混合試驗(yàn)是在線結(jié)合實(shí)驗(yàn)室物理加載與計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬從而評(píng)估結(jié)構(gòu)性能的新型抗震試驗(yàn)方法。通常來(lái)講,混合試驗(yàn)將待評(píng)估結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵部位作為物理子結(jié)構(gòu)在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行加載,而剩余部分則作為數(shù)值子結(jié)構(gòu)在計(jì)算機(jī)中模擬。如此以來(lái),在很大程度上節(jié)省實(shí)驗(yàn)室資源,從而能夠開展大比例尺甚至足尺結(jié)構(gòu)的性能評(píng)估。然而,當(dāng)物理子結(jié)構(gòu)邊界自由度較多時(shí),受加載設(shè)備、試驗(yàn)場(chǎng)地以及試驗(yàn)經(jīng)費(fèi)等多方面的限制,其邊界條件往往難以完全實(shí)現(xiàn);而邊界條件的缺失勢(shì)必改變結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài),影響結(jié)構(gòu)性能評(píng)估的準(zhǔn)確性。如何在現(xiàn)有條件下,通過(guò)不完整邊界條件的混合試驗(yàn)獲取高精度混合模擬結(jié)果,并合理判斷結(jié)構(gòu)抗震性能,成為抗震試驗(yàn)研究的新挑戰(zhàn)。本文稱無(wú)法完全實(shí)現(xiàn)的物理子結(jié)構(gòu)邊界條件的現(xiàn)實(shí)為不完整邊界條件問(wèn)題。為了解決該問(wèn)題,本文提出了一種新型混合試驗(yàn)方法——基于模型更新的在線數(shù)值模擬方法,并針對(duì)該方法的部分關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題開展了研究。主要研究?jī)?nèi)容如下:1.針對(duì)模型更新混合試驗(yàn)的核心問(wèn)題,提出基于梯度的材料本構(gòu)模型參數(shù)估計(jì)方法;基于李雅普諾夫穩(wěn)定理論,證明卡爾曼濾波器在用于參數(shù)估計(jì)時(shí)的收斂性,研究擴(kuò)展的卡爾曼濾波器的收斂條件。闡述卡爾曼濾波器與加權(quán)遞推最小二乘法的關(guān)系,給出卡爾曼濾波器參數(shù)取值建議。分析表明,隱性卡爾曼濾波器本質(zhì)上是隨機(jī)最小二乘法,它是一種高精度的次優(yōu)估計(jì)器;以任意非線性標(biāo)量系統(tǒng)為例分析了比例對(duì)稱采樣的精度,得到了達(dá)到四階精度時(shí)采樣參數(shù)需要滿足的條件。數(shù)值算例表明,隱性卡爾曼濾波器具有較快的收斂速度和較強(qiáng)的魯棒性。2.提出基于模型更新的在線數(shù)值模擬方法。新方法中結(jié)構(gòu)反應(yīng)由整體結(jié)構(gòu)數(shù)值模型計(jì)算得到,邊界條件自然得到滿足;物理子結(jié)構(gòu)的恢復(fù)力不再返回到時(shí)間積分模塊參與運(yùn)動(dòng)方程的求解,而是返回到參數(shù)估計(jì)模塊用于數(shù)值模型本構(gòu)參數(shù)在線估計(jì)。基于TCP/IP網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議,在不更改有限元軟件Open Sees框架的前提下實(shí)現(xiàn)了MATLAB和Open Sees的通訊;通過(guò)修改Open Sees源代碼,實(shí)現(xiàn)了混合試驗(yàn)的力-位移同步加載模擬。研究結(jié)果表明,在線數(shù)值模擬方法能夠獲得較高的模擬精度且具有較強(qiáng)的魯棒性;單方面的本構(gòu)模型參數(shù)更新并不一定能夠改善混合試驗(yàn)的模擬精度;新方法可以彌補(bǔ)本構(gòu)模型不準(zhǔn)確以及對(duì)本構(gòu)模型認(rèn)識(shí)不足帶來(lái)的不利影響。3.搭建了基于Open Sees-MATLAB-Hy Test Connector-MTS的三環(huán)混合試驗(yàn)架構(gòu),并以鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)為例,完成了在線數(shù)值模擬方法的試驗(yàn)驗(yàn)證。研究結(jié)果表明,在線數(shù)值模擬方法對(duì)邊界條件具有較強(qiáng)的魯棒性,可以獲取高精度混合試驗(yàn)?zāi)M結(jié)果,從而為評(píng)估結(jié)構(gòu)的抗震性能提供支持和依據(jù);與數(shù)值模擬類似,參數(shù)估計(jì)在初期表現(xiàn)出明顯的波動(dòng),隨后快速收斂至穩(wěn)態(tài)值;受模型誤差的影響,在線估計(jì)得到的參數(shù)收斂值表現(xiàn)出地震動(dòng)峰值加速度相關(guān)性;物理子結(jié)構(gòu)豎向力邊界的波動(dòng)對(duì)最終的參數(shù)估計(jì)結(jié)果影響較小。4.以短肢剪力墻結(jié)構(gòu)和防屈曲支撐-鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)為例,探討了在線數(shù)值模擬方法在大型建筑結(jié)構(gòu)抗震試驗(yàn)中的適用性;研究了采用歐拉梁模擬剪力墻的適用條件;提出了三段式防屈曲支撐建模方法;探討了多本構(gòu)模型參數(shù)估計(jì)方法的可行性以及觀測(cè)量個(gè)數(shù)對(duì)參數(shù)估計(jì)的影響。研究結(jié)果表明,在線數(shù)值模擬方法適用于復(fù)雜建筑結(jié)構(gòu)抗震試驗(yàn);在高維參數(shù)估計(jì)時(shí),隱性卡爾曼濾波器依然具有較高的精度和較快的收斂速度;對(duì)處于靜定或超靜定狀態(tài)的土木工程結(jié)構(gòu)來(lái)講,單觀測(cè)量模式足以保證參數(shù)估計(jì)的準(zhǔn)確性。
【學(xué)位單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TU352.11
【部分圖文】：

