一种地基土非线性影响的振动台子结构试验方法技术

本发明专利技术公开一种地基土非线性影响的振动台子结构试验方法，包括：采用分支模态子结构法与混合约束模态子结构相结合的方法简洁清楚推出整体体系的运动方程，将耦合项荷载移动到方程右边变换得到适用于振动台子结构试验的运动方程；该试验方法将上部结构作为试验子结构，将局部非线性地基土作为数值子结构模拟非线性地基土影响，其中试验子结构由振动台加载控制，数值子结构由仿真软件编程模拟，试验子结构与数值子结构之间每一步进行实时数据交换直到试验结束为止；本发明专利技术能够保证非线性地基土模型计算精度的前提下高效完成振动台子结构试验，真实可靠反应非线性地基土对上部结构抗震性能的影响。

【技术实现步骤摘要】
一种地基土非线性影响的振动台子结构试验方法
本专利技术涉及一种地基土非线性影响的振动台子结构试验方法，属于结构工程试验

技术介绍
传统结构设计理论通常不考虑地基土的影响将基础视作刚性的，而实际上地基柔性的存在削弱了结构体系的整体刚度，进而改变结构的动力反应，因此有必要研究考虑地基土-结构动力相互作用对结构抗震性能的影响。若地基土用土箱模拟，一方面较难模拟地基土的边界条件另一方面由于试验条件限制，无法实现大比例足尺试验，而且试验难度高，代价高昂，所以亟需一种更有效的试验方法进行非线性地基土-结构体系试验。振动台子结构试验技术发展为这种大型复杂试验提供了实现的途径，将地基土作为数值子结构，上部结构作为试验子结构，但由于该试验实时性的要求，数值子结构通常选择简化分析模型。当强烈地震作用时，地基土将进入非线性状态，简化的分析模型无法准确的代表地基土真实的反应，而复杂的有限元模型又无法完成实时子结构试验，此外振动台子结构试验公式推导过程过于繁琐，或者以简单的模型进行推导，推导方法缺乏普适性。
技术实现思路
本专利技术目的是克服现有技术的上述不足，提出一种地基土非线性影响的振动台子结构试验方法；该方法是将非线性地基土-结构体系划分为结构与局部非线性地基土两部分，其中结构作为试验子结构由振动台加载控制，局部非线性地基土作为数值子结构由仿真软件模拟计算，是一种能够反应地基土非线性特性对上部结构抗震性能影响的试验方法。本专利技术包括以下步骤：一种地基土非线性影响的振动台子结构试验方法,其特征在于：包括以下步骤：步骤1：振动台将结构受到的外荷载与耦合项荷载以加速度信号方式输入给试验子结构；步骤2：根据结构测试的振动台响应计算传递给局部非线性地基土的耦合项荷载；步骤3：构建局部非线性地基土模型并根据所受的耦合项荷载与外荷载进行地震反应计算；步骤4：根据局部非线性地基土的地震反应结果计算传递给结构的耦合项荷载；步骤5：判断试验时间t≤Δt×N时，Δt表示地震动时间间隔，N表示地震动点数，返回(1)继续下一个循环，直到试验结束为止。所述步骤1具体为，上部结构作为试验子结构按照整体运动方程经变换后公式(9)进行加载控制，其中ms、cs、ks和fs表示分支s中结构的质量矩阵、阻尼矩阵、刚度矩阵和荷载矩阵，Ri、Rb表示结构对应非线性地基土子结构β内部自由度和边界自由度的产生的刚体模态，qs分别表示结构的加速度、速度和位移，分别表示非线性地基土子结构β的内部自由度和边界自由度对应的加速度；该式中将耦合项msRi与msRb相关荷载移动到方程的右边以荷载项的形式出现，从而考虑局部非线性地基土对结构的地震反应影响。所述步骤3具体为，将非线性地基土模型中易于进入非线性状态的划分为非线性地基土子结构β，其余部分划分为线性地基土子结构α；线性地基土子结构α采用约束模态综合法进行自由度缩减，非线性地基土子结构α保留完整计算模型，两者之间坐标综合后形成局部非线性地基土模型，在保证计算精度前提下满足振动台子结构试验实时性的要求。所述的局部非线性地基土作为数值子结构按照整体运动方程经变换后的公式(10)计算：其中表示表示非线性地基土子结构β的按内部自由度和边界自由度分块后的质量矩阵，同时非线性地基土子结构β的阻尼矩阵、刚度矩阵、荷载矩阵分块表示方法与其质量矩阵表示方法类似；分别表示非线性地基土子结构β的内部自由度和边界自由度对应的速度，qiβ、qbβ分别表示非线性地基土子结构β的内部自由度和边界自由度对应的位移；按照线性地基土子结构α按内部自由度与边界自由度分块经坐标变换后的质量矩阵，同时线性地基土子结构α的阻尼矩阵、刚度矩阵、荷载矩阵分块表示方法与其质量矩阵表示方法类似；表示线性地基土子结构α内部自由度加速度，表示线性地基土子结构α内部自由度模态速度，表示线性地基土子结构α内部自由度模态位移坐标；将耦合项RiTms与RbTms相关荷载移动到方程的右边以荷载项的形式出现，从而考虑结构对局部非线性地基土的地震反应影响。所述的局部非线性地基土模型需将直接积分方法与Newton-Raphson迭代方法相结合的方法进行局部非线性地基土模型地震反应计算求解，并将其植入到Simulink的EmbeddedMATLABfunction模块中运行，该方法为非线性数值子结构计算提供一种切实有效的途径。有益效果与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：一是简单清晰推导出的非线性地基土-结构体系的运动方程中仅质量矩阵是耦合的，并将耦合项相关荷载移动方程的右边以荷载项的形式出现，经变换得到了适用于振动台子结构试验的计算方程；二是引入局部非线性地基土模型作为数值子结构在保证计算效率的前提下准确模拟非线性地基土的影响，满