實(shí)時(shí)混合試驗(yàn)文獻(xiàn)綜述

1、I切濟(jì)人字唄七字便論乂譏辰混行風(fēng)里系沉溝迂研九第1章緒論引言地震，作為一種在全世界范圍內(nèi)頻繁發(fā)生的自然現(xiàn)象，在人類歷史上造成過 多次嚴(yán)重的損害強(qiáng)烈地震可以瞬間對(duì)土木結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)設(shè)施造成嚴(yán)重的震害， 如房屋建筑倒塌、堤壩潰決、橋梁垮塌、道路中斷、城市管道、輸電線路等生命 線工程損毀。此外，大地震還時(shí)常伴有多種次生災(zāi)害，如日本3n地震后引發(fā)的 海嘯，關(guān)東大地震后造成城市大面積火災(zāi)，汶川地震后多發(fā)的山體滑坡、泥石流 及堰塞湖等。地震及其次生災(zāi)害會(huì)對(duì)人類社會(huì)造成極大的財(cái)產(chǎn)損失和人員傷亡， 甚至嚴(yán)重影響社會(huì)發(fā)展。中國(guó)是世界上地震較多的國(guó)家之一，歷史上曾經(jīng)發(fā)生過多次損失慘重的地震 災(zāi)害。在我國(guó)社會(huì)主義現(xiàn)代化

2、建設(shè)的偉大歷史進(jìn)程中，城市化是社會(huì)進(jìn)步的主要 標(biāo)志之一。而隨著城市規(guī)模的迅速擴(kuò)大導(dǎo)致人口與財(cái)富的高度集中，也導(dǎo)致城市 安全問題與災(zāi)害危害性的日趨加重。由于我國(guó)是人口大國(guó)，城市人口密度高，各 類自然災(zāi)害，尤其是地震災(zāi)害，造成的人員傷亡和對(duì)城市威脅的風(fēng)險(xiǎn)程度往往要 高于其他國(guó)家。我國(guó)有22個(gè)省會(huì)城市和三分之二的百萬以上人口的大城市位于 地震高危險(xiǎn)區(qū)，這充分說明了在我國(guó)城市化進(jìn)程中加強(qiáng)土木工程防震抗震研究的 極端重要性和緊迫性。目前，由于地震災(zāi)害具有巨大的不確定性且后果嚴(yán)重，加之地震準(zhǔn)確預(yù)報(bào)仍 然是全球性的難題，因此世界各國(guó)面對(duì)地震的應(yīng)對(duì)策略主要著眼于提高工程結(jié)構(gòu) 抵御地震的能力。由于現(xiàn)階段人們對(duì)于

3、工程結(jié)構(gòu)和材料的認(rèn)識(shí)還不夠深入，尤 其對(duì)于結(jié)構(gòu)破壞過程中出現(xiàn)的非線性現(xiàn)象認(rèn)識(shí)有限，如結(jié)構(gòu)在強(qiáng)震下能量耗散機(jī) 制和破壞機(jī)理尚無理論能夠很好描述，因此無法精確地預(yù)測(cè)材料、構(gòu)件及結(jié)構(gòu)在 地震中復(fù)雜受力狀態(tài)下的動(dòng)力響應(yīng)，對(duì)于整體結(jié)構(gòu)的抗震性能難以單純依據(jù)理論 分析給出準(zhǔn)確的結(jié)果。所以，在現(xiàn)階段結(jié)構(gòu)抗震試驗(yàn)仍是抗震減災(zāi)研究中一項(xiàng)重 要的研究手段，是觀察結(jié)構(gòu)地震下表現(xiàn)，獲取抗震知識(shí)、構(gòu)建抗震理論的重要途 徑也結(jié)構(gòu)抗震試驗(yàn)經(jīng)過若干年發(fā)展，目前獲得廣泛認(rèn)可和普遍應(yīng)用的傳統(tǒng)抗震試 驗(yàn)方法主要有三種，即擬靜力試驗(yàn)、振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)和擬動(dòng)力試驗(yàn)。得益于近20年 來在計(jì)算機(jī)、電子、液壓伺服技術(shù)和現(xiàn)代控制理論等方面的進(jìn)步，現(xiàn)

4、在基于擬動(dòng) 力試驗(yàn)的理論基礎(chǔ)上乂發(fā)展出一種新興的抗震試驗(yàn)方法，即混合試驗(yàn)(HybHd Testing)方法?；旌显囼?yàn)可以實(shí)現(xiàn)快速找至實(shí)時(shí)加載,對(duì)于加載速率敏感的構(gòu)件， 如阻尼器、支座等，能更好的模擬其地震作用下的響應(yīng)?；旌显囼?yàn)試驗(yàn)構(gòu)件縮尺比大，甚至可以制作局部足尺模型，能較好的解決尺寸效應(yīng)、相似比不滿足等問 題，且模型制作成本及設(shè)備使用成本較低。因此，融合了擬動(dòng)力試驗(yàn)、振動(dòng)臺(tái)試 驗(yàn)和子結(jié)構(gòu)試驗(yàn)技術(shù)的混合試驗(yàn)方法彌補(bǔ)了傳統(tǒng)抗震試驗(yàn)方法的缺陷，作為一種 新興的抗震試驗(yàn)方法，具有較好的研究?jī)r(jià)值和應(yīng)用前景?？拐鹪囼?yàn)技術(shù)研究發(fā)展現(xiàn)狀擬靜力試驗(yàn)擬靜力試驗(yàn)乂稱低周往復(fù)加載試驗(yàn)，是目前研究結(jié)構(gòu)或構(gòu)件受力及變形

