将数值模拟和物理试验相结合，通过物理试验实现结构局部破坏的精确全过程再现，通过数值模拟对结构整体或部分进行计算分析，可以更好实现抗风试验的目的。

发明内容

本发明提供一种结合数值模拟与物理试验的方法，用于研究结构风荷载下的动力响应。

采用的风激励装置利用若干乙烯基材料制成的气囊与受荷构件表面通过硅基黏合剂进行可靠连接，通过伺服气阀控制，实现构筑物表面具有时间脉动性和一定空间相干分布特征的风荷载加载。这种新型风激励装置和高性能计算设备协同工作，将数值模拟与物理试验相结合，对结构局部构件的足尺模型进行加载，突破了结构的尺寸限制，降低了试验费用，结构风荷载下动力响应模拟效果理想。

为达到以上目的，本发明的技术方案如下：

本发明提供一种结合数值模拟与物理试验用于研究结构风荷载下的动力响应的试验方法，包括以下步骤：

(a)针对于可能遭受风致破坏的结构，根据简化模型的理论分析、数值模拟或缩尺模型的风洞试验结果，确定整个结构体系中的关键部件。

(b)根据确定的关键部件，将整体结构划分为计算子结构和试验子结构两部分。

①试验子结构为整体结构中的试验部分，即上述结构体系中的关键部件。试验子结构通过风激励装置施加风致激励荷载，在子结构分界面上通过加载装置施加计算子结构的结构动力响应，并根据工程实际设置边界约束。

②计算子结构为整体结构中除去试验子结构的其余部分，考虑风荷载作用和试验子结构界面动力反馈，通过计算机数值模拟。

(c)试验子结构与外界的交互分为风致激励作用、界面处计算子结构动力响应和边界约束。

①试验子结构外加风致激励荷载的施加，依据试验结果精度以及工程需求进行设计，并按照加载设计布置风激励装置进行加载。

②试验子结构界面上计算子结构动力响应的施加，依据计算子结构和试验子结构之间的内力和变形的相互作用设计和安装加载装置进行。

③试验子结构的边界约束要求尽可能反映真实工程情况。

(d)进行试验子结构的制作与组装，以及计算子结构的建模与模拟计算。试验子结构和计算子结构之间设置数据交换系统，包括试验子结构界面上动力响应数据的采集，数据向数值计算机的传递，以及计算子结构的位移、速度、加速度等动力响应数据向试验子结构界面加载装置控制系统的同步反馈。

(e)选取适当的数值计算时间步长和风荷载的持续时间，设计外加风荷载。风荷载的设计依据包括缩尺模型风洞试验数据，真实强风作用下结构表面测得的数据信息或者人工风速模拟时程等。计算子结构的风荷载利用流体力学软件在计算机中模拟加载，试验子结构的风荷载由风激励装置施加。

(f)混合模拟加载过程：

①由风激励装置进行所设计的外加风荷载的加载。

②确定计算子结构初始动力响应，即计算子结构与试验子结构界面处的力、位移等参数信息。

③将计算子结构的结构动力响应通过加载装置作用于试验子结构界面，并测量试验子结构界面处的动力响应数据。

④将试验子结构的动力响应数据反馈给计算子结构模型，通过设计的结构数值模拟方法和用于减小时滞对试验的影响的时滞补偿算法，求得下一时间步内计算子结构的结构动力响应。

⑤判断是否达到试验停止条件，若否，则回到上述第③④步进行循环。

(7)试验停止条件：

①外荷载输入完毕，结构响应尚未达到试验目的所要求的预期状态，则停止试验，分析相关试验数据，重新设计外荷载再次试验。

②若在外荷载作用下结构响应达到试验目的所要求的预期状态，则停止试验，分析试验数据，对破坏现象进行理论分析。

本发明的有益效果在于：

本发明与现有技术相比，具有以下优点和有益效果：

①试验子结构的风激励模拟效果更加理想，可以实现对自然风作用于结构时在时间上的脉动性和空间上的分布特征的模拟。

②允许对结构构件进行大比例或足尺模型试验，突破了结构模型的尺寸限制，解决了由于采用缩尺模型进行试验所带来的模型误差。

③允许对整体结构构件的局部进行加载，可以实现结构构件风致大变形、非线性的加载，为极端风况下结构响应分析奠定物理试验的基础。

④试验成本相对低廉，构件破坏时对试验装置无损害，为工程结构破坏性的风损试验提供了可能。

附图说明

图1为本发明的试验方法的基本原理示意图；

图2为用于某结构的风压动力混合模拟试验试验装置示意图。

具体实施方式

任何用于风致响应试验或风损破坏试验研究的结构，包括高层建筑的幕墙、太阳能电池板、屋面、路两边的声屏障、风电塔、冷却塔等等，均可采用本发明所提供的结合数值模拟与物理试验的方法开展试验。虽然本发明的优选实施方案已在本申请文件中显示和描述，对本领域技术人员显而易见的是所提供的这些实施方案仅仅是作为示例。本领域的技术人目前可以想到的众多变形、改变及替代均不超出本发明。应当理解，在本发明的实践过程中可采用对在本申请文件中描述的本发明的实施方法所做的各种替换。所附权利要求旨在限定本发明的范围，且借此应涵盖这些权利要求及其等同变换范围内的方法和结构。任何经过非创造性改造就可以实现的技术，均在本专利保护范围内。

