地震作用下子结构拟动力试验方法研究

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子结构拟动力试验方法是研究结构抗震性能的一种先进试验手段。该方法将大型复杂结构分为两部分,对于在地震荷载作用下容易破坏的具有复杂非线性特征的结构部分进行试验,称作试验子结构;而其余处于线弹性状态的结构部分由计算机模拟,称为计算子结构。通过求解整体结构的动力方程,完成整个拟动力试验过程,这样既解决了非线性恢复力特性难以确定的问题,又减小了试验规模,降低了对试验设备的要求。本文研究了子结构拟动力试验中计算结构动力反应的三种数值积分方法:中央差分法、隐式α-方法和显隐组合的预测-校正Newmark(PC-Newmark)法。并在MTS公司Flex TextⅡm试验系统平台基础上,采用Visual C++编程语言,编写了基于隐式α-方法的子结构拟动力试验的计算模块,进行了子结构拟动力试验。通过与整体模型的拟动力试验结果的对比分析,结果表明:隐式α-方法无条件稳定、迭代精度高、误差小,对积分步长的限制较小,是子结构拟动力试验应该优先选用的数值积分方法。本文还研究了子结构拟动力试验的误差问题及消除误差的方法。除一般拟动力试验所具有的系统误差和试验误差外,子结构拟动力试验中还存在由于试验子结构的选取而产生的特有误差。由试验设备的分辨率和数值积分方法的收敛性等引起的误差,可以通过更换高精度的试验设备和在控制程序中设置误差限和迭代误差限来消除;由试验子结构的选取而产生的误差,可以通过引入恢复力特性曲线模型代替计算子结构的基本假设来消除。此外,本文建议在子结构拟动力试验中引入有限元模型,对计算子结构部分进行模拟分析,试验子结构部分仍然采用剪切模型进行试验。合理的解决模拟边界条件,通过有限元分析和拟动力试验的有机结合,就能够得到整体结构更加真实的地震反应试验结果。
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