2016, Vol. 48
中南林业科技大学 土木工程与力学学院，长沙 410004
School of Civil Engineering and Mechanics,Central South University of Forestry and Technology,Changsha 410004，China
早在1969年日本M. Hakuno等提出了拟动力试验方法[1]. 随着拟动力试验技术的迅速发展，该技术被大量应用在各种大型复杂结构的地震响应研究中，如：高层建筑结构、大跨桥梁结构、大型地下空间等各种领域. 目前，有限元化的子结构拟动力试验是当今拟动力试验技术发展的一个重要方向，它具有建模方便和分析能力强的优势. 为了推动拟动力试验的研究与应用，国内外学者开发了多种试验平台. 在国外，加州大学伯克利分校Stephen A． Mahin 等与MTS 公司合作，建立了混合试验平台OpenFresco[2]. 伊利诺斯大学Spencer B． F．等开发了UI-SimCor平台，利用独特的加载边界条件模拟展开了一系列混合试验[3]. 在国内，邱法维等基于MTS 的VC + + 库开发了拟动力实验软件TUT，进行了考虑扭转效应的子结构拟动力试验研究[4]. Wang T等利用分布式混合试验平台展开了一系列不同试验类型的研究[5]. 王瑾等通过不同软件的对比分析，发现OpenSEES 更适合用于分析混合试验的数值子结构[6]. 王强等使用OpenFresco 成功实现了OpenSEES 有限元软件与MTS 之间的数据传递[7]. 吴斌等对大型工程结构进行了远程协同混合试验和实时子结构试验数值仿真研究[8-9]. 许国山等建立OpenFresco-LabVIEW-dSpace的混合试验平台，并对框架结构进行了验证性的试验[10]. 蔡新江等建立MTS-OpenFresco-MATLAB的试验系统，并进行了相关的验证试验[11]. 文献[12-13]基于网络化结构实验室NetSLab，建立了通用的建筑结构远程协同子结构拟动力试验平台NetSLabOSR. NetSLabOSR利用通用有限元程序OpenSEES进行被试验结构的有限元建模和地震响应时程分析，因此可以进行OpenSEES所能分析的各种类型结构的试验，具有较强的通用性. 采用计算机专业人员开发的网络通讯平台，网络通讯稳定. 目前与试验设备控制程序的连接还只限于邦威机电控制工程有限公司的电液伺服试验系统.
NetSLabOSR与OpenFresco、Hytest、TUT等软件都属于目前常用的混合试验平台，各有优势. NetSLabOSR是一个能进行多种类型结构拟动力试验的系统，能实现与加载设备的迅速、有效连接，能实时观察整个试验的过程，推进了混合试验的研究与应用.
1 NetSLabOSR试验平台的系统构架混合试验平台NetSLabOSR分3大模块：试验总控制中心ControlCtrOSR，试验站点控制程序Tester，设备控制程序ControlEqDAQ. 由ControlCtrOSR进行试验子结构的数值模拟，并实现试验指令参数在各个模块之间的传输、反馈. 再经过子结构拟动力试验装备，进行真实子结构的试验加载，并将试验反馈数据发送给上一级的控制中心，子结构拟动力试验的试验系统构架如图 1所示. 其中，NetSLabOSR的通讯连接，是通过NetSLab通讯和Com通讯两种方式来实现的，在ControlCtrOSR与Tester之间采用NetSLab通讯控制连接，在Tester和ControlEqDAQ之间采用Com通讯控制连接[14].
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图 1 NetSLabOSR试验平台的系统构架 Figure 1 System architecture of NetSLabOSR test platform |
ControlCtrOSR是试验平台NetSLabOSR的核心，负责组织、控制整个试验进程，连接OpenSEES进行整体结构有限元分析. 从OpenSEES接收加载指令，然后通过NetSLab将加载指令发送给异地实验室的Tester. 同时ControlCtrOSR接收Tester发来的反馈值，再将其反馈给OpenSEES，由OpenSEES进行下一步有限元计算. 在接收到OpenSEES发来的加载指令后，ControlCtrOSR还需要根据相似比、加载设计和边界条件控制等要求，对加载指令进行转换，在接收到所有Tester的反馈后，也需要将反馈转换后发回给OpenSEES进行下一步计算. 在程序监控栏可以实时观察加载指令和反馈的数值变化.