5、能力 時(shí)所采用最廣泛的方法。擬靜力試驗(yàn)是指假定結(jié)構(gòu)位移按照某種特定模式（如位 移按照第一振型），利用反力墻（反力架）和作動(dòng)器，對(duì)結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件施加多 次循環(huán)往復(fù)荷載或位移作用，模擬結(jié)構(gòu)在地震作用下往復(fù)運(yùn)動(dòng)的變形或破壞特點(diǎn)。 擬靜力試驗(yàn)?zāi)塬@取結(jié)構(gòu)在地震作用下的恢復(fù)力特性，確定滯回特性用于衡量結(jié)構(gòu) 或者構(gòu)件的耗能能力以及確定骨架曲線、初始剛度、退化剛度等退化參數(shù)，最后 可以研究結(jié)構(gòu)的破壞模式、破壞機(jī)理，為改進(jìn)設(shè)計(jì)提供依據(jù)口啊。擬靜力試驗(yàn)主 要有以下三個(gè)優(yōu)點(diǎn)：（1）應(yīng)用廣泛，幾乎所有結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件都可以通過擬靜力 試驗(yàn)獲取諸多參數(shù)；（2）歷史悠久，應(yīng)用于擬靜力試驗(yàn)的理論豐富而扎實(shí)；（3） 試驗(yàn)手段簡(jiǎn)

6、單穩(wěn)定，對(duì)設(shè)備要求低，可靠度好，不同試驗(yàn)的數(shù)據(jù)也有較好的可參 考性。因此，擬靜力試驗(yàn)是目前抗震試驗(yàn)研究中應(yīng)用最廣泛的試驗(yàn)方法習(xí)?？紤] 到實(shí)際結(jié)構(gòu)多為多自由度體系，而地震作用也有多方向性，學(xué)者們對(duì)擬靜力試驗(yàn) 的加載規(guī)則也進(jìn)行了拓展研究習(xí)。由于擬靜力試驗(yàn)方法本身的特性，決定了它也存在一些缺陷和局限性：（1） 加載速率低，因此主要用于獲得構(gòu)件的剛度、承載力及滯回特性等信息；（2）加 載制度是事先確定的，在不同的加載制度下進(jìn)行試驗(yàn)結(jié)果也可能不一樣；（3）多 以構(gòu)件為試驗(yàn)對(duì)象，無法考慮整體結(jié)構(gòu)在地震下的性能；（4）對(duì)于試驗(yàn)中試件何 時(shí)開裂、何時(shí)達(dá)到屈服仍無很好的鑒定標(biāo)準(zhǔn)。1.2. 2地震模擬振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)地

7、震模擬振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)是目前抗震試驗(yàn)手段中最直接的方法。其原理是將結(jié)構(gòu) 模型放置在剛性臺(tái)面上，利用電液伺服作動(dòng)器驅(qū)動(dòng)臺(tái)面重現(xiàn)地震波。振動(dòng)臺(tái)可以 實(shí)時(shí)再現(xiàn)地震作用，模擬地震的全過程，是目前在試驗(yàn)室中研究結(jié)構(gòu)模型地震反 應(yīng)和破壞機(jī)理最直接也是最準(zhǔn)確的方法。振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)被廣泛應(yīng)用于研究結(jié)構(gòu)動(dòng)力 特性和抗震性能，檢驗(yàn)大型設(shè)備抗震性能，以及對(duì)于高層、超高層以及超限結(jié)構(gòu) 進(jìn)行縮尺模型的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，以驗(yàn)證其抗震性能和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理性等。自1960 年起，美、中、日等國(guó)先后建造了近百座各種類型的振動(dòng)臺(tái)。17局振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)作為一種直觀而真實(shí)的研究手段，被廣泛運(yùn)用于學(xué)術(shù)研究領(lǐng)域, 對(duì)許多新結(jié)構(gòu)、新構(gòu)件、新設(shè)計(jì)方法的發(fā)展做出了

8、重要貢獻(xiàn)。比如近年來的研究 熱點(diǎn)一搖擺結(jié)構(gòu)，作為一種典型非線性結(jié)構(gòu)，振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)在其研究過程中發(fā)揮了 重要作用。Midorikawa刃在2006年發(fā)表了帶有搖擺柱的鋼框架結(jié)構(gòu)的振動(dòng)臺(tái)試 驗(yàn)研究成果，試驗(yàn)表明相比于底端固接的框架，搖擺柱框架在柱端隆起的情況下 可以有效降低地震作用。Mariiott在2008年發(fā)表的論文中，通過振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)驗(yàn) 證了基于性能設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)的預(yù)制搖擺墻的抗震性能，并驗(yàn)證了針對(duì)搖擺墻的數(shù) 值分析方法。除了學(xué)術(shù)研究外，振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)在諸多重大工程中也發(fā)揮了重要作用, 國(guó)內(nèi)外均有大量重要工程項(xiàng)目進(jìn)行過振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)的驗(yàn)證，包括上海環(huán)球金融中心 3、上海中心02】。振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)被廣泛認(rèn)為是一

9、種良好的抗震試驗(yàn)研究手段，同時(shí)也存在一些不 足：（1）試驗(yàn)成本高。振動(dòng)臺(tái)系統(tǒng)本身屬于復(fù)雜系統(tǒng)工程，需要土木、機(jī)電、 機(jī)械、自動(dòng)控制等多個(gè)專業(yè)的協(xié)作，振動(dòng)臺(tái)本身是高精度的大型設(shè)備，而且多為 試驗(yàn)需求量身定制，制造成本與標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)備相比較高，同時(shí)設(shè)備安裝需要高精度 的土建施工技術(shù)，因此試驗(yàn)室本身的建設(shè)費(fèi)用高昂。此外，模型設(shè)計(jì)制作消耗較 高的人力物力，并且模型設(shè)計(jì)制作周期長(zhǎng)，導(dǎo)致試驗(yàn)整體周期被拉長(zhǎng)。試驗(yàn)時(shí)驅(qū) 動(dòng)臺(tái)面及模型需要消耗大量能量，維持液壓系統(tǒng)運(yùn)作消耗大量電力，試驗(yàn)時(shí)成本 相對(duì)其他試驗(yàn)方式要高得多。以上這些原因最終導(dǎo)致了振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)成本一宜居高 不下。（2）模型與原型結(jié)構(gòu)之間力學(xué)行為相似度仍不夠理

