1、第 53 卷 第 13 期2023 年 7 月上建 筑 结 构Building StructureVol.53 No.13Jul.2023DOI:10.19701/j.jzjg.LS202090国家自然科学基金资助项目(51308444),陕西省创新人才推进计划(2019TD-029、2019KJXX-018),陕西省留学人员科技活动择优资助项目(2019021),陕西省建筑科学研究院科研课题(2020-11-329)。第第一一作作者者:毛冬旭,硕士,主要从事结构检测及鉴定、事故分析鉴定处理、建(构)筑物结构改造加固施工,Email:。通通信信作作者者:刘祖强,博士,副教授,主要从事钢与混凝土
2、组合结构及工程结构抗震研究,Email:liuzuqiang0081 。基于 OpenSees Navigator 的子结构混合仿真试验系统及其验证毛冬旭1,刘祖强2,张风亮1,薛建阳2(1 陕西省建筑科学研究院有限公司,西安 710082;2 西安建筑科技大学土木工程学院,西安 710055)摘要:将有限元软件 OpenSees Navigator 应用于子结构混合仿真试验,介绍了基于 OpenSees Navigator 的子结构混合仿真试验方法的试验原理、试验系统组成和误差控制方法,并通过八层实腹式 SRC 异形柱框架子结构混合仿真试验结果和有限元软件 OpenSees Navigato
3、r 的数值模拟结果来验证该试验系统及方法的有效性和准确性。研究结果表明,试验预加载得到的命令位移和反馈位移时程曲线吻合程度较好,验证了该试验系统的有效性;模型结构的加速度反应、位移反应和层间剪力试验结果和模拟结果较为接近,表明该子结构混合仿真试验系统和试验方法能够较好地反映 SRC 异形柱框架结构在地震作用下的动力反应,将该试验系统应用于工程结构的抗震性能研究能够取得良好的效果。关键词:子结构混合仿真试验;OpenSees Navigator;试验系统;误差控制方法;试验验证 中图分类号:TU398.2 文献标志码:A文章编号:1002-848X(2023)13-0035-11引用本文 毛冬旭
4、,刘祖强,张风亮,等.基于 OpenSees Navigator 的子结构混合仿真试验系统及其验证J.建筑结构,2023,53(13):35-45.MAO Dongxu,LIU Zuqiang,ZHANG Fengliang,et al.Substructure hybrid simulation test system and verification based on OpenSees NavigatorJ.Building Structure,2023,53(13):35-45.Substructure hybrid simulation test system and verifica
5、tion based on OpenSees Navigator MAO Dongxu1,LIU Zuqiang2,ZHANG Fengliang1,XUE Jianyang2(1 Shaanxi Institute of Architecture Science,Xi an 710082,China;2 School of Civil Engineering,Xi an University of Architecture&Technology,Xi an 710055,China)Abstract:The finite element software OpenSees Navigator
6、 was applied to the substructure hybrid simulation test.The test principle,test system composition and error control method of the substructure hybrid simulation test method based on OpenSees Navigator were introduced.Through the substructure hybrid simulation test results and the numerical simulati
7、on results of the finite element software OpenSees Navigator of the eight-layer solid-web SRC special-shaped column frame,the effectiveness and accuracy of the test system were verified.The research results show that the command displacement and feedback displacement time-history curves obtained by
8、the test preloading are in good agreement,which verifies the effectiveness of the test system;test and simulation results of the acceleration response,displacement response,and interlayer shear of the model structure are more closer,which indicates that the substructure hybrid simulation test system
