用分布式混合试验系统模拟结构的倒塌行为

第30卷增刊2010年9月

防灾减灾工程学报

JournalofDisasterPreventionandMitigationEngineering

Vol.30Suppl.Sep.2010

用分布式混合试验系统模拟结构的倒塌行为

(1.中国地震局工程力学研究所,河北三河065201;2.日本京都大学,京都611-0011)

王　涛1,GilbertoMosqueda2,AndresJacobsen2,MariaCortes-Delgado2

摘要:采用分布式混合试验系统模拟四层钢结构框架在强震下的倒塌行为。变形集中的首层作为试验对象,而上部结构作为数值子结构。各子结构通过协调器满足界面上的平衡和协调条件,并被协调器的输入输出接口封装起来。采用柔性的试验方案,可以在当前有限控制精度的限制下,灵活地处理边界条件。试验结果与日本E-Defense振动台足尺试验结果进行了对比,得到了类似的倒塌机制,证明混合试验有能力进行结构倒塌模拟,而误差主要来自于模型简化。

关键词:分布式混合试验;协调器;柔性加载制度;结构倒塌再现;边界条件

中图分类号:TU435;TB115　　文献标识码:A　　文章编号:1672-2132(2010)增刊-0065-05

进行交互以满足界面上的平衡和协调条件。考虑到

0　引言

现代抗震设计规范的目标之一是防止结构在罕遇地震下的倒塌,但是最近几次地震中房屋结构的表现证明工程界对结构倒塌行为的认识存在不足。自1995年日本阪神地震和1994年美国北岭地震以来,各国学者进行了大量的结构构件的试验研究

[1,2]

试验设备的控制精度,试验中采用了柔性的加载制度,即对重要自由度采用闭环控制,其余自由度采用开环控制的策略。试验结果与日本E-Defense大型振动台试验结果进行了对比,从而对混合试验系统再现结构倒塌的能力进行了评估。

1　迭代式混合试验系统

本文采用的分布式混合试验系统具备几个特点:(1)各个子结构被通用的输入输出接口封装起来,只在子结构界面上进行力和位移的传递,从而使得系统具有很好的可移植性;(2)动力方程只在子结构的层面上形成,减少了自由度数量,加快了分析速度;(3)采用了迭代式方法,系统地更新了边界上的刚度矩阵,并有效地寻找满足边界条件的位移;(4)为了避免对试验子结构的迭代,采用了预测-修正的方法;(5)为了降低对系统的精度要求,采用了柔性的加载制度。该试验系统的理论基础和具体操作可以参考文献[6],此处不再赘述。

,但是作为结构整体的研究,特别是大尺寸的

试验研究却不多见,其中一个很重要的原因是缺少相应的大型试验设备。近十年来,混合试验系统得到了广泛的发展,在国际上已经成为了一种公认的结构抗震性能试验方法。在结合了子结构等技术以后,混合试验系统似乎具备了模拟大型结构地震响应的能力。21世纪以来,日本、美国和我国台湾的很多学者开展了分布式混合试验的工作[3-5],但是很少涉及到结构倒塌阶段的行为。

本文以一座两跨四层的钢结构框架为对象,采用分布式的混合试验系统模拟其在强震下的倒塌行为。整个结构被分为三个子结构,试验对象为结构首层,考虑到试验空间和加载设备的限制,被进一步分为两个试验子结构,分别在美国Buffalo大学和日本京都大学的试验室里进行试验。上部结构采用有限元程序进行分析。三者通过混合试验系统的协调器

2　目标结构和柔性加载制度

日本兵库县地震工程研究中心的大型振动台

收稿日期:2010-06-23;修回日期:2010-07-15

基金项目:博士后研究人员落户黑龙江科研启动资助金(1609016)、中央级公益性研究所基本科研业务费专项

(021800708)、国家重大研究计划“重大工程的动力灾变”培育项目(90915003)资助

(,,的研究。

防灾减灾工程学报第30卷　

E-Defense于2007年完成了一足尺四层钢结构框架的试验[7],如图1所示。结构在经历了60%鹰取波(1995阪神地震)后,在梁端和柱脚部位产生了塑性铰,这种损伤机制符合设计要求。然而,在地震波继续加大到100%后,柱脚部位发生了严重的局部屈曲,导致反弯点下移,从而引起了底层上柱端相继屈曲,最终导致了首层倒塌。这种塑性内力重分布引起的倒塌有多种原因,比如梁柱节点的梁柱强度比值、构件的延性指标、楼板的作用、非结构构件的影响等。为了进一步研究结构的倒塌机制和倒塌机制控制方法,需要更多的试验研究。作为研究抗震的另外一种手段,本文采用分布式混合试验方法再现该四