10、想。由于振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)受 限于臺(tái)面承載能力，大多進(jìn)行縮尺模型試驗(yàn)，存在材料尺寸效應(yīng)、結(jié)構(gòu)相似比不 滿足的問題。首先，試驗(yàn)?zāi)Ｐ徒Y(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸較小時(shí)，受尺寸效應(yīng)影響，材料力學(xué) 性能差異較大，制作、裝配誤差也會(huì)因?yàn)榭s尺而帶來更顯著影響。其次，縮尺模 型設(shè)計(jì)時(shí)，長(zhǎng)度、時(shí)間、內(nèi)力等不同參數(shù)相似比不同，然而重力加速度、材料彈 模強(qiáng)度等個(gè)別參數(shù)難以人為調(diào)整，導(dǎo)致試驗(yàn)中只能保證研究者所重點(diǎn)關(guān)心參數(shù)的 相似比，忽略次要參數(shù)相似比。另外，用于振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)的縮尺模型構(gòu)件尺寸較小， 往往不能采用與真實(shí)結(jié)構(gòu)相同的土木工程材料制作，比如鋼筋常以鋼絲代替，型 鋼以薄鋼板、銅板焊接制成，混凝土也存在明顯差異，因此對(duì)于原型結(jié)構(gòu)在地震

11、作用下的響應(yīng)的模擬仍不夠準(zhǔn)確。近年來，隨著減隔震技術(shù)的運(yùn)用，大量非線性 耗能構(gòu)件被運(yùn)用于結(jié)構(gòu)中，如粘滯阻尼器等，此類構(gòu)件力學(xué)行為表現(xiàn)為強(qiáng)非線性, 并且可能擁有復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，縮小模型后力學(xué)性能會(huì)產(chǎn)生顯著變化，也不適宜 進(jìn)行小比例的縮尺模型試驗(yàn)。為了更真實(shí)的模擬地震，振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)正朝著大型化、臺(tái)陣化方向發(fā)展。日本 于2005年建成了目前最大的三向振動(dòng)臺(tái)E-Defense12,尺寸15mx20m,最大負(fù) 荷能力1200t；美國(guó)NEES計(jì)劃在UCSD建造了負(fù)荷能力2000MN,尺寸 7.6111X12.2111的單向振動(dòng)臺(tái)口引。為了滿足橋梁、隧道、生命線工程以及大跨結(jié)構(gòu) 的試驗(yàn)需求，國(guó)內(nèi)外也建設(shè)了一系

12、列多點(diǎn)振動(dòng)臺(tái)臺(tái)陣，如NEES計(jì)劃支持下內(nèi)華 達(dá)州立雷諾大學(xué)，紐約州立布法羅大學(xué)等；國(guó)內(nèi)有同濟(jì)大學(xué)新建的多功能振動(dòng)臺(tái) 組系統(tǒng)，以及福州大學(xué)、中南大學(xué)和招商局重慶交通科研研究院等單位的多臺(tái)陣 系統(tǒng)。這些新建振動(dòng)臺(tái)系統(tǒng)己經(jīng)在科研和重大工程領(lǐng)域開始發(fā)揮巨大作用。同 濟(jì)大學(xué)的多功能振動(dòng)臺(tái)組系統(tǒng)進(jìn)行了泰州長(zhǎng)江大橋港珠澳工程沉管隧道口習(xí) 南昌朝陽橋（多塔斜拉橋）阿等諸多項(xiàng)目的非一致激勵(lì)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，對(duì)橋梁、隧 道等線狀結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)進(jìn)行了研究。美國(guó)太平洋地震工程研究中心、聯(lián)邦高速 公路管理局等于2010年利用UCSD超大型振動(dòng)臺(tái)、E-Defence振動(dòng)臺(tái)進(jìn)行了直 徑L2m的足尺橋墩、在頂端負(fù)載250噸情況下的

13、振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，檢驗(yàn)了橋墩的抗 震性能回網(wǎng)。. 3擬動(dòng)力試驗(yàn)日本學(xué)者Hakuno等于1969年最先提出了同時(shí)利用靜力加載設(shè)備與計(jì)算 機(jī)模擬進(jìn)行結(jié)構(gòu)試驗(yàn)的方法，即擬動(dòng)力試驗(yàn)方法。擬動(dòng)力試驗(yàn)中首先在計(jì)算機(jī)里 建立模型的數(shù)值結(jié)構(gòu)，每一步加載后通過實(shí)際加載獲取的反饋確定模型當(dāng)前力 位移關(guān)系，再計(jì)算地震作用下結(jié)構(gòu)下一步的變形，輸出作為加載命令。擬動(dòng)力試 驗(yàn)不需要對(duì)試驗(yàn)結(jié)構(gòu)的恢復(fù)力模型做任何假定，力一位移關(guān)系可以通過試驗(yàn)直接 得到，避免了數(shù)值分析中假定恢復(fù)力模型帶來的誤差，并且可以使用較大尺寸的 模型，試驗(yàn)中能夠有效觀察結(jié)構(gòu)破壞的現(xiàn)象，研究破壞機(jī)理。該方法一定程度上 解決了擬靜力人為確定試驗(yàn)加載制度與真實(shí)地震

