基于速度控制法的實(shí)時(shí)子結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)控制系統(tǒng)研究

基于速度控制法的實(shí)時(shí)子結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)控制系統(tǒng)研究

目前，橡膠隔震衰減結(jié)構(gòu)在土木工程中的應(yīng)用，利用速度相關(guān)的橡膠隔震支架，減少了結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，并對(duì)保護(hù)主體結(jié)構(gòu)的非地面振動(dòng)進(jìn)行了破壞。但是橡膠隔震支座的力學(xué)性能與隔震效果需要通過結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行研究,現(xiàn)階段的實(shí)驗(yàn)研究中主要是通過低周往復(fù)實(shí)驗(yàn),擬靜力實(shí)驗(yàn),振動(dòng)臺(tái)實(shí)驗(yàn),擬動(dòng)力實(shí)驗(yàn)和基于位移控制的實(shí)時(shí)子結(jié)構(gòu)擬動(dòng)力實(shí)驗(yàn)等方法來進(jìn)行的。低周往復(fù)實(shí)驗(yàn)和擬靜力實(shí)驗(yàn)可以考察實(shí)驗(yàn)構(gòu)件的強(qiáng)度,變形和阻尼性能,但是對(duì)于結(jié)構(gòu)在地震作用下的反應(yīng)卻很難模擬。地震模擬振動(dòng)臺(tái)實(shí)驗(yàn)研究理論上可以再現(xiàn)隔震減震結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng),可以對(duì)隔震減震效果進(jìn)行驗(yàn)證,但是由于振動(dòng)臺(tái)尺寸和激勵(lì)大小的限制,只能對(duì)隔震結(jié)構(gòu)進(jìn)行縮尺模型或者相似模型的振動(dòng)臺(tái)實(shí)驗(yàn),因此由于尺寸效應(yīng)的影響,振動(dòng)臺(tái)實(shí)驗(yàn)很難真實(shí)地反映出結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)。同時(shí)地震模擬振動(dòng)臺(tái)實(shí)驗(yàn)成本昂貴也是這種方法的缺陷。目前的擬動(dòng)力實(shí)時(shí)子結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)是基于位移控制,忽視了實(shí)驗(yàn)加載速率、經(jīng)歷對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響,雖然可以比較精確地驗(yàn)證擁有非速度相關(guān)型實(shí)驗(yàn)構(gòu)件的地震反應(yīng),但是對(duì)于擁有很強(qiáng)速度相關(guān)性的橡膠隔震支座,很明顯這種實(shí)時(shí)子結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是有缺陷的。同時(shí)在基于位移控制的實(shí)時(shí)地震波子結(jié)構(gòu)擬動(dòng)力實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中,使用內(nèi)插或者外插的方法來處理時(shí)滯問題,這樣使數(shù)值子結(jié)構(gòu)的計(jì)算控制程序復(fù)雜,控制計(jì)算和數(shù)植信號(hào)處理時(shí)間過長,如果不采用高速數(shù)字信號(hào)處理設(shè)備,實(shí)驗(yàn)過程將不連貫,由加載速率造成的實(shí)驗(yàn)誤差將進(jìn)一步放大,很難反映橡膠隔震支座的真實(shí)地震反應(yīng)。本研究中,開發(fā)出基于速度控制法的實(shí)時(shí)子結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),并且運(yùn)用此實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研究天然橡膠隔震支座(NR),高阻尼橡膠隔震支座(HDR)和超高阻尼橡膠隔震支座(HDR-S)在地震中對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的隔震效果。在基于速度控制法的實(shí)時(shí)子結(jié)構(gòu)擬動(dòng)力實(shí)驗(yàn)控制系統(tǒng)中,最新采用PC-DSP(DSP:高速數(shù)字信號(hào)處理器(DigitalSignalProcessor))硬件控制系統(tǒng),使速度控制的概念成為可能。