CN111238755A - 一种多层框架子结构远程协同试验方法及系统 - Google Patents

一种多层框架子结构远程协同试验方法及系统 Download PDF

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李腾飞
苏明周
隋*
隋
马磊
弓欢学
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Abstract

本发明公开了一种多层框架子结构远程协同试验方法及系统，本发明通过本地实验室与远程站点实验室建立连接，实现了多层空间框架这种较复杂结构模型的子结构远程协同试验。本发明利用网络试验平台将多层空间框架试验子结构等效为多节点试验单元，实现了子结构之间的数据通讯。本发明利用局域网或广域网可将多个实验室的资源进行共享，实现大比例尺的复杂结构抗震性能试验。

Description

一种多层框架子结构远程协同试验方法及系统
技术领域
本发明属于土木工程结构试验领域，具体涉及一种多层框架子结构远程协同试验方法及系统。
背景技术
远程协同试验是随着子结构拟动力试验的发展以及互联网技术的开发应用而出现的一种新型结构试验技术。利用子结构试验原理将大型结构分解成若干个子结构，每个子结构在不同的实验室进行试验或模拟，然后通过互联网进行数据交换和远程控制，实现各个子结构之间的协同工作，从而完成整体结构的抗震试验。
目前，多数远程协同试验仍以柱子或桥墩等单自由度试件作为子结构来进行试验研究。随着我国经济的快速发展，越来越多的高层甚至超高层结构出现，在对这类结构进行远程协同试验时，取出结构整体中易损的部分框架作为试验子结构进行抗震试验研究显得更为合理。
发明内容
本发明的目的在于克服上述不足，提供一种能够有效考虑多层空间框架模型作为试验子结构的多层框架子结构远程协同试验方法及系统。
为了达到上述目的，一种多层框架子结构远程协同试验方法，包括以下步骤：
步骤一，将多层空间框架结构模型划分为数值子结构、第一试验子结构和第二试验子结构三部分；
步骤二，进行数值子结构的建模，定义荷载工况、分析选项；
步骤三，在本地实验室内安装第一试验子结构的加载装置，在远程站点实验室内安装第二试验子结构的加载装置；
步骤四，进行本地实验室与远程站点实验室的信息设置以及通讯试验单元建立；
步骤五，使本地MTS控制系统与本地试验机连接成功，等待远程试验站点连接；通过远程MTS控制系统与本地试验机连接成功，等待试验开始；
步骤六，本地试验机确认远程试验站点接入成功，正式开始远程协同试验模型数值分析和远程试验加载，直至输入地震波模拟分析结束。
步骤二中，数值子结构的建模采用OpenSees有限元软件进行。
步骤四中，本地实验室与远程站点实验室通过OpenFresco平台进行信息设置以及通讯试验单元建立。
当有限元软件OpenSees与MTS控制系统的软件安装在同一台计算机上时，在OpenFresco 平台上建立一个本地试验站点Local Site，实现OpenSees有限元软件与MTS控制系统件数据通讯。
当有限元软件OpenSees与MTS控制系统的软件未安装在同一台计算机上时，在OpenFresco平台中建立一个远程试验站点Shadow Site，在远程试验计算机中建立一个本地试验站点Actor Site，并通过客户端Client/服务器Server的方式实现有限元软件OpenSees与远程试验计算机之间的网络通讯。
第一试验子结构和第二试验子结构均为多层空间框架结构。
一种多层框架子结构远程协同试验系统，包括若干层试验子结构框架，每层试验子结构框架结构相同，底层试验子结构框架固定在地梁上，试验子结构框架上设置有混凝土配重块，试验子结构框架顶部横梁的侧面设置有水平加载分配梁，水平加载分配梁与水平动作器的一端铰接，水平动作器通过试验计算机控制，试验计算机用于控制水平动作器动作，并采集水平动作器的惯性力和阻尼力。
最底层试验子结构框架通过地脚螺栓固定在地梁上，水平动作器的另一端固定在混凝土反力墙上。
试验计算机连接OpenFresco平台以及内置有OpenSEES软件的计算机，OpenSEES软件用于建立数值子结构模型，OpenFresco平台用于多个数值子结构模型间的数据通讯。
子结构试验通讯平台与各水平动作器通信采用MTS CSI接口软件。
与现有技术相比，本发明的方法通过本地实验室与远程站点实验室建立连接，实现了多层空间框架这种较复杂结构模型的子结构远程协同试验。本发明利用网络试验平台将多层空间框架试验子结构等效为多节点试验单元，实现了子结构之间的数据通讯。本发明利用局域网或广域网可将多个实验室的资源进行共享，实现大比例尺的复杂结构抗震性能试验。
本发明的系统设置有多层试验子结构框架，通过每层试验子结构框架对应的水平动作器对试验子结构框架增加载荷并采集对应数据，实现了多层空间框架模型的混合仿真试验加载，有助于混合仿真试验方法在高层结构抗震试验领域的进一步推广。本发明能够通过试验计算机将本地实验室与远程站点实验室建立连接，实现了多层空间框架这种较复杂结构模型的子结构远程协同试验。
附图说明
图1为本发明的远程协同试验系统示意图；
图2为远程协同试验流程图；
图3为多层空间偏心支撑框架原型研究对象示意图；
图4为建立的协同试验混合模型示意图；其中(a)为第一试验子结构，(b)为数值子结构，(c)为第二试验子结构；
图5为利用OpenSees建立的原型结果纯数值模型图；
图6为加速度峰值0.120g的El Centro波作用下混合模型一层命令位移和原型结构纯数值模型一层计算位移的时程曲线比较示意图。
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，本发明包括以下步骤：
步骤一，将多层空间框架结构模型划分为数值子结构、第一试验子结构和第二试验子结构三部分；