14、響應(yīng)不符的問題，乂可以彌補(bǔ)傳 統(tǒng)小型振動(dòng)臺(tái)模型大幅度縮小帶來的不足，可以較好地考察結(jié)構(gòu)細(xì)部在地震作用 下的變化。早期擬動(dòng)力試驗(yàn)主要針對(duì)單自由度體系，對(duì)于多自由度體系需要進(jìn)行一些假 設(shè)，如對(duì)質(zhì)量進(jìn)行集中假設(shè)，KaminosonoM在一個(gè)七層鋼結(jié)構(gòu)建筑的擬動(dòng)力試 驗(yàn)中采用了集中質(zhì)量模型的假設(shè)，而這些簡(jiǎn)化對(duì)于一些復(fù)雜結(jié)構(gòu)顯然不太適用。 擬動(dòng)力試驗(yàn)由于對(duì)全結(jié)構(gòu)同時(shí)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算和試驗(yàn)加載，在構(gòu)件進(jìn)入非線性狀態(tài) 后，試驗(yàn)穩(wěn)定性非常依賴于算法，容易因?yàn)閿?shù)值計(jì)算發(fā)散導(dǎo)致試驗(yàn)失敗，這一現(xiàn) 象對(duì)于自由度較多的體系問題更為突出。同時(shí)，由于地震通常只會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的一 部分破壞，其余部分然基本完好甚至仍處于彈性狀態(tài)，而結(jié)

15、構(gòu)失效往往由進(jìn)入塑 性的局部結(jié)構(gòu)引起。除此之外，對(duì)復(fù)雜大型結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究時(shí)，如果進(jìn)行全結(jié)構(gòu)模 型的試驗(yàn)，小尺寸模型則真實(shí)度欠缺，大尺寸模型則需要大量資金、時(shí)間，而模 型的大部分在試驗(yàn)中沒有完全發(fā)揮作用，存在浪費(fèi)現(xiàn)象。針對(duì)上述問題，研究者 們發(fā)展出了子結(jié)構(gòu)擬動(dòng)力試驗(yàn)技術(shù)。將試驗(yàn)結(jié)構(gòu)中可能發(fā)生損傷、產(chǎn)生復(fù)雜非線 性的部分作為試驗(yàn)子結(jié)構(gòu)，連接設(shè)備進(jìn)行加載，其他試驗(yàn)過程中仍處于彈性的部 分作為數(shù)值子結(jié)構(gòu)，在計(jì)算機(jī)中模擬，并將這兩者統(tǒng)一在一個(gè)整體運(yùn)動(dòng)方程中。 Dermitazkis和Mahin”于1985年首次實(shí)現(xiàn)了子結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法，將一單跨多層框 架結(jié)構(gòu)中一側(cè)底部?jī)蓪又幼鳛樵囼?yàn)子結(jié)構(gòu)進(jìn)行了兩自由度加載，

16、乂以底層柱子 一半為試驗(yàn)子結(jié)構(gòu)在反彎點(diǎn)處進(jìn)行了加載，證明了子結(jié)構(gòu)試驗(yàn)想法的可行性。由于較低的工作速度下，試驗(yàn)測(cè)得的力反饋主要來自結(jié)構(gòu)彈性剛度，速度、 加速度相關(guān)的阻尼力不能在試驗(yàn)中得到體現(xiàn)。因此學(xué)者們乂發(fā)展了擬動(dòng)力試驗(yàn)的 另一種加載形式，被稱為等效力試驗(yàn)。Mahin,如等人在研究擬動(dòng)力試 驗(yàn)過程中，通過對(duì)動(dòng)力微分方程的觀察最先提出了等效力試驗(yàn)方法，等效力為地 震加速度與試件質(zhì)量的乘積。該試驗(yàn)方法對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行抽象簡(jiǎn)化，將其轉(zhuǎn)換為 采用集中質(zhì)量模型的多自由度體系，試驗(yàn)執(zhí)行時(shí)模型底端通過地錨固定，在各自 由度的質(zhì)量中心位置，按照加速度方向施加等效力來獲得結(jié)構(gòu)在地震作用下的反 應(yīng)。這種試驗(yàn)方法由于不

17、需要移動(dòng)模型整體，因此可以試驗(yàn)大尺寸模型，同時(shí)由 于地震加速度是已知的，可以在試驗(yàn)開始之前就完成等效力的計(jì)算，加載過程只 需要按照記錄輸出即可，因此同振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)一樣可以完成實(shí)時(shí)試驗(yàn)。但是由于采 用力控制方式加載，在系統(tǒng)控制上存在較大難度，Dyke和Alleyne必3等效力時(shí) 程頻率與結(jié)構(gòu)自振頻率接近時(shí)，加載過程中出現(xiàn)震蕩現(xiàn)象，這種現(xiàn)象被稱為自然 速度反饋現(xiàn)象，此現(xiàn)象僅當(dāng)采用位移控制模式時(shí)會(huì)出現(xiàn)。DimigR等對(duì)如何抑制 自然速度反饋現(xiàn)象進(jìn)行了研究，他們采用預(yù)先計(jì)算結(jié)構(gòu)速度時(shí)程并采用速度時(shí)程 補(bǔ)償作動(dòng)器動(dòng)作的方法，成功抑制了自然速度反饋現(xiàn)象。Reinhoni等則選擇在 作動(dòng)器與結(jié)構(gòu)之間增加一額外