同時(shí)在實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中采用Operatorsplitting(OS)數(shù)值積分法,使分析程序的穩(wěn)定性和收斂性,不再受到時(shí)間步長的限制。水平動(dòng)力加載的設(shè)備,采用美國MTS公司生產(chǎn)的1000kN動(dòng)力液壓伺服作動(dòng)器,及其配套的FlexTestGT控制系統(tǒng)。而豎向加載設(shè)備是新開發(fā)的針對(duì)橡膠隔震支座的自平衡豎向加載設(shè)備。本文將詳細(xì)地論述基于速度控制法的實(shí)時(shí)子結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。1實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)過程控制運(yùn)用速度控制法的實(shí)時(shí)子結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)檢驗(yàn)橋梁橡膠隔震支座的隔震效果的基本原理如圖1所示。其中加載設(shè)備,程序控制,信號(hào)轉(zhuǎn)換傳輸,及其高速數(shù)字信號(hào)處理器DSP的連接如圖2所示。在控制計(jì)算程序中,混凝土橋墩部分是實(shí)驗(yàn)中的數(shù)值子結(jié)構(gòu),依靠其數(shù)值模型在控制程序中形成動(dòng)力方程中的剛度矩陣和阻尼矩陣,而力學(xué)性能極其復(fù)雜的橡膠隔震支座是實(shí)驗(yàn)中的實(shí)驗(yàn)子結(jié)構(gòu),其每一時(shí)間步長的恢復(fù)力依靠MTS水平液壓伺服作動(dòng)器的信號(hào)通道連續(xù)獲得,并且通過A/D轉(zhuǎn)化器輸入數(shù)值子結(jié)構(gòu)的控制程序中,依靠高速數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)計(jì)算橡膠隔震支座的下一時(shí)間步長的目標(biāo)位移和速度,并且通過D/A傳感器輸入到MTS水平液壓伺服作動(dòng)器的FlexTestGT控制系統(tǒng),并對(duì)橡膠隔震支座進(jìn)行實(shí)驗(yàn)加載,如此往復(fù)。與基于位移控制的實(shí)時(shí)子結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)控制系統(tǒng)相比,有3個(gè)新內(nèi)容。分別是:1)在實(shí)驗(yàn)控制程序方面,采用適應(yīng)橡膠材料擁有速度相關(guān)性的速度控制法;2)為了實(shí)時(shí)模擬隔震橋梁的地震反應(yīng),采用了高速數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)直接和A/D,D/A信號(hào)轉(zhuǎn)換程序模塊連接,高速計(jì)算、處理和控制信號(hào),實(shí)現(xiàn)了基于速度控制法的實(shí)時(shí)子結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。3)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中采用Operatorsplitting(OS)數(shù)值積分法,使分析程序的穩(wěn)定性,不再受到時(shí)間步長的限制。1.1實(shí)驗(yàn)使用的伺服作動(dòng)器參數(shù)本實(shí)驗(yàn)在日本愛知工業(yè)大學(xué)抗震實(shí)驗(yàn)中心完成,其高速水平和豎向加載設(shè)備如圖3所示。水平加載設(shè)備是美國MTS公司提供的液壓伺服作動(dòng)器,此作動(dòng)器由MTS公司提供的FlexTestGT控制系統(tǒng)控制,利用FlexTestGT控制系統(tǒng)的外部信號(hào)輸入接口,控制程序中計(jì)算出的位移信號(hào)傳輸?shù)紽lexTestGT控制系統(tǒng)控制MTS作動(dòng)器。實(shí)驗(yàn)中使用的動(dòng)力液壓伺服作動(dòng)器在動(dòng)力加載時(shí)可以達(dá)到±1000kN,靜力加載時(shí)可以達(dá)到±1464kN,水平位移的范圍是±460mm,該實(shí)驗(yàn)室擁有1200L油源,同時(shí)動(dòng)力加載設(shè)備上接著3根進(jìn)油管和3根出油管,保證了在高頻下對(duì)隔震支座進(jìn)行動(dòng)力加載。同時(shí)該豎向加載系統(tǒng)保證了橡膠隔震支座處于水平運(yùn)動(dòng),使實(shí)驗(yàn)狀態(tài)比較符合橋梁橡膠隔震支座的真實(shí)受力狀態(tài)。