步骤二，进行数值子结构的建模，定义荷载工况、分析选项；
步骤三，在本地实验室内安装第一试验子结构的加载装置，在远程站点实验室内安装第二试验子结构的加载装置；
步骤四，进行本地实验室与远程站点实验室的信息设置以及通讯试验单元建立；
步骤五，使本地MTS控制系统与本地试验机连接成功，等待远程试验站点连接；通过远程MTS控制系统与本地试验机连接成功，等待试验开始；
步骤六，本地试验机确认远程试验站点接入成功，正式开始远程协同试验模型数值分析和远程试验加载，直至输入地震波模拟分析结束。
用于协同试验混合模型建立和计算的有限元软件OpenSees、用于数据通讯的网络试验平台OpenFresco、本地MTS试验加载系统以及远程MTS试验加载系统，其中OpenSees与OpenFresco之间的通信使用TCP/IP协议，OpenFresco与MTS加载系统之间采用MTS CSI(MTSComputer Simulation Interface Software)试验接口软件进行连接。
有限元软件OpenSees与本地试验加载系统中的MTS控制系统软件安装在同一台计算机上，因此只需在OpenFresco中建立一个本地试验站点(Local Site)，便可实现两者之间的数据通讯。
有限元软件OpenSees与远程试验MTS控制系统软件安装于不同地区的不同计算机中，因此需要在OpenFresco中建立一个远程试验站点Shadow Site，在远程试验计算机中建立一个本地试验站点Actor Site，并通过客户端(Client)/服务器(Server)的方式实现有限元软件与远程试验计算机之间的网络通讯。
试验子结构为多层空间框架结构。
一种多层框架子结构远程协同试验系统，包括若干层试验子结构框架4，每层试验子结构框架4结构相同，底层试验子结构框架4固定在地梁6上，试验子结构框架4上设置有混凝土配重块5，试验子结构框架4顶部横梁的侧面设置有水平加载分配梁3，水平加载分配梁3与水平动作器2的一端铰接，水平动作器2通过试验计算机控制，试验计算机用于控制水平动作器2动作，并采集水平动作器2的惯性力和阻尼力。最底层试验子结构框架4通过地脚螺栓7 固定在地梁6上，水平动作器2的另一端固定在混凝土反力墙1上。
试验计算机连接OpenFresco平台以及内置有OpenSEES软件的计算机，OpenSEES软件用于建立数值子结构模型，OpenFresco平台用于多个数值子结构模型间的数据通讯。子结构试验通讯平台与各水平动作器2通信采用MTS CSI接口软件。
实施例：
图3为研究对象的原型结构，左边五跨为三层K形偏心支撑组合钢框架，右边跨为单层Y 形偏心支撑钢框架，中间通过一个刚性连杆连接来协调变形。具体试验流程如下：
参考图4，建立协同试验混合模型，取原型结构中左边跨带有K形偏心支撑的三层钢框架作为试验子结构1，在本地实验室进行试验，取右边跨带有Y形偏心支撑的单层钢框架作为试验子结构2，在远程实验室中进行试验，中间四跨作为数值子结构在OpenSees软件中模拟；
参考图4，利用OpenSees建立数值子结构模型，选取原始地震波定义荷载工况。考虑到本次试验选取小荷载工况，结构基本处于弹性阶段，而且采用的是地震波单向加载，因此将数值子结构部分按刚度等效简化为平面结构模型，其中单元类型选用基于位移的梁柱单元 (DispBeamColumn Element)；
参考图4，安装试验子结构的加载装置，其中试验子结构1采用三个作动器进行三质点水平加载，试验子结构2采用一个作动器进行单质点水平加载；
参考图4，在OpenFresco试验平台中进行试验站点的定义和试验单元的建立，其中试验单元是OpenFresco中的一个重要组成模块，它可以用来表示OpenFresco软件系统中的试验结构部分，即在实验室做实际试验的试件。分别建立一个三节点试验单元1(LocalTest Element)和单节点试验单元2(Remote Test Element)来表示两个试验子结构，节点的竖向坐标对应模型层高，试验模型每一层的质量均集中到节点位置，单元节点质量矩阵定义如式(1)、(2)。对试验单元节点和连接边界节点添加单点约束命令Single-PointConstraints，约束其竖向位移和转角位移，简化试验模型只发生水平向位移，这也与试验加载相一致。通过小位移静力加载得到两个试验子结构的初始刚度矩阵K1、K2分别如式(3)、(4)所示；
Figure BDA0002413418810000061
M2＝[0.00730]kt(2)
Figure BDA0002413418810000062
K2＝[k11]＝[66.7]kN/mm(4)
通过OpenSees中的多点约束命令Multi-Point Constraint:Equal DOF来实现试验子结构与数值子结构之间的连接，利用主从关系(Master-Slave)的方式来保证同一层内试验子结构与数值子结构的水平位移响应始终协调统一；
参考图5，利用OpenSees建立原型结构的纯数值模型，用来作为试验过程中作动器位移保护限值以及协同试验模拟结果有效性的参考；
参考图2，开始运行OpenSees，本地MTS控制系统试验站点与OpenSees连接成功，等待远程试验站点连接；
远程MTS控制系统试验站点与OpenSees连接成功，等待试验开始；
本地试验机确认远程试验站点接入成功，正式开始远程协同试验模型数值分析和远程试验加载，直至输入地震波模拟分析结束。
参考图6，试验结束后将加速度峰值为0.120g的El Centro波作用下混合模型一层命令位移和原型结构纯数值模型一层计算位移的时程曲线进行比较，可以看出混合模型在地震荷载作用下的试验分析结果与基于OpenSees建立的原型结构纯数值模型模拟结果基本一致，说明本发明所提出的多层空间框架试验子结构的远程协同试验结果具有足够高的准确性。