下面结合用于某结构的风压动力混合模拟试验实例及附图对本发明作进一步说明，但不限于此。附图仅供参考，具体的试验子结构1形式以及边界约束6须以实际构件设计为准。

通过工程事故案例以及风荷载作用下该结构的振动响应理论分析，或通过整体结构缩尺模型试验结果，制定试验方案。取该结构体系的关键部件作为混合模拟试验中的试验子结构1；其他部分作为混合模拟试验中的计算子结构2。

该试验子结构1的安装方式如图2所示。其中，1与按实际边界条件设计的边界约束6(试验台或反力架等)进行可靠连接与安装，试验子结构1与计算子结构2的分界界面尽可能模拟真实情况，采用界面加载装置5进行同步加载，实现计算子结构2动力响应向试验子结构1的反馈。

试验子结构1按照风荷载下动力响应结果的精度要求进行加载设计，采用风激励装置4对试验子结构1进行加载。

试验子结构1上安装数据交换系统3，实现对试验子结构1应变、位移、加速度、力等动力响应数据的采集，并将动力响应数据作为反馈施加在到计算子结构2，实现数据同步交互。

计算子结构2进行适当简化后，可以采用流体力学计算软件建立。

外加风荷载的设计主要依据缩尺模型风洞试验数据、真实环境下测得的风压信息或者人工风速模拟时程等进行。计算子结构2的风载输入计算机中进行模拟加载，试验子结构1的风载则须进行加载设计，在需加载表面将风荷载信息制成风压时程，通过风激励装置4施加。

试验中首先选取适当的数值计算时间步长和风荷载的持续时间，设计外加风荷载并由风激励装置4进行加载。确定计算子结构2初始动力响应，即计算子结构2与试验子结构1界面处的力、位移等参数信息，通过界面加载装置5将计算子结构2的动力响应作用于试验子结构1界面，并测量试验子结构1边界的动力响应数据；将试验子结构1边界的动力响应数据反馈给2模型，通过设计的结构数值模拟方法和用于减小时滞对试验的影响的时滞补偿算法，求得下一时间步内计算子结构2动力响应。该过程不断循环直至达到试验停止条件。

若外荷载输入完毕，结构响应尚未达到试验目的所要求的预期状态，则停止试验，分析相关试验数据，重新设计外荷载再次试验；若在外荷载作用下结构响应达到试验目的所要求的预期状态，则停止试验，进行数据分析。

数据分析过程包括对试验获得的结构动力响应信息进行统计分析，对试验子结构1最终的极限状态进行观察总结，对试验结果的理论解释等。

另外，前面对根据本发明的实施例的描述仅用于示例目的，并不是为了如所附权利要求及其等同形式所限定而限制本发明。

Claims (9)

1.一种结合数值模拟与物理试验用于研究结构风致动力响应的方法，其特征在于，将实际研究的工程结构划分为试验子结构(1)和计算子结构(2)，并设置数据交换系统(3)。

2.一种根据权利要求1所述的试验子结构(1)，其特征在于，在边界上进行风致激励加载，在子结构的分界面上进行界面加载，并根据工程实际设置边界约束(6)。

3.一种根据权利要求2所述的风致激励加载，其特征在于，将试验构件表面进行单元划分，并将其与以气囊及伺服气阀为主要组成的风激励装置(4)相连接。

4.一种根据权利要求2所述的界面加载，其特征在于，根据计算子结构(2)的动力响应信息，利用加载装置将相应的力或位移等作用施加到试验子结构(1)的界面上。

5.一种根据权利要求2所述的边界约束(6)，其特征在于，是试验子结构(1)作为整体结构一部分所受到的外部约束，即整体结构外部约束中直接作用于试验子结构(1)上的约束条件，按实际约束情况进行设置。

6.一种根据权利要求1所述的计算子结构(2)，其特征在于，由计算机软件进行数值模拟，能够通过输入风荷载及试验子结构(1)的动力响应反馈信息进行数值计算，得到计算子结构(2)的动力响应。

7.一种根据权利要求1所述的数据交换系统(3)，其特征在于，能够将试验子结构(1)的动力响应信息同步采集传递给计算子结构(2)，以及将计算子结构(2)的动力响应信息同步反馈给试验子结构(1)界面加载装置(5)。

8.一种根据权利要求1所述的结合数值模拟与结构试验用于研究结构风荷载下动力响应的方法，其试验过程包括：

(a)选取数值计算时间步长和风荷载的持续时间，设计外加风荷载并加载；

(b)确定计算子结构(2)初始动力响应，即计算子结构(2)与试验子结构(1)界面处的力、位移等参数信息；

(c)将计算子结构(2)的结构动力响应通过加载装置作用于试验子结构(1)界面，并测量试验子结构(1)界面处的动力响应数据；

(d)将试验子结构边界的动力参数反馈给计算子结构模型，通过设计的结构数值模拟方法和时滞补偿算法，求得下一时间步内计算子结构的结构动力响应；

(e)判断是否达到试验停止条件，若否，则回到上述第(3)(4)步进行循环。

9.一种根据权利要求8所述的试验停止条件，包括两种可能：

(a)结构响应尚未达到试验目的所要求的预期状态，但外加风荷载已经输入完毕，停止试验；

(b)结构响应达到试验目的所要求的预期状态，停止试验。

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