1.2穩(wěn)定性驗(yàn)證和誤差消除的能力在本研究中,采用了如圖4所示的速度控制方法,當(dāng)控制程序運(yùn)行完第i步時(shí),在此刻的試件運(yùn)行速度v(i)通過數(shù)值積分計(jì)算出,同時(shí)計(jì)算出第i+1步的預(yù)測(cè)位移目標(biāo)值。在第i步到第i+1步的Δt時(shí)間步長間,實(shí)驗(yàn)試件在動(dòng)力液壓伺服作動(dòng)器加載下以速度v(i)勻速運(yùn)行。當(dāng)Δt時(shí)間步長結(jié)束或者已達(dá)到預(yù)測(cè)位移目標(biāo)值,測(cè)量此刻實(shí)驗(yàn)試件的實(shí)際恢復(fù)力和實(shí)際位移,并以此為基礎(chǔ)計(jì)算速度v(i+1)和第i+2步的目標(biāo)位移。在測(cè)量和計(jì)算過程中實(shí)驗(yàn)試件繼續(xù)保持以速度v(i)勻速運(yùn)動(dòng),并且將此時(shí)的位移控制在誤差允許范圍內(nèi),一旦速度v(i+1)計(jì)算出,動(dòng)力加載設(shè)備將運(yùn)行速度改為v(i+1)。速度控制方法的優(yōu)點(diǎn)可以避免編寫以往用位移控制的實(shí)時(shí)擬動(dòng)力實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中使用的極其復(fù)雜的數(shù)值計(jì)算及控制程序。在本次實(shí)驗(yàn)中采用OS數(shù)值求解方法,在此方法中只要程序中實(shí)驗(yàn)試件的初始剛度比實(shí)際剛度略大,在一定范圍內(nèi)無論采用的時(shí)間步長是多少,計(jì)算控制程序都是無條件穩(wěn)定。同時(shí)由于實(shí)驗(yàn)中不斷的修正預(yù)測(cè)位移目標(biāo)值,在初試條件中的誤差會(huì)隨著實(shí)驗(yàn)進(jìn)行而很快地消除。這樣在編寫控制程序是可以避免受到時(shí)間步長的限制,因此這種數(shù)值求解方法是最適合基于速度控制法的實(shí)時(shí)子結(jié)構(gòu)擬動(dòng)力實(shí)驗(yàn)使用。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)控制程序的流程如下:步驟1:在控制程序中定義時(shí)間步長Δt,結(jié)構(gòu)的質(zhì)量矩陣M,阻尼矩陣C和剛度矩陣K(實(shí)驗(yàn)試件的初始剛度采用橡膠隔震支座30%應(yīng)變時(shí)的等效剛度ˉΚspecimen)Kˉˉˉspecimen),地震波加速度函數(shù)??Ζ(iΔt)Z??(iΔt)步驟2:計(jì)算A=M+(ΔtC)/2+(Δt2K)/4步驟3:當(dāng)i=0時(shí),定義結(jié)構(gòu)的初始位移向量d(0)=0,速度向量ˉv(0)=0vˉ(0)=0和加速度向量a(i)=0步驟4:計(jì)算橋梁結(jié)構(gòu)的預(yù)測(cè)位移目標(biāo)向量絕對(duì)值?d(i+1)=d(i)+Δtˉv(i)+(Δta(i))/4d?(i+1)=d(i)+Δtvˉ(i)+(Δta(i))/4步驟5:計(jì)算在地震作用下橋梁結(jié)構(gòu)的外力荷載f(i)=-Μ×1×??Ζ(iΔt)f(i)=?M×1×Z??(iΔt)步驟6-1:液壓伺服作動(dòng)器以速度v(i)=ˉv3(i)-ˉv2(i),向預(yù)測(cè)目標(biāo)位移?dtest(i+1)勻速運(yùn)動(dòng),其中?dtest(i+1)=?d3(i+1)-?d2(i+1)步驟6-2:等待液壓伺服作動(dòng)器到達(dá)目標(biāo)位移.或者等待時(shí)間間隔Δt用完步驟6-3:測(cè)量此時(shí)隔震橡膠墊的實(shí)際恢復(fù)力?rtest(i+1)和實(shí)際位移?dtest(i+1)步驟6-4:計(jì)算隔震橡膠墊的恢復(fù)力修正值ˉrtest(i+1),其中ˉrtest(i+1)=?rtest(i+1)+?Κspecimen(?dtest(i+1)-?dtest(i+1))步驟6-5:形成實(shí)驗(yàn)子結(jié)構(gòu)的恢復(fù)力向量修正值:?rtest(i+1)={0-ˉrtest(i+1)ˉrtest(i+1)}Τ步驟7:計(jì)算數(shù)值子結(jié)構(gòu)的恢復(fù)力向量?rcomp(i+1)=Κ?d(i+1),其中K為結(jié)構(gòu)的剛度矩陣步驟8:將實(shí)驗(yàn)子結(jié)構(gòu)和數(shù)值子結(jié)構(gòu)的恢復(fù)力向量迭加,得到隔震橋墩的整體恢復(fù)力向量?r(i+1)=?rtest(i+1)+?rcomp(i+1)步驟9:通過公式a(i+1)=(f-C(ˉv(i)+(Δta(i)/2))-?r(i+1))/A計(jì)算結(jié)構(gòu)主振型下的加速度向量,同時(shí)計(jì)算其位移向量d(i+1)=?d(i+1)+(Δt2a(i+1))/4,和速度向量ˉv(i+1)=ˉv(i)+(Δt(a(i)+a(i+1)))/2計(jì)算液壓伺服作動(dòng)器的速度v(i+1)=ˉv3(i+1)-ˉv2(i+1)步驟10:判斷地震波是否結(jié)束,如果沒有結(jié)束返回到步驟4,如輸入結(jié)束控制程序結(jié)束。