Claims (10)

1.一种多层框架子结构远程协同试验方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，将多层空间框架结构模型划分为数值子结构、第一试验子结构和第二试验子结构三部分；
步骤二，进行数值子结构的建模，定义荷载工况、分析选项；
步骤三，在本地实验室内安装第一试验子结构的加载装置，在远程站点实验室内安装第二试验子结构的加载装置；
步骤四，进行本地实验室与远程站点实验室的信息设置以及通讯试验单元建立；
步骤五，使本地MTS控制系统与本地试验机连接成功，等待远程试验站点连接；通过远程MTS控制系统与本地试验机连接成功，等待试验开始；
步骤六，本地试验机确认远程试验站点接入成功，正式开始远程协同试验模型数值分析和远程试验加载，直至输入地震波模拟分析结束。
2.根据权利要求1所述的一种多层框架子结构远程协同试验方法，其特征在于，步骤二中，数值子结构的建模采用OpenSees有限元软件进行。
3.根据权利要求1所述的一种多层框架子结构远程协同试验方法，其特征在于，步骤四中，本地实验室与远程站点实验室通过OpenFresco平台进行信息设置以及通讯试验单元建立。
4.根据权利要求3所述的一种多层框架子结构远程协同试验方法，其特征在于，当有限元软件OpenSees与MTS控制系统的软件安装在同一台计算机上时，在OpenFresco平台上建立一个本地试验站点Local Site，实现OpenSees有限元软件与MTS控制系统件数据通讯。
5.根据权利要求3所述的一种多层框架子结构远程协同试验方法，其特征在于，当有限元软件OpenSees与MTS控制系统的软件未安装在同一台计算机上时，在OpenFresco平台中建立一个远程试验站点Shadow Site，在远程试验计算机中建立一个本地试验站点ActorSite，并通过客户端Client/服务器Server的方式实现有限元软件OpenSees与远程试验计算机之间的网络通讯。
6.根据权利要求3所述的一种多层框架子结构远程协同试验方法，其特征在于，第一试验子结构和第二试验子结构均为多层空间框架结构。
7.一种权利要求1所述的多层框架子结构远程协同试验方法所采用的系统，其特征在于，包括若干层试验子结构框架(4)，每层试验子结构框架(4)结构相同，底层试验子结构框架(4)固定在地梁(6)上，试验子结构框架(4)上设置有混凝土配重块(5)，试验子结构框架(4)顶部横梁的侧面设置有水平加载分配梁(3)，水平加载分配梁(3)与水平动作器(2)的一端铰接，水平动作器(2)通过试验计算机控制，试验计算机用于控制水平动作器(2)动作，并采集水平动作器(2)的惯性力和阻尼力。
8.根据权利要求7所述的一种多层框架子结构远程协同试验系统，其特征在于，最底层试验子结构框架(4)通过地脚螺栓(7)固定在地梁(6)上，水平动作器(2)的另一端固定在混凝土反力墙(1)上。
9.根据权利要求7所述的一种多层框架子结构远程协同试验系统，其特征在于，试验计算机连接OpenFresco平台以及内置有OpenSEES软件的计算机，OpenSEES软件用于建立数值子结构模型，OpenFresco平台用于多个数值子结构模型间的数据通讯。
10.根据权利要求9所述的一种多层框架子结构远程协同试验系统，其特征在于，子结构试验通讯平台与各水平动作器(2)通信采用MTS CSI接口软件。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN113324718A (zh) * 2021-05-14 2021-08-31 东南大学 一种大型可视化实时混合试验系统及其试验方法

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