中間環(huán)為有效位移控制回路，由 HyTest Connector 完成。HyTest Connec MTS VB COM 程序庫(kù)，采用 VB 語(yǔ)言開發(fā)的一款軟件，能夠?qū)崿F(xiàn)與 M統(tǒng)的通訊和控制功能。HyTest Connector 在 Microsoft Windows 操作系統(tǒng)現(xiàn)，避免引入實(shí)時(shí)運(yùn)算平臺(tái)，具有便捷、經(jīng)濟(jì)的優(yōu)點(diǎn)。HyTest Connector移（協(xié)調(diào)器發(fā)送）為控制目標(biāo)、以外接位移計(jì)為位移反饋，采用 PI 控制作動(dòng)筒命令位移，并以斜坡-保持方式將其發(fā)送給內(nèi)環(huán)，即電液伺服加載系est Connector 在 MTS 控制器所在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行，不需安裝，直接讀取電統(tǒng)位移傳感器和數(shù)據(jù)采集卡上的信號(hào)。外環(huán)為數(shù)值積分算法環(huán)路，它的主要功能是求解結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方程獲取結(jié)構(gòu)新結(jié)構(gòu)狀態(tài)（本文由有限元軟件 OpenSees 完成）。為保證混合試驗(yàn)順利開協(xié)調(diào)器在單獨(dú)的計(jì)算機(jī)上，以避免程序崩潰而使試驗(yàn)控制系統(tǒng)不可控，臺(tái)計(jì)算機(jī)完成混合試驗(yàn)。兩臺(tái)計(jì)算機(jī)采用網(wǎng)線連接。用于模型更新混合線數(shù)值模擬的參數(shù)估計(jì)程序采用 MATLAB 語(yǔ)言編寫，該程序位于外環(huán)控制系統(tǒng)具體的實(shí)物連接見(jiàn)圖 4-4。

裂縫均出現(xiàn)在地震動(dòng)峰值加速度為 125gal 時(shí)。為此，在線數(shù)值模擬方法在地震動(dòng)峰值加速度較大時(shí)，即結(jié)構(gòu)產(chǎn)生肉眼可見(jiàn)的裂縫后，具有較好的效果。35gal 55gal 70gal 125gal 220gal 310gal 400gal04080120160200工況MRSE%()ONS-PMUHS-PONS-OTHS-Oa) 整體誤差35gal 55gal 70gal 125gal 220gal 310gal 400gal0306090120150180工況RE(%)ONS-PMUHS-PONS-OTHS-Ob) 最大相對(duì)誤差圖 4-10 混合試驗(yàn)位移誤差直方圖Fig. 4-10 Displacement error histograms for hybrid simulations

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2834442