土-结构动力相互作用实时子结构试验技术研究

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土-结构动力相互作用研究开始于20世纪30年代,经过了几十年的摸索和探讨,取得了不少科研成果。但是许多理论研究结果由于缺乏试验验证难以指导实际工程设计。本文在对比分析国内外基于振动台的土-结构动力相互作用试验研究的基础上,引入子结构试验的思想概念,并对这种新的基于振动台的土-结构相互作用动力试验技术进行分析与探讨。论文的主要研究内容包括以下几个方面:   1.通过查阅大量文献,对国内外土-结相互作用的试验研究现状与进展进行了分析总结,从土-结构动力相互作用振动台试验的关键点和难点出发,回顾了近些年来土-结构动力相互作用振动台试验研究的发展历程与现状。并对比分析出各种传统的土-结相互作用振动台试验的不足与局限性,在此基础上介绍了一种新的研究土-结构动力相互作用的振动台试验技术。   2.从实时子结构试验的实验原理入手,总结归纳试验的技术路线和具体步骤。并利用Matlab/simulink软件建立数值仿真模型对实验原理进行验证,通过对一个双层钢框架结构的整体模型和子结构模型数值计算结果的对比分析,验证了实时子结构试验理论。并在此基础之上,将子结构思想引入土-结构相互作用振动台试验研究中,以八参数集总参数和时域递归模型作为数值土模型,基于状态空间动力学方程法利用Matlab/simulink软件建立土-结构动力相互作用的数值仿真模型,通过整体模型和拆分模型的仿真实验结果对比,验证了土-结相互作用实时子结构试验技术的理论正确性和可行性。也为振动台实时子结构试验系统的架构奠定了基础。   3.针对实现土-结构动力相互作用实时子结构试验的关键问题如振动台控制系统及其再现精度、数值积分算法、土模型的选择和界面反力的获取等方面展开论述。通过对几种算法的比较分析,并考虑算法的稳定性和本文所采用的土模型计算量较小,因此产生的系统时滞可以忽略,为了提高试验精度拟确定出本文采用四阶R-K算法。通过对集总参数模型、时域递归模型和彭津模型对比分析,给出三种模型的优缺点和使用建议。详细介绍了四种界面反力的理论推导,并通过振动台试验进行验证。四种方法均能准确的获得界面反力的大小,并结合每种方法的特点提出了各方法的适用范围和使用建议。   4.以一个组合式双层钢框架为研究对象,选用八参数集总参数土模型为数值子结构进行研究。通过振动台试验与数值仿真实验结果对比分析,结构加速度响应的振动台试验结果与数值仿真实验结果吻合较好,验证了用于考虑土-结构相互作用的地震模拟振动台实时子结构试验方法的可行性和准确性。   5.以京杭运河某特大桥的缩尺模型为研究对象,选用时域递归土模型、八参数集总参数土模型和彭津土模型为数值子结构,在原有的单振动台土-结相互作用实时子结构试验的基础上,对其数据采集系统和数值模拟控制系统等进行拓展,实现了三跨连续刚构桥梁考虑土-结构相互作用的地震模拟振动台台阵试验。  
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