18、的彈簧，通過控制彈簧變形來施加力，將試驗(yàn)控制 模式從力控制切換為位移控制，成功在位移控制模式下完成了等效力試驗(yàn)，由于 切換了控制模式也就避免了自然速度反饋問題。吳斌、許國(guó)山、陳再現(xiàn)固川等 人對(duì)子結(jié)構(gòu)等效力試驗(yàn)控制方法進(jìn)行了深入研究，開發(fā)了一種全新的等效力試驗(yàn) 方法。將結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的動(dòng)力微分方程轉(zhuǎn)化為控制系統(tǒng)中的傳遞函數(shù)，通過構(gòu)建等效 力控制器的方法代替數(shù)值積分進(jìn)行試驗(yàn)，該方法非常適合于實(shí)時(shí)加載。1.2.4混合試驗(yàn)混合試驗(yàn)方法是近年來發(fā)展起來的一種新興抗震試驗(yàn)方法，最初由子結(jié)構(gòu)擬 動(dòng)力試驗(yàn)方法發(fā)展而來，其基本理念相同。混合試驗(yàn)與子結(jié)構(gòu)擬動(dòng)力試驗(yàn)均時(shí)將 整體結(jié)構(gòu)劃分為試驗(yàn)子結(jié)構(gòu)和數(shù)值子結(jié)構(gòu)兩部分，取結(jié)

19、構(gòu)中非線性顯著的部分作 為試驗(yàn)子結(jié)構(gòu)，在試驗(yàn)室通過振動(dòng)臺(tái)、作動(dòng)器等設(shè)備進(jìn)行物理加載，而將其余線 彈性部分作為數(shù)值子結(jié)構(gòu)在計(jì)算機(jī)中同步計(jì)算。每一加載步的命令都由數(shù)值子結(jié) 構(gòu)的計(jì)算結(jié)果給出，每一加載步數(shù)值子結(jié)構(gòu)的計(jì)算依據(jù)都由試驗(yàn)子結(jié)構(gòu)的反饋獲 得，如此循環(huán)直到完成全部加載過程。傳統(tǒng)的擬動(dòng)力試驗(yàn)系統(tǒng)多為專用系統(tǒng)，為特定的試驗(yàn)設(shè)備及數(shù)值分析軟件開 發(fā)對(duì)應(yīng)的接口以及控制程序，不同系統(tǒng)彼此之間兼容性較差，不同試驗(yàn)設(shè)備不同 數(shù)值模擬軟件之間難以協(xié)同工作，研究成果的普適性和共享性也受到較大影響。 為了克服這一問題，混合試驗(yàn)的試驗(yàn)子結(jié)構(gòu)和數(shù)值子結(jié)構(gòu)之間不再直接連接，而 是在系統(tǒng)架構(gòu)上加入了一層“交互系統(tǒng)”，通過

20、數(shù)據(jù)交互系統(tǒng)在各個(gè)模塊間完成 通信。數(shù)值子系統(tǒng)將計(jì)算結(jié)果（力、位移、加速度等）作為命令通過交互系統(tǒng)調(diào) 理后傳遞給物理子系統(tǒng)進(jìn)行加載，物理子系統(tǒng)將測(cè)量得到反饋通過交互系統(tǒng)再傳 遞給數(shù)值子系統(tǒng)作為下一步的計(jì)算依據(jù)。試驗(yàn)加載子系統(tǒng)、數(shù)值計(jì)算子系統(tǒng)、數(shù) 據(jù)交互系統(tǒng)三部分協(xié)同工作，構(gòu)成了混合試驗(yàn)系統(tǒng)?；旌显囼?yàn)相比傳統(tǒng)的擬動(dòng)力 試驗(yàn)，由于增加了交互系統(tǒng)作為中間層，具有更大的可拓展性：1、借助交互系統(tǒng)的接口可以連接各類有限元軟件，從而提高了數(shù)值子系統(tǒng) 的運(yùn)算能力，可以利用現(xiàn)有的數(shù)值模擬研究成果提高數(shù)值子結(jié)構(gòu)的模擬精度和運(yùn) 算速度阿333久2、基于交互系統(tǒng)的開放性和共享性，可以利用互聯(lián)網(wǎng)打破試驗(yàn)室設(shè)備能力 以

21、及地理位置限制，聯(lián)合多個(gè)試驗(yàn)室同步進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)試驗(yàn)擴(kuò)大試驗(yàn)規(guī)模口習(xí)口習(xí)囪。3、在交互系統(tǒng)中嵌入多樣化的控制模塊，利用現(xiàn)代控制理論的進(jìn)步，幫助 突破加載設(shè)備控制能力的限制，可以提高試驗(yàn)速度甚至做到實(shí)時(shí)加載，或增加加 載設(shè)備數(shù)量，解決多自由度加載時(shí)多作動(dòng)器耦合問題，乂或通過力、位移混合控 制技術(shù)進(jìn)行大剛度試件的加載網(wǎng)口工根據(jù)加載裝置的不同，混合試驗(yàn)可以分為作動(dòng)器型、振動(dòng)臺(tái)型以及作動(dòng)器 振動(dòng)臺(tái)耦合型。作動(dòng)器型混合試驗(yàn)的研究工作開展的較早，成果也較多田卜口刀。 Horiuclii等人網(wǎng)對(duì)一個(gè)多層建筑物進(jìn)行試驗(yàn)，以底層作為試驗(yàn)子結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)際試 驗(yàn),其余作為數(shù)值子結(jié)構(gòu)。隨著試驗(yàn)設(shè)備的發(fā)展，學(xué)者們相繼實(shí)現(xiàn)了振動(dòng)