层钢框架的损伤发展和倒塌模式。

为了准确再现整体结构的地震响应,子结构之间必须严格满足边界条件,即9个自由度(如考虑刚性隔板则为7个自由度)必须协调且平衡,如图2(a)所示。但是由于轴向变形和转动变形难于物理实现,更加实际的是放松某些边界条件。比如,不考虑竖向自由度(轴向)的协调,但是保持平衡条件。在试验中,将数值子结构的竖向边界自由度约束,其反力施加到试验子结构上,如图2(b)所示。这种简化避免了轴向的迭代,代价是忽略了轴向变形对整体结构响应的影响。

将试验子结构的边界延伸到第二层柱的重点可以将加载方式进一步简化,如图2(c)所示。在这种加载方式中,假设第二层柱的反弯点在柱中,这样将转动控制转化为水平自由度的控制。试验子结构和数值子结构具有部分重叠领域,试验子结构中附加的第二层柱、首层梁的尺寸和数值子结构响应的部分相同,起到了传递剪力和弯矩的作用。第二层结构的响应完全由数值子结构得到,避免了反弯点假设引起的较大的局部应力和应变误差[9]。采用这种具备重叠领域的加载机制,一方面可以在试验子结构中近似考虑数值子结构的柔性,另一方面可以从实验室中观察真实的节点区和梁的行为。

　　本文采用的混合试验体系可以灵活地处理上述

图1　日本E-Defense4层钢结构框架试验

边界条件。采用闭环控制处理位于第一层楼面的水平自由度,通过协调器的迭代满足该自由度上的协调和平衡条件。对于竖向自由度采用开环控制,目标力从数值子结构传递到试验子结构并进行加载,但试验子结构的竖向位移并不反馈到数值子结构中,因此竖向只满足平衡条件但不满足协调条件。转动自由度并不直接控制,而是通过附加的二层短柱的水平位移进行近似控制。控制流程如图3

所示。

E-Defense振动台试验中发现长轴方向较弱,首先进入屈服,因此在分布式混合试验中,以平面的长轴框架为研究对象。因为塑性变形和局部损伤主要集中在底层,在分布式混合试验中以第一层三根柱子为试验对象,上部结构的损伤很小,作为数值子结构采用开放式有限元软件OpenSEES进行模拟。

[8]

　增刊王　涛等:用分布式混合试验系统模拟结构的倒塌行为67　

图3　混合试验控制流程图4　柔性加载制度引入的误差

　　考虑到Buffalo大学和京都大学的加载能力,试

验体在一跨中点被分为两部分,在跨中断开处采用

一支撑传递梁中的剪力。在混合试验之前,通过数值

模拟检验了这种柔性加载方案所引入的误差。将混

合数值模拟结果与整体结构分析作比较,采用40%

的鹰取波,图4中是首层和顶层的位移响应,最大相

对误差为18%,并且有0.1s的滞后。

3　分布式混合试验

3.1　试验体设计

　　每个试验体按照与原型相比1:2的比例进行缩

尺,京都大学进行较小的试验体的试验,较大的试验

体则在Buffalo大学进行,分别成为KU和UB试验

体。因为精确的缩尺难以实现,所选型钢的刚度和强

度与E-Defense试验测量值相符,均考虑了楼板的

作用。图5所示是两个试验体。

3.2　试验结果

与

E-Defense试验类似,混合试验共进行了4

次,5

　68防灾减灾工程学报第30卷　60%和100%。图6显示的是混合试验和E-Defense振动台试验在60%地震动下的位移响应对比,两者吻合很好。图7中是两个试验室首层作动器的控制精度比较,与位移振幅相比,两者位移误差均在5%

以下。

图6　60%

地震动下位移响应

图8　首层剪力-位移关系

图7　设备控制精度

3.3　倒塌验证

沿长轴方向首层的剪力-位移关系如图8所示。60%的试验显示混合试验和E-Defense试验具有相似的强度,但是100%的试验显示E-Defense试验具有更大的强度和刚度衰退。这可能有几个原因,最主要的原因是混合试验只是单向加载,另外,混合试验没有真正地包含非结构构件和混凝土楼板,它们通常在较小的地震动下就积累了很大的损伤。还有一个原因是数值子结构中边界上的竖向变形被约束住了,限制了其在大变形下对首层的影响。混合试验得到了与E-Defense试验类似的倒塌机制,即首层柱两端发生了局部屈曲,从而导致变形集中于首层。图9中所示的是两者之间中柱的损伤模式。

3.4　效率分析

本文采用的混合试验系统采取了迭代式的预测-修正算法,尽管在试验中出现了严重的非线性和强度

　增刊王　涛等:用分布式混合试验系统模拟结构的倒塌行为

(2)本文采用的混合试验系统对子结构进行了封装。最主要的优点是可以容纳采用不同模拟手段的子结构,这些子结构可以采用不同的有限元程序,也可以采用不同的加载设备。

(3)即使本文的试验对象与原型结构相比进行了一些简化,仍然可以得到类似的地震响应和倒塌机制。尽管混合试验不能完全符合大型振动台试验,它仍然是一种评估结构地震性能的有效且经济的手段。

参考文献:

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