基于速度控制法的实时子结构实验控制系统研究

基于速度控制法的实时子结构实验控制系统研究

目前，橡胶隔震衰减结构在土木工程中的应用，利用速度相关的橡胶隔震支架，减少了结构的地震反应，并对保护主体结构的非地面振动进行了破坏。但是橡胶隔震支座的力学性能与隔震效果需要通过结构实验方法进行研究,现阶段的实验研究中主要是通过低周往复实验,拟静力实验,振动台实验,拟动力实验和基于位移控制的实时子结构拟动力实验等方法来进行的。低周往复实验和拟静力实验可以考察实验构件的强度,变形和阻尼性能,但是对于结构在地震作用下的反应却很难模拟。地震模拟振动台实验研究理论上可以再现隔震减震结构的地震反应,可以对隔震减震效果进行验证,但是由于振动台尺寸和激励大小的限制,只能对隔震结构进行缩尺模型或者相似模型的振动台实验,因此由于尺寸效应的影响,振动台实验很难真实地反映出结构地震反应。同时地震模拟振动台实验成本昂贵也是这种方法的缺陷。目前的拟动力实时子结构实验是基于位移控制,忽视了实验加载速率、经历对实验结果的影响,虽然可以比较精确地验证拥有非速度相关型实验构件的地震反应,但是对于拥有很强速度相关性的橡胶隔震支座,很明显这种实时子结构实验系统是有缺陷的。同时在基于位移控制的实时地震波子结构拟动力实验系统中,使用内插或者外插的方法来处理时滞问题,这样使数值子结构的计算控制程序复杂,控制计算和数植信号处理时间过长,如果不采用高速数字信号处理设备,实验过程将不连贯,由加载速率造成的实验误差将进一步放大,很难反映橡胶隔震支座的真实地震反应。本研究中,开发出基于速度控制法的实时子结构实验系统,并且运用此实验系统研究天然橡胶隔震支座(NR),高阻尼橡胶隔震支座(HDR)和超高阻尼橡胶隔震支座(HDR-S)在地震中对桥梁结构的隔震效果。在基于速度控制法的实时子结构拟动力实验控制系统中,最新采用PC-DSP(DSP:高速数字信号处理器(DigitalSignalProcessor))硬件控制系统,使速度控制的概念成为可能。同时在实验系统中采用Operatorsplitting(OS)数值积分法,使分析程序的稳定性和收敛性,不再受到时间步长的限制。水平动力加载的设备,采用美国MTS公司生产的1000kN动力液压伺服作动器,及其配套的FlexTestGT控制系统。而竖向加载设备是新开发的针对橡胶隔震支座的自平衡竖向加载设备。本文将详细地论述基于速度控制法的实时子结构实验系统。1实验系统和实验过程控制运用速度控制法的实时子结构实验系统检验桥梁橡胶隔震支座的隔震效果的基本原理如图1所示。其中加载设备,程序控制,信号转换传输,及其高速数字信号处理器DSP的连接如图2所示。在控制计算程序中,混凝土桥墩部分是实验中的数值子结构,依靠其数值模型在控制程序中形成动力方程中的刚度矩阵和阻尼矩阵,而力学性能极其复杂的橡胶隔震支座是实验中的实验子结构,其每一时间步长的恢复力依靠MTS水平液压伺服作动器的信号通道连续获得,并且通过A/D转化器输入数值子结构的控制程序中,依靠高速数字信号处理器(DSP)计算橡胶隔震支座的下一时间步长的目标位移和速度,并且通过D/A传感器输入到MTS水平液压伺服作动器的FlexTestGT控制系统,并对橡胶隔震支座进行实验加载,如此往复。与基于位移控制的实时子结构实验控制系统相比,有3个新内容。分别是:1)在实验控制程序方面,采用适应橡胶材料拥有速度相关性的速度控制法;2)为了实时模拟隔震桥梁的地震反应,采用了高速数字信号处理器(DSP)直接和A/D,D/A信号转换程序模块连接,高速计算、处理和控制信号,实现了基于速度控制法的实时子结构实验系统。3)实验系统中采用Operatorsplitting(OS)数值积分法,使分析程序的稳定性,不再受到时间步长的限制。