22、臺(tái)型卬網(wǎng) 和耦合型混合試驗(yàn),Igarashi等人網(wǎng)研究中試驗(yàn)子結(jié)構(gòu)為建筑物頂部阻尼器，建筑 物整體結(jié)構(gòu)為數(shù)值子結(jié)構(gòu)。每個(gè)加載步中首先求解加速度，并以加速度為命令控 制振動(dòng)臺(tái)，將阻尼器恢復(fù)力反饋給數(shù)值子結(jié)構(gòu)進(jìn)行求解。王向英和田石柱網(wǎng)15?！?將位移控制的混合型試驗(yàn)方法應(yīng)用于一個(gè)三層層框架結(jié)構(gòu)的實(shí)時(shí)混合試驗(yàn)中。王 進(jìn)廷卬】等人進(jìn)行了結(jié)構(gòu)一地基動(dòng)力相互作用試驗(yàn)，并在試驗(yàn)中研究比較了不同了 數(shù)值積分算法與時(shí)滯補(bǔ)償算法的效果。由于設(shè)備條件和技術(shù)水平的限制，作動(dòng)器 一振動(dòng)臺(tái)耦合型混合試驗(yàn)?zāi)壳伴_展的研究還很少。Reinhorn等人回取建筑物中部 作為試驗(yàn)子結(jié)構(gòu)，上下作為數(shù)值子結(jié)構(gòu)，上部地震作用使用作動(dòng)器加載

23、，下部使 用振動(dòng)臺(tái)加載，由于振動(dòng)臺(tái)對(duì)試驗(yàn)子結(jié)構(gòu)中施加了慣性力，而上部結(jié)構(gòu)交界面不 可能同時(shí)處在力控制與位移控制狀態(tài)，所以作動(dòng)器以力控制加載。混合試驗(yàn)中數(shù)值計(jì)算方法、交互與控制系統(tǒng)開發(fā)是目前混合試驗(yàn)的研究熱點(diǎn), 有眾多研究成果：（一）數(shù)值計(jì)算算法研究基于子結(jié)構(gòu)擬動(dòng)力試驗(yàn)相關(guān)成果的混合試驗(yàn)理論研究已經(jīng)開展了多年，其中 大多集中在數(shù)值積分算法方面。根據(jù)Mhain22】的定義，算法一般分為顯示和隱式 兩類。顯式算法一般為條件穩(wěn)定的算法，由于求解參數(shù)均為之前加載步已獲得數(shù) 據(jù)，不需要迭代求解，求解速度快，是用于混合試驗(yàn)的首選算法。但是顯式算法 的穩(wěn)定條件與積分步長(zhǎng)有關(guān)，單位步長(zhǎng)不能太大,這將導(dǎo)致試驗(yàn)時(shí)積

24、分步數(shù)較多， 會(huì)顯著拉長(zhǎng)試驗(yàn)時(shí)間并積累一定誤差。隱式積分?jǐn)?shù)值穩(wěn)定性好，算法阻尼小，但 是迭代求解時(shí)間消耗大而且可能影響加載路徑敏感的構(gòu)件。因此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者大 多采用對(duì)原有擬動(dòng)力試驗(yàn)的數(shù)值算法進(jìn)行改進(jìn)，如Chang改進(jìn)的Newmark法（顯 式），Chang于20022010*56開發(fā)的算法相比傳統(tǒng)的Newmark法實(shí)現(xiàn)了二階 精度、無條件穩(wěn)定、無數(shù)值阻尼、無周期延長(zhǎng)等特性，并且具有更好的誤差傳遞 特性。Chen和RiclesM發(fā)展了 CR算法，同Chang算法一樣是顯式無條件穩(wěn)定 的，并使用這種算法進(jìn)行實(shí)時(shí)混合試驗(yàn)的嘗試1知，結(jié)果顯示CR算法工作穩(wěn)定精 度良好。Bwsi網(wǎng)160開發(fā)系列L穩(wěn)定的

25、隱式積分算法，Combescure和Pegon研究 了一種顯式隱式結(jié)合算法aOS算法回62,采用算子分離將隱式的數(shù)值算法分裂 成顯式預(yù)測(cè)和隱式修正兩個(gè)部分，這種算法在取得了高精度穩(wěn)定性的同時(shí)減少了 計(jì)算量，在混合試驗(yàn)中具有較大的運(yùn)用優(yōu)勢(shì)。（二）交互與控制系統(tǒng)開發(fā)研究交互系統(tǒng)除了連接兩部分子結(jié)構(gòu)，同時(shí)還承擔(dān)著拓展功能，如嵌入不同專用 控制模塊進(jìn)行作動(dòng)器耦合控制、時(shí)滯補(bǔ)償控制，聯(lián)接互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)試驗(yàn)等。Blakeborougli等人網(wǎng)首次完成了多自由度控制加載。對(duì)一個(gè)單層剛架的一根 柱在梁柱節(jié)點(diǎn)，通過兩個(gè)作動(dòng)器同時(shí)施加線位移和角位移。試驗(yàn)結(jié)果表明，即使 每個(gè)作動(dòng)器都單獨(dú)進(jìn)行補(bǔ)償，作動(dòng)器之間的耦合作

26、用還是可能引起系統(tǒng)失穩(wěn)。 Bonnet等人照】使用自應(yīng)控制合成算法，對(duì)四自由度和三自由的質(zhì)量.剛度阻尼 系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)，每次均控制加載兩個(gè)自由度，結(jié)果表明作動(dòng)器之間的耦合作用將 導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)不應(yīng)有的高頻振動(dòng)現(xiàn)象，系統(tǒng)可能出現(xiàn)失穩(wěn)。說明作動(dòng)器的耦合單 獨(dú)通過作動(dòng)器系統(tǒng)自身無法很好補(bǔ)償，必須在交互系統(tǒng)中嵌入多自由度系統(tǒng)整體 的耦合補(bǔ)償。明尼蘇達(dá)大學(xué)的使用的MAST系統(tǒng)內(nèi)包含八只作動(dòng)器，為此專門 開發(fā)了補(bǔ)償軟件，實(shí)現(xiàn)了良好的補(bǔ)償16習(xí)。在理想的混合試驗(yàn)中，數(shù)值子結(jié)構(gòu)計(jì)算得到的控制信號(hào)通過加載裝置(作動(dòng) 器或振動(dòng)臺(tái))精確地施加給試驗(yàn)子結(jié)構(gòu)。然而在實(shí)際試驗(yàn)中，數(shù)值子結(jié)構(gòu)求解需 要時(shí)間，加載卻時(shí)刻在進(jìn)行，這