9、 and test method of the substructure can better reflect the dynamic response of the SRC special-shaped column frame structure under earthquake action,and the test system can be used to study the seismic performance of engineering structures to obtain good results.Keywords:substructure hybrid simulat
10、ion test;OpenSees Navigator;test system;error control method;test verification 0引言 现代结构抗震试验方法主要分为拟静力试验、拟动力试验、地震模拟振动台试验三种类型1-2。拟静力试验属于慢速加载,按照预先确定的加载制度直接加载,不能实现工程结构的实际动力加载过程;拟动力试验虽然能进行大比例或者足尺模型试验,而且能模拟结构在实际地震下的反应,但是该类型结构试验忽略了加载速率对试验精度的影响,建 筑 结 构2023 年加载过程中的实际时间远远大于实际地震作用的时间3;地震模拟振动台试验能够真实地再现结构在地震作用下的动
11、力反应,但其费用较高,且要求试验模型缩尺较大,试验结果容易失真。因此,随着对结构抗震试验的进一步研究,基于拟动力试验方法发展了新型试验方法 子结构混合仿真试验方法,该方法既能进行大比例试件的实际地震模拟,同时费用比振动台试验低得多。子结构混合仿真试验方法是将试验模型和有限元程序建立的数值模型结合起来共同达到试验目的4。在子结构混合仿真试验中,一般将全结构模型划分成为两部分,对于在地震作用下容易发生破坏且表现为非线性的一部分作为试验子结构进行模型试验,而处于线弹性或弹塑性的一部分作为计算子结构,运用有限元分析软件进行数值模拟,两种子结构通过混合仿真试验平台软件进行数据交换、反馈,共同协调工作,最
12、后经过计算分析得出全结构的地震反应。随着互联网技术的不断发展,混合仿真试验技术已经取得了进一步提升。在欧美等开展此类研究较早的国家已初步建成了多个基于互联网的远程协同混合试验系统,主要包括:美国的地震工程模拟网络 NEES5-6、日本的基于网络的并行拟动力试验系统7、欧洲的减轻地震风险欧洲网络8、中国基于互联网的地震工程模拟系统 ISEE9。马磊等10以 OpenFresco 试验系统为交互平台,建立了以双层平面钢框架结构为试验对象的混合仿真结构试验,通过位移反应时程曲线验证了混合仿真试验方法的有效性。袁国锋11建立了以单层单跨空间钢框架为全结构,底部 1 根柱为试验子结构的 SRT(soft
13、 real-time)混合仿真试验,以 OpenFresco 为试验控制交互平台,验证了 SRT 混合仿真试验方法的有效性和准确性。李腾飞等12完成了偏心支撑框架子结构实时混合仿真试验研究,验证了混合仿真试验系统的稳定性和精度,能够有效地进行抗震性能试验。虽然国内已有以 OpenFresco 为交互平台来完成的混合仿真试验研究,但还未有基于 OpenSees Navigator 建立有限元模型,与 OpenFresco 交互完成的子结构混合仿真试验研究。本文将研究如何用OpenFresco 交 互 软 件 将 有 限 元 软 件 OpenSees Navigator 应用于子结构混合仿真试验中
14、,通过八层实腹式 SRC 异形柱空间框架结构的试验研究来验证子结构混合仿真试验系统的有效性和准确性,从而可以将该子结构混合仿真试验系统推广应用到工程结构的抗震性能试验研究中。1子结构混合仿真试验原理 子结构混合仿真试验利用 OpenSees Navigator有限元分析软件达到了求解全结构模型运动方程的目的,在全结构有限元模型中建立与试验结构对应的“试验单元”,试验单元的反力由试验实际测试所得,再通过 OpenSees 完成有限元动力反应分析。本次试验研究以图 1 所示的八层型钢混凝土异形柱框架全结构模型为例,说明子结构混合仿真试验方法的具体过程,全结构运动方程为:Mui+Cui+Kui+r-
15、i=P(ti)(1)式中:M 和 C 分别为全结构模型的质量矩阵和阻尼矩阵,通过 OpenSees Navigator 有限元软件来定义;ui、ui、ui分别为 ti时刻下全结构模型的位移值、速度值及加速度值,可在试验加载过程中求解;K为数值子结构的刚度矩阵,在建立数值模型时由质量矩阵和几何关系确定;r-i为试验子结构在 ti时刻的恢复力向量,可通过试验子结构在试验加载过程中直接测得;P(ti)为 ti时刻地震作用向量,直接查询地震波数据文件输入参数值。图 1 全结构模型剖面图(1)定义试验单元的本构、质量、阻尼矩阵等初始参数,试验开始前的结构初始位移、速度及加速度调至 0,试验子结构的初始刚
16、度矩阵由试验前的小位移测试所得,用于计算模型结构的第一步动力63第 53 卷 第 13 期 毛冬旭,等.基于 OpenSees Navigator 的子结构混合仿真试验系统及其验证时程反应,随后试验子结构的恢复向量 r-i由实际结构测试反馈得到。(2)开 始 输 入 地 震 波,利 用 有 限 元 软 件OpenSees Navigator 的数值积分方法得到全结构模型在地震作用下 ti+1时刻的动力响应 ui+1、ui+1、ui+1。(3)利用 MTS 电液伺服控制系统驱动作动器加载,使试验结构达到目标位移,测量 ti+1时刻结构的恢复力向量,并将此恢复力信号反馈给 OpenSees Navigator,OpenSees Navigator 计算结构在此刻的刚度矩阵和阻尼矩阵(式(1)中 K、C),用于重新计算下一步动力反应。(4)重复以上地震波输入和位移控制的加载步骤,直至初始设置的时间步完成。2子结构混合仿真试验系统的组成2.1 MTS 电液伺服控制系统 本次子结构混合仿真试验加载的 MTS 电液伺服系统包括:FlexText100 控制系统、MTS793.00 系统、一台 10