基于OpenSees的子结构拟动力试验方法研究

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在进行大型复杂结构抗震试验时,小比例的模型难以满足结构的相似条件,因此需要采用大比列或足尺模型进行试验,然而进行整个结构的大比例模型试验又不经济,此时抗震试验方法中的子结构拟动力试验方法可以解决该问题。在该方法中,将整体结构划分为试验子结构部分和数值子结构部分,一般将强非线性构件或局部结构当作试验子结构来进行试验,而将弹性或弱非线性等其余部分作为数值子结构以进行数值模拟。通过该方法,既能模拟复杂的恢复力特性,以更真实反应结构的地震反应,又能减少试验规模与降低试验成本。OpenSees作为面向对象的开源软件,而本文基于OpenSees进行了子结构拟动力试验程序的开发,并且通过虚拟子结构试验来验证。在文中,试验子结构以模拟的方式实现,即通过模拟其边界条件与作动器加载方式来进行试验。另外借助Tcl脚本类语言,利用OpenSees实现试验子结构与数值子结构间的数据交换。最后通过具体的算例,以验证子结构拟动力试验方法的可行性与有效性。数值积分方法是拟动力试验方法的基础,本文介绍了几种适用于子结构拟动力试验方法的数值积分方法。重点对PCM-Newmark方法与α-OS方法进行了对比分析,具体在精度与稳定性方面以及试验效率与试验连续性等方面,通过算例进行验证,结果表明PCM-Newmark法更适合子结构拟动力试验方法。探讨子结构拟动力试验方法的基本原理,基于拟动力试验中的动力方程,建立适用于子结构拟动力试验方法的动力方程。文中初步讨论子结构选择与模型的建立,重点论述子结构边界条件的模拟以及作动器与试验子结构之间的位移转换关系,具体介绍子结构拟动力试验方法中的数值积分方法与恢复力模型。同时详细讨论非线性时程分析相关理论,其包括非线性梁柱单元、结构质量矩阵与刚度矩阵、结构阻尼矩阵及非线性方程求解,并且以高层钢框架为算例进行时程分析。另外阐述子结构拟动力试验方法中的网络通信及子结构之间数据交换的基本原理。本文阐述基于OpenSees平台的子结构拟动力试验方法的具体实现过程。大致介绍OpenSees中的时程分析的基本建模过程与命令,重点阐述与子结构拟动力试验相关的技术,其包括分析步内的参数修改、模型参数修改以及实时输出项等。另外,借助网络通信进行子结构试验的过程及技术,其通过由Tcl脚本文件所编写的OpenSees接口程序以实现试验子结构与数值子结构之间的数据交换。同时,本文对防屈曲支撑构造及基本原理进行简单概述。本文重点以带人字形防屈曲支撑的高层钢结构为算例,分别以不同楼层处的单个支撑和多个支撑为试验子结构进行虚拟的拟动力试验,以验证该拟动力试验方法的可行性与有效性,并且进行了考虑重力荷载的子结构拟动力试验。初步探讨以底柱为试验子结构的拟动力试验,进行了忽略柱顶转角与轴向变形的试验,以考察边界条件对子结构拟动力试验的影响。最后,对相关试验结果进行误差分析。
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