27、會(huì)帶來計(jì)算與加載的不同步，加載設(shè)備精度有限， 同時(shí)加載過程、信號(hào)傳輸需要一定時(shí)間，試驗(yàn)中不可避免的會(huì)有時(shí)滯出現(xiàn)。當(dāng)需 要進(jìn)行高速甚至實(shí)時(shí)加載時(shí)，混合試驗(yàn)方法對(duì)于計(jì)算機(jī)計(jì)算與通信實(shí)時(shí)性的要求 極高，數(shù)值分析的時(shí)間軸要求與試驗(yàn)加載時(shí)間軸完全同步，而Windows Linux 等常見操作系統(tǒng)對(duì)硬件資源的調(diào)度會(huì)帶來不可預(yù)知且無法避免的時(shí)間誤差，在速 度要求不高，計(jì)算機(jī)性能較好時(shí)可以實(shí)現(xiàn)較高速的加載，但對(duì)于實(shí)時(shí)試驗(yàn)時(shí)則可 能因?yàn)闀r(shí)滯過大導(dǎo)致計(jì)算發(fā)散試驗(yàn)失敗。因此，目前大量研究者采用實(shí)時(shí)操作系 統(tǒng)的計(jì)算機(jī)作為數(shù)值子結(jié)構(gòu)計(jì)算設(shè)備以及控制交互設(shè)備以消除時(shí)滯，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)試 驗(yàn)。Horiuclii等人網(wǎng)指出遲滯可以

28、看作是給試驗(yàn)系統(tǒng)增加了一定量的負(fù)阻尼，會(huì) 導(dǎo)致試驗(yàn)系統(tǒng)精度喪失甚至失穩(wěn)，他們提出用固定系數(shù)多項(xiàng)式外插的方法預(yù)測(cè), 隨后Horiuchi和Konno乂提出線性加速度預(yù)測(cè)法，Darby的等人提出了一種自 適應(yīng)估算遲滯的補(bǔ)償方法，Sivaselvan在2006年對(duì)已有算法進(jìn)行了總結(jié)比較, 中國(guó)的吳斌68等人在自己的試驗(yàn)中進(jìn)行了不同數(shù)值積分算法以及補(bǔ)償算法的 嘗試。Schellenberg 和 Mhain向卜口門，Mosalam 和 Giinay。?田引等人在 UC Berkeley 進(jìn) 行了一系列混合試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了用作動(dòng)器加載的對(duì)帶支撐框架首層的試驗(yàn)以及使用 振動(dòng)臺(tái)加載的只能振動(dòng)臺(tái)，實(shí)時(shí)混合試驗(yàn)時(shí)增加

29、了 Matlab Sinnilink模塊建立控 制程序運(yùn)行于高性能實(shí)時(shí)目標(biāo)計(jì)算機(jī)，SciamNet實(shí)時(shí)內(nèi)存共享卡與光纖組成的 網(wǎng)絡(luò)等組件，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)計(jì)算以及與MTS控制器實(shí)時(shí)交互，Eric Stauffer口等人在 科羅拉多大學(xué)博爾德分校利用C+編寫了交互系統(tǒng)，同樣利用Scramnet作為傳 輸通道構(gòu)建了可以適應(yīng)低速、高速和實(shí)時(shí)的平面三自由度混合試驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)一混 凝土框架底層一根柱進(jìn)行了實(shí)時(shí)混合試驗(yàn)。中島正愛冏等人構(gòu)建了數(shù)值計(jì)算采用 C語言編程，反應(yīng)分析和信號(hào)生成兩項(xiàng)工作分離的多自由度試驗(yàn)系統(tǒng)，并利用 該系統(tǒng)測(cè)試了一個(gè)基底隔震的5層框架結(jié)構(gòu)，試驗(yàn)結(jié)果證明該系統(tǒng)能模擬大位 移(0.2m)和大速率(

30、0.7m/s)的地震反應(yīng)。通過將數(shù)值子結(jié)構(gòu)中每個(gè)自由度的雙線性 本構(gòu)關(guān)系等分成若干份并進(jìn)行疊加計(jì)算，進(jìn)行了具有非線性數(shù)值子結(jié)構(gòu)的實(shí)時(shí)混 合試驗(yàn)。中國(guó)的王貞、吳斌74采用利用Simulink建立數(shù)值子結(jié)構(gòu)進(jìn)行了試驗(yàn), 并采用域間并行多步長(zhǎng)分離積分算法完成數(shù)值積分計(jì)算，取得了較好的效果。 Chen, RiclesP習(xí)西采用sinnilink建模，并引入ATS補(bǔ)償方法對(duì)試驗(yàn)進(jìn)行補(bǔ)償， 也取得了較好的結(jié)果。國(guó)外混合試驗(yàn)平臺(tái)發(fā)展現(xiàn)狀1.3,1美國(guó)美國(guó)國(guó)家自然科學(xué)基金于1999年啟動(dòng)的喬治E 布朗地震工程模擬網(wǎng)絡(luò)計(jì) 劃(NEES, Network of Earthquake Engineering Sys

