遠程協(xié)同結構擬動力試驗方法與技術研究.pdf

1、互聯(lián)網(wǎng)技術使地震工程研究者能夠將遠程分布的結構實驗室連接在一起，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和遠程控制，進行網(wǎng)絡化協(xié)同結構試驗。通過 Internet，許多單個實驗室被集成為一個強大的網(wǎng)絡化試驗系統(tǒng)，可以完成單一實驗室無法進行的大比例復雜模型的結構試驗，從而提高了試驗能力和共享了試驗資源。國內外已有幾個國家和地區(qū)開始利用遠程分布的結構實驗室進行大比例結構模型的協(xié)同試驗研究。
　　基于實驗室現(xiàn)有的試驗設備和計算資源，本文建立了遠程協(xié)同試驗系統(tǒng)，進行

2、了國內首個土木工程方面的國際協(xié)作擬動力試驗研究，在此過程中研究了多種擬動力試驗方法與技術。主要研究內容如下：
　　1.通過與美國NEES(Network for Earthquake Engineering Simulation)網(wǎng)絡和臺灣地區(qū)ISEE(Internet-based Simulation for Earthquake Engineering)平臺進行對比，研究了遠程協(xié)同試驗系統(tǒng)的主要組成部分——網(wǎng)絡協(xié)議、試驗設備與

3、控制系統(tǒng)和計算分析系統(tǒng)，以及各部分的集成方法與技術。在此基礎上，研究本文遠程試驗系統(tǒng)的建立方法。利用以湖南大學為首的研究團隊開發(fā)的網(wǎng)絡協(xié)議——NetSLab(Networked Structural Laboratories)，進行了多次不同網(wǎng)絡環(huán)境下的虛擬試驗和遠程分布式網(wǎng)上公開試驗。試驗結果表明，NetSLab網(wǎng)絡協(xié)議可以在互聯(lián)網(wǎng)上順暢通訊，為遠程協(xié)同試驗系統(tǒng)提供了網(wǎng)絡功能支持。
　　2.針對土木工程試驗中廣泛應用的MTS系統(tǒng)

4、，研究了遠程協(xié)同試驗系統(tǒng)中的試驗設備與控制系統(tǒng)?；贛TS793系列控制軟件以及FlexTest GT控制系統(tǒng)等軟件、硬件資源，研究了兩種擬動力試驗方法與技術。
　　建立了基于計算命令控制的擬動力試驗系統(tǒng)，通過鋼構件的擬動力試驗來驗證了試驗系統(tǒng)的可行性。研究結果表明，基于計算命令控制的試驗系統(tǒng)可以實現(xiàn)實時試驗，為速度相關型構件模型提供了一個很好的抗震試驗研究平臺。
　　為了建立對任何試驗設備控制系統(tǒng)均適用的擬動力試驗系統(tǒng)，提

5、出了外部命令控制方法，建立了 Visual C++和MATLAB混合編程控制的擬動力試驗系統(tǒng)，進行了砌體結構足尺模型的三自由度結構擬動力試驗和六自由度結構的子結構擬動力試驗。研究結果表明，外部命令控制方法的硬件連接只與試驗設備控制系統(tǒng)的輸入、輸出通道有關，編程控制也與控制軟件無關，與計算命令控制等擬動力試驗方法相比，其應用不依賴于任何控制系統(tǒng)，具有通用性；試驗系統(tǒng)結合了 Visual C++開發(fā)功能強大和MATLAB科學計算編程靈活的優(yōu)

6、點，Visual C++開發(fā)的控制程序能夠有效、準確地使多個作動器同時加載而不互相藕聯(lián)，MATLAB程序使試驗的計算程序易于編譯和擴展。
　　這兩種方法均體現(xiàn)了一種數(shù)值模擬和物理試驗相結合的結構抗震混合試驗的思想。
　　3.為了集成網(wǎng)絡協(xié)議、試驗設備與控制系統(tǒng)和計算分析系統(tǒng)為一個整體，從而建立遠程協(xié)同試驗系統(tǒng)，應用提出的外部命令控制方法，以及基于ActiveX技術的程序控制方法，結合 NetSLab網(wǎng)絡協(xié)議提供的應用程序接口

7、，通過硬件連接和軟件編程方法，實現(xiàn)了各部分的集成，編制了適用于任何試驗設備控制系統(tǒng)的真實試驗機程序，并且研究了穩(wěn)定、準確地快速加載控制方法。
　　應用建立的試驗系統(tǒng)，對一根懸臂鋼柱進行了局域網(wǎng)協(xié)同擬動力試驗。為了進行快速試驗，試驗中研究了一種適合實時或快速擬動力試驗的數(shù)值積分方法——動量方程方法，結合顯式γ法求解隱式方程，得到了顯式位移表達式，同時提出了一種基于硬件控制的外部位移控制方法。研究結果表明，試驗系統(tǒng)實現(xiàn)了各部分的集成工

8、作和協(xié)同控制要求，可以作為一個基礎試驗平臺向互聯(lián)網(wǎng)擴展，同時驗證了數(shù)值積分方法的有效性。試驗過程表明，雖然外部位移控制方法存在危險性，對試驗控制系統(tǒng)的硬件提出了更高的要求，但是可以找到合適的PID控制參數(shù)來保證作動器的快速響應，因此為快速擬動力試驗研究提供了一種很好的控制方法。
　　4.設計和制作了遠程協(xié)同試驗的鋼筋混凝土橋梁短柱模型。對未約束柱和三層CFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastic)強約束

9、柱進行了擬靜力試驗。將兩端為固定端的CFRP約束柱模型假設為一單自由度體系，應用集成的遠程協(xié)同試驗系統(tǒng)進行了彈性、塑性局部破壞以及局部破壞后這三個階段的局域網(wǎng)協(xié)同擬動力試驗。研究結果表明，短柱模型的假設合理；其在產生塑性變形、局部破壞后，在一定位移范圍內，仍然具有穩(wěn)定的二階退化剛度，此時剛度值降為未破壞時的1/3，與擬靜力試驗結果一致，進一步驗證了模型的設計，并為遠程協(xié)同試驗提供了恢復力模型。同時也檢驗了遠程協(xié)同試驗系統(tǒng)。
　　5

10、.進行了以湖南大學為首，哈爾濱工業(yè)大學、清華大學和和美國南加利福尼亞大學合作的國內首個遠程協(xié)同結構擬動力試驗。研究了試驗模型、試驗設備與控制系統(tǒng)、網(wǎng)絡化試驗系統(tǒng)的集成以及協(xié)同試驗過程等關鍵技術問題。試驗以美國南加利福尼亞州的Russion River多跨橋梁為原型，將每個橋墩柱劃分為子結構，在湖南大學和哈爾濱工業(yè)大學實驗室應用不同的試驗設備來模擬不同的試驗邊界條件，并且應用兩種方法完成網(wǎng)絡協(xié)議和試驗設備控制系統(tǒng)的通訊，在其它實驗室進行子