Tester程序模块通过NetSLab接收ControlCtrOSR发来的加载指令，将指令发送给ControlEqDAQ，然后从后者采集反馈位移和反馈力，根据试验的判断准则结束一个试验步，再将反馈位移和力发回给ControlCtrOSR. 进行子结构拟动力试验时，需完成各个Tester与ControlCtrOSR的通讯连接，填写ControlCtrOSR程序所在计算机的网络地址ControlCtr IP和端口号ControlCtr Port，以及本程序用于通讯的端口号Tester Port. 该程序通过串口连接方式与试验作动器控制系统连接，进行真实拟动力试验；Tester所需执行的任务主要如下：与下一级ControlEqDAQ进行连接，接收到来自ControlctrOSR发送的加载指令，即将其他给ControlEqDAQ进行加载. 然后Tester按一定的时间间隔从通道读取ControlEqDAQ实时监测的力和位移值，并判断是否可以结束本试验步，如满足试验步结束准则，Tester将反馈力和位移发送给ControlCtrOSR，再等待下一步的试验加载指令.
ControlEqDAQ系统属于NetSLabOSR的第3个模块，这里以邦威试验设备控制程序为例介绍其功能，其程序运行界面如图 2所示. ControlEqDAQ完成整个真实子结构的试验加载过程，并将试验设备量测得的试验数据反馈给上一级的Tester. 同时，ControlEqDAQ直接与试验加载设备连接在一起，对作动器的控制回路进行合理调整，以提供精确的加载指令控制，避免试验反馈的滞后并保证试验的实时性. ControlEqDAQ所需执行的任务主要如下：读取来自Tester的加载指令，并开始执行这些加载指令. 试验者可根据自己的需要进行多个串口设置(Port Com i)，在子结构拟动力试验过程中每隔一段时间就通过串口读取各个通道的试验加载值，然后将试验量测数据写入各个通道.
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图 2 邦威试验设备控制程序界面 Figure 2 Interface of test device control program with Bonwe |
设计了带屈曲耗能支撑的10层三跨的钢管混凝土柱-钢梁结构，利用试验平台进行子结构拟动力试验. 钢管混凝土柱脚与基础、梁柱节点均为刚接，并在组合框架每一层的两边都布置防屈曲耗能支撑，拟动力试验子结构的选取如图 3所示. 在子结构拟动力试验过程中，液压伺服作动器力、位移的试验量程分别为±1 000 kN和300 mm，在接受到加载指令之后，作动器以30 mm/s的加载速度进行位移加载. 为了及时获得、收集试验信息，每隔200 ms进行子结构拟动力试验的数据读取.
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图 3 子结构拟动力试验子结构的选取 Figure 3 Substructure selection of substructure pseudo dynamic test |
在混合试验中，控制中心和试验机之间的通讯建立、启动试验的过程，自编程序平台的试验程序流程如图 4所示.
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图 4 混合试验自编程序平台的试验流 Figure 4 Test procedure of adopting self compilation software platform with mixing test |
按9度设防输入1940年Imperial Valley(EI Centro Array 09台站)的地震波，在多遇烈度水准(FOE)、基本设计烈度水准(DBE)、罕遇烈度水准(MCE)3种不同地震水准工况下，子结构拟动力试验结果见图 5、6和表 1、2，其中u为位移，V为剪力，楼层层号用n表示[15].