31、tem),資助了十五個(gè)試驗(yàn)室, 通過互聯(lián)網(wǎng)連接彼此的設(shè)備數(shù)據(jù)庫(kù)，促進(jìn)試驗(yàn)室之間的協(xié)同工作，將地震工程研 究從分離的理論試驗(yàn)研究狀態(tài)提升至數(shù)據(jù)庫(kù)、計(jì)算分析理論、試驗(yàn)研究緊密結(jié)合 的狀態(tài)。在此計(jì)劃的支持下，完成了一批各具特色的加載設(shè)備，并利用這些設(shè)備 進(jìn)行了包括混合試驗(yàn)在內(nèi)的多樣化的先進(jìn)試驗(yàn)技術(shù)研究。(一)NEESBerkeley如圖1.1所示，UCBerkeley的實(shí)驗(yàn)室建造了移動(dòng)式反力墻系統(tǒng)，TY.Yang, Mahin78R等并利用此系統(tǒng)與作動(dòng)器、反力架搭建了快速混合試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行了若 干多層帶支撐框架結(jié)構(gòu)的混合試驗(yàn)研究口叫圖11帶支撐框架的混合試驗(yàn)同時(shí)Shellenberg利用pNEES試驗(yàn)

32、系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)時(shí)混合試驗(yàn)交互系統(tǒng) OpenFresco、預(yù)測(cè)矯正模型的開發(fā)及驗(yàn)證工作網(wǎng)。Mahin等人使用振動(dòng)臺(tái)作為加 載設(shè)備搭建了振動(dòng)臺(tái)型實(shí)時(shí)混合試驗(yàn)系統(tǒng)Smart Shaking Table,使用此系統(tǒng)進(jìn)行 了以上部隔震結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象的實(shí)時(shí)混合試驗(yàn)區(qū)】，見圖1.3。圖1. 3 Smart Shaking Table進(jìn)行上部隔震結(jié)構(gòu)的實(shí)時(shí)混合試驗(yàn)（二）NEESUIUC伊利諾伊大學(xué)厄巴拿香檳分校建成了 MUST-SIM試驗(yàn)系統(tǒng)，Kwon, Spencer即陽等人為多點(diǎn)在線分布式混合試驗(yàn)（MOST）開發(fā)了軟件平臺(tái) UI-SimCor,其架構(gòu)見圖1.4,可以連接ABAQUS、OpenSees Zeu

33、sNL等有限 元軟件，實(shí)驗(yàn)室研制了由六個(gè)作動(dòng)器協(xié)同工作的荷載及邊界條件加載箱（Loading and Boundaiy Condition Boxes）,如圖 L5 所示圖。Simulation CoordinatorMain RoutineStiffness EvaluationStatic EquilibriumForce6ddel/lu.0。Dynamic EquilibriumObject 1 of MDL RF classMDL1 ；Object n of MDL RF classSimulation MonitorSimulation Monitor I I巴二二二喟Simulat

34、ion ControlFgscah LBCBf/-scafe LBCB圖 1. 5 Loading and Boundaiy boxesBirely84等在MUST-SIM平臺(tái)上進(jìn)行了一系列針對(duì)剪力墻、核心筒結(jié)構(gòu)的 多軸加載試驗(yàn)，得到了多軸加載狀態(tài)下剪力墻結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能。Rides, Spencer85等使用該平臺(tái)進(jìn)行了土結(jié)構(gòu)相互作用的試驗(yàn)，兩組試驗(yàn)見圖1.6。圖1. 6以橋墩和剪力墻為研究對(duì)象的混合試驗(yàn)（三）NEES Leliigli里海大學(xué)建成了多自由度實(shí)時(shí)混合試驗(yàn)系統(tǒng)（RTMD）圖1.7里海大學(xué)多自由度實(shí)時(shí)混合試驗(yàn)系統(tǒng)該系統(tǒng)包含五根高性能動(dòng)力作動(dòng)器、五組液壓油泵、一組蓄能器以及高速通信網(wǎng)

35、 絡(luò)和高速信號(hào)采集設(shè)備。Dong,Ricle, SauselM使用里海大學(xué)的試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)帶阻 尼器的框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了實(shí)時(shí)混合試驗(yàn)的嘗試。圖1. 8帶阻尼器減震框架實(shí)時(shí)混合試驗(yàn)(四)NEESMinnesota明尼蘇達(dá)大學(xué)建成了使用8作動(dòng)器協(xié)同工作的六軸加載系統(tǒng)MAST (Multi-Axi al Sub assembl age Testing)的用于混合試驗(yàn)研究。水平設(shè)置兩組正 交的作動(dòng)器，行程400 mm最大出力3910 kN,豎向設(shè)置四根平行并立的作動(dòng) 器，行程510 mm,最大出力1470 kN,連接于一 7.5m長(zhǎng)寬的十字形加載架，最大可容納6.1 mx6.1 m x 8.7 m尺寸的模型進(jìn)行試驗(yàn)，見圖1.9。圖1. 9明尼蘇達(dá)大學(xué)MAST系統(tǒng)Srithanm網(wǎng)等利用MAST系統(tǒng)進(jìn)行了 1/2大小尺寸的T型剪力墻試驗(yàn)，見圖l.lOo ChaoW】等在明尼蘇達(dá)大學(xué)進(jìn)行了采用HPFRC不同組合梁柱及樓板節(jié)點(diǎn)區(qū) 的倒塌試驗(yàn)，見圖LU。圖1 10T型剪力墻試驗(yàn)圖1 11梁-柱-樓板節(jié)點(diǎn)區(qū)倒塌試驗(yàn)1.3.2歐洲ELSA (European Laboratory for stnictu