2實(shí)驗(yàn)方法2.1實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯?shí)驗(yàn)中使用的橋墩結(jié)構(gòu)如圖5(a)所示,圖5(b)是其簡化的3自由度模型.其橋墩的高度LC為10m,橋墩基礎(chǔ)的平面尺寸6.3m×6.3m,基礎(chǔ)高度Lf為2.0m,橋墩的斷面尺寸為5.22m×2.4m,橋面的重量M3為714tf,實(shí)驗(yàn)的橋墩模型的1次振型為{0.08,0.133,0.991}T,其周期為1.27s,在實(shí)驗(yàn)的計(jì)算控制程序的編寫過程中,以考慮1次振型下的地震反應(yīng)為主。圖5(b)中3自由度模型所用的剛度(k1,k2和kθ1,kθ2)值根據(jù)混凝土橋墩在彈性范圍內(nèi)的不同高度的彎矩與回轉(zhuǎn)角的關(guān)系曲線計(jì)算出。實(shí)驗(yàn)中使用的隔震橡膠墊是0.5倍的縮尺模型,其面積是真實(shí)面積的1/4,而在實(shí)際情況中,每個(gè)橋墩使用2個(gè)隔震橡膠墊。因此,實(shí)際每個(gè)橋墩上的隔震橡膠支座的總恢復(fù)力是實(shí)驗(yàn)中單個(gè)支座實(shí)測(cè)值的8倍。2.2橡膠隔震支柱在本次實(shí)時(shí)地震波子結(jié)構(gòu)擬動(dòng)力實(shí)驗(yàn)使用的實(shí)驗(yàn)構(gòu)件是天然橡膠隔震支座(NR),高阻尼橡膠隔震支座(HDR)和超高阻尼橡膠隔震支座(HDR-S)3種橡膠隔震支座。其平面尺寸都采用400mm×400mm,橡膠純厚度為120mm,橡膠的水平剪切彈性模量采用G12(1.2N/mm2)。其設(shè)計(jì)等效阻尼系數(shù)分別為0.08,0.16,0.21。實(shí)驗(yàn)中使用的地震波采針對(duì)2類場(chǎng)地的Level2TypeⅠ(L2T1Soil2)地震波,其最大加速度峰值分別為0.22g。3橡膠隔震發(fā)生的等效阻尼圖6所示的滯回曲線是10m高橋墩使用的天然橡膠隔震支座,高阻尼橡膠隔震支座和超高阻尼隔震支座在L2T1Soil2地震波輸入條件下的速度控制型實(shí)時(shí)子結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。在速度控制型實(shí)時(shí)子結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中,高阻尼和超高阻尼橡膠隔震支座的速度相關(guān)性得到了充分的體現(xiàn),同時(shí)也使高阻尼和超高阻尼橡膠隔震支座的高阻尼性能在實(shí)驗(yàn)中得到體現(xiàn)。如圖6所示,天然橡膠隔震支座的地震反應(yīng)滯回曲線沒有高阻尼、超高阻尼隔震支座的滯回曲線飽滿,高阻尼和超高阻尼隔震支座依靠其高阻尼性能更有效地吸收地震能量,減少橋墩的地震反應(yīng)。通過計(jì)算實(shí)驗(yàn)中橡膠隔震支座的等效阻尼系數(shù),考察每種橡膠隔震支座的耗能能力,天然橡膠隔震支座、高阻尼橡膠隔震支座和超高阻尼橡膠隔震支座的等效阻尼系數(shù)分別為13%、16%和24%,表明地震中超高阻尼隔震橡膠墊能最有效地吸收地震能量從而保護(hù)橋梁的主體結(jié)構(gòu)。因此,基于速度控制型實(shí)時(shí)子結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)能更精確地研究擁有高阻尼性能的橡膠隔震支座對(duì)橋梁的減震效果。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果考察橋墩頂部的最大位移和橋面的最大位移,HDR-S的2項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果大致均比NR減少33%,比HDR減少21%。由于地震波的加速度增大,結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)位移也相應(yīng)的加大,因此擁有高阻尼特性的橡膠隔震支座將吸收更多的地震能量。和NR,HDR相比,HDR-S的超高阻尼的特性得以發(fā)揮?？疾鞓蛎娴淖畲蠹铀俣确磻?yīng)和橋墩底部的最大彎矩時(shí),HDR-S的實(shí)驗(yàn)結(jié)果比HDR減少6%～18%。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以直接得出,在擁有合適的