1.1实验使用的伺服作动器参数本实验在日本爱知工业大学抗震实验中心完成,其高速水平和竖向加载设备如图3所示。水平加载设备是美国MTS公司提供的液压伺服作动器,此作动器由MTS公司提供的FlexTestGT控制系统控制,利用FlexTestGT控制系统的外部信号输入接口,控制程序中计算出的位移信号传输到FlexTestGT控制系统控制MTS作动器。实验中使用的动力液压伺服作动器在动力加载时可以达到±1000kN,静力加载时可以达到±1464kN,水平位移的范围是±460mm,该实验室拥有1200L油源,同时动力加载设备上接着3根进油管和3根出油管,保证了在高频下对隔震支座进行动力加载。同时该竖向加载系统保证了橡胶隔震支座处于水平运动,使实验状态比较符合桥梁橡胶隔震支座的真实受力状态。1.2稳定性验证和误差消除的能力在本研究中,采用了如图4所示的速度控制方法,当控制程序运行完第i步时,在此刻的试件运行速度v(i)通过数值积分计算出,同时计算出第i+1步的预测位移目标值。在第i步到第i+1步的Δt时间步长间,实验试件在动力液压伺服作动器加载下以速度v(i)匀速运行。当Δt时间步长结束或者已达到预测位移目标值,测量此刻实验试件的实际恢复力和实际位移,并以此为基础计算速度v(i+1)和第i+2步的目标位移。在测量和计算过程中实验试件继续保持以速度v(i)匀速运动,并且将此时的位移控制在误差允许范围内,一旦速度v(i+1)计算出,动力加载设备将运行速度改为v(i+1)。速度控制方法的优点可以避免编写以往用位移控制的实时拟动力实验系统中使用的极其复杂的数值计算及控制程序。在本次实验中采用OS数值求解方法,在此方法中只要程序中实验试件的初始刚度比实际刚度略大,在一定范围内无论采用的时间步长是多少,计算控制程序都是无条件稳定。同时由于实验中不断的修正预测位移目标值,在初试条件中的误差会随着实验进行而很快地消除。这样在编写控制程序是可以避免受到时间步长的限制,因此这种数值求解方法是最适合基于速度控制法的实时子结构拟动力实验使用。实验系统控制程序的流程如下:步骤1:在控制程序中定义时间步长Δt,结构的质量矩阵M,阻尼矩阵C和刚度矩阵K(实验试件的初始刚度采用橡胶隔震支座30%应变时的等效刚度ˉΚspecimen)K¯¯¯specimen),地震波加速度函数⋅⋅Ζ(iΔt)Z⋅⋅(iΔt)步骤2:计算A=M+(ΔtC)/2+(Δt2K)/4步骤3:当i=0时,定义结构的初始位移向量d(0)=0,速度向量ˉv(0)=0v¯(0)=0和加速度向量a(i)=0步骤4:计算桥梁结构的预测位移目标向量绝对值˜d(i+1)=d(i)+Δtˉv(i)+(Δta(i))/4d˜(i+1)=d(i)+Δtv¯(i)+(Δta(i))/4步骤5:计算在地震作用下桥梁结构的外力荷载f(i)=-Μ×1×⋅⋅Ζ(iΔt)f(i)=−M×1×Z⋅⋅(iΔt)步骤6-1:液压伺服作动器以速度v(i)=ˉv3(i)-ˉv2(i),向预测目标位移˜dtest(i+1)匀速运动,其中˜dtest(i+1)=˜d3(i+1)-˜d2(i+1)步骤6-2:等待液压伺服作动器到达目标位移.