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图 5 DBE工况下子结构拟动力试验与数值模拟的支撑剪力包络图 Figure 5 Brace shear envelope diagram of substructure pseudo dynamic test and numerical simulation under DBE case |
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图 6 MCE工况下子结构拟动力试验与数值模拟的支撑剪力包络图 Figure 6 Brace shear envelope diagram of substructure pseudo dynamic test and numerical simulation under MCE case |
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表 1 DBE工况下子结构拟动力试验与数值模拟最大支撑剪力值的误差对比 Table 1 Error comparison of maximum brace shear of substructure pseudo dynamic test and numerical simulation under DBE case |
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表 2 MCE工况下子结构拟动力试验与数值模拟最大支撑剪力值的误差对比 Table 2 Error comparison of maximum brace shear of substructure pseudo dynamic test and numerical simulation under MCE case |
在FOE工况下，防屈曲耗能支撑钢管混凝土柱-钢梁组合框架的主体框架与支撑均保持在弹性范围，未出现塑性变形. 此时，地震作用较小，组合框架的楼层剪力不大，整体结构没有进入非线性，支撑还没开始展现出减震耗能的特性；在DBE工况下，从子结构拟动力试验与数值模拟的支撑剪力比对，见图 5、表 1,可以看出，组合框架结构底层支撑最大正剪力值的误差为0.926%，最大负剪力值的误差为-11.885%，其余各层的最大剪力误差绝对值均控制在10%左右. 子结构拟动力试验与数值模拟的支撑剪力包络图形状和走势相同，结果基本吻合. 在MCE工况下，从子结构拟动力试验与数值模拟的支撑剪力比对,见图 6、表 2,可以看出，组合框架底层支撑最大正剪力值的误差为5.1%，最大负剪力值的误差为-4.116%，各层的最大剪力值误差均控制在6%左右，子结构拟动力试验的试验拟合效果较好.
2.2 试验验证例子2:基于OpenSEES软件的试验平台以OpenSEES为核心有限元计算程序的NetSLabOSR的试验程序流程如图 7所示.
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图 7 采用OpenSEES软件平台的试验流程 Figure 7 Test procedure of adopting OpenSEES software platform |
将试验平台应用于一个空间的3层三跨钢管混凝土柱-钢梁组合框架的子结构拟动力试验. 空间组合框架试验子结构的选取如图 8所示[16].
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图 8 空间组合框架试验子结构的选取(mm) Figure 8 Test substructure selection of spatial composite frame(mm) |
子结构拟动力试验的试验结果如图 9、10所示. NetSLabOSR试验平台的操作稳定、有效，且数据流通性好，能真实反映出组合框架在地震作用下的力学性能与响应特征.
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图 9 底层柱剪力时程和柱顶位移时程对比曲线 Figure 9 Comparison curve of shear time history of first storey column and drift time history with column top |
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图 10 底层柱的剪力-位移对比曲线 Figure 10 Shear drift comparison curve of first storey column |
从图 9、10可以看出，试验组合框架底层柱子结构拟动力试验和数值整体分析的结果拟合比较好，子结构拟动力试验底层柱顶剪力的最大值为61.747 kN，数值模拟底层柱顶剪力的最大值为62.767 kN，两者比对的误差为-1.652%. 子结构拟动力试验底层柱顶位移的最大值为8.289 mm，数值模拟底层柱顶位移的最大值为8.120 mm，两者比对的误差为2.039%.
3 结 论1) 结合分布式拟动力试验的要求，构建了基于服务器-客户端概念的NetSLabOSR试验平台. 试验程序模块ControlCtrOSR、Tester和ControlEqDAQ之间，通过NetSLab通讯和Com通讯机制的连接方式，来实现子结构拟动力试验试验数据之间的快速传递、反馈，完成对组合框架结构的地震响应模拟.
2) 采用基于NetSLab程序自编的NetSLabOSR试验平台，对10层三跨带防屈曲支撑的方钢管混凝土柱—H形钢梁平面框架进行了地震响应的试验模拟. 在拟动力真实试验中，子结构拟动力试验与数值模拟支撑剪力的包络图形状、走势基本相同，防屈曲耗能支撑承担了组合框架的大部分剪力，展现出较好的耗能减震效果，NetSLabOSR试验平台在子结构试验全过程中也体现出良好的通信效率.
3) 采用基于OpenSEES软件的NetSLabOSR试验平台，对3层三跨钢管混凝土柱-钢梁空间框架进行子结构拟动力试验. NetSLabOSR各试验模块之间的通信连接界限兼容，试验过程稳定、安全，未出现试验程序的故障和中断的情况. NetSLabOSR与OpenSEES软件之间的指令提取和反馈设计合理，能实现复杂结构的子结构拟动力试验，大大降低了试验平台开发的编程工作量，也验证了NetSLabOSR的有效性与稳定性.
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