或者等待时间间隔Δt用完步骤6-3:测量此时隔震橡胶垫的实际恢复力ˆrtest(i+1)和实际位移ˆdtest(i+1)步骤6-4:计算隔震橡胶垫的恢复力修正值ˉrtest(i+1),其中ˉrtest(i+1)=ˆrtest(i+1)+˜Κspecimen(˜dtest(i+1)-ˆdtest(i+1))步骤6-5:形成实验子结构的恢复力向量修正值:ˆrtest(i+1)={0-ˉrtest(i+1)ˉrtest(i+1)}Τ步骤7:计算数值子结构的恢复力向量˜rcomp(i+1)=Κ˜d(i+1),其中K为结构的刚度矩阵步骤8:将实验子结构和数值子结构的恢复力向量迭加,得到隔震桥墩的整体恢复力向量ˆr(i+1)=ˆrtest(i+1)+˜rcomp(i+1)步骤9:通过公式a(i+1)=(f-C(ˉv(i)+(Δta(i)/2))-ˆr(i+1))/A计算结构主振型下的加速度向量,同时计算其位移向量d(i+1)=˜d(i+1)+(Δt2a(i+1))/4,和速度向量ˉv(i+1)=ˉv(i)+(Δt(a(i)+a(i+1)))/2计算液压伺服作动器的速度v(i+1)=ˉv3(i+1)-ˉv2(i+1)步骤10:判断地震波是否结束,如果没有结束返回到步骤4,如输入结束控制程序结束。2实验方法2.1实验模型实验中使用的桥墩结构如图5(a)所示,图5(b)是其简化的3自由度模型.其桥墩的高度LC为10m,桥墩基础的平面尺寸6.3m×6.3m,基础高度Lf为2.0m,桥墩的断面尺寸为5.22m×2.4m,桥面的重量M3为714tf,实验的桥墩模型的1次振型为{0.08,0.133,0.991}T,其周期为1.27s,在实验的计算控制程序的编写过程中,以考虑1次振型下的地震反应为主。图5(b)中3自由度模型所用的刚度(k1,k2和kθ1,kθ2)值根据混凝土桥墩在弹性范围内的不同高度的弯矩与回转角的关系曲线计算出。实验中使用的隔震橡胶垫是0.5倍的缩尺模型,其面积是真实面积的1/4,而在实际情况中,每个桥墩使用2个隔震橡胶垫。因此,实际每个桥墩上的隔震橡胶支座的总恢复力是实验中单个支座实测值的8倍。2.2橡胶隔震支柱在本次实时地震波子结构拟动力实验使用的实验构件是天然橡胶隔震支座(NR),高阻尼橡胶隔震支座(HDR)和超高阻尼橡胶隔震支座(HDR-S)3种橡胶隔震支座。其平面尺寸都采用400mm×400mm,橡胶纯厚度为120mm,橡胶的水平剪切弹性模量采用G12(1.2N/mm2)。其设计等效阻尼系数分别为0.08,0.16,0.21。实验中使用的地震波采针对2类场地的Level2TypeⅠ(L2T1Soil2)地震波,其最大加速度峰值分别为0.22g。3橡胶隔震发生的等效阻尼图6所示的滞回曲线是10m高桥墩使用的天然橡胶隔震支座,高阻尼橡胶隔震支座和超高阻尼隔震支座在L2T1Soil2地震波输入条件下的速度控制型实时子结构实验结果。在速度控制型实时子结构实验系统中,高阻尼和超高阻尼橡胶隔震支座的速度相关性得到了充分的体现,同时也使高阻尼和超高阻尼橡胶隔震支座的高阻尼性能在实验中得到体现。如图6所示,天然橡胶隔震支座的地震反应滞回曲线没有高阻尼、超高阻尼隔震支座的滞回曲线饱满,高阻尼和超高阻尼隔震支座依靠其高阻尼性能更有效地吸收地震能量,减少桥墩的地震反应。通过计算实验中橡胶隔震支座的等效阻尼系数,考察每种橡胶隔震支座的耗能能力,天然橡胶隔震支座、高阻尼橡胶隔震支座和超高阻尼橡胶隔震支座的等效阻尼系数分别为13%、16%和24%,表明地震中超高阻尼隔震橡胶垫能最有效地吸收地震能量从而保护桥梁的主体结构。因此,基于速度控制型实时子结构实验系统能更精确地研究拥有高阻尼性能的橡胶隔震支座对桥梁的减震效果。根据实验结果考察桥墩顶部的最大位移和桥面的最大位移,HDR-S的2项评价指标的实验结果大致均比NR减少33%,比HDR减少21%。由于地震波的加速度增大,结构的地震反应位移也相应的加大,因此拥有高阻尼特性的橡胶隔震支座将吸收更多的地震能量。和NR,HDR相比,HDR-S的超高阻尼的特性得以发挥。考察桥面的最大加速度反应和桥墩底部的最大弯矩时,HDR-S的实验结果比HDR减少6%～18%。从实验结果可以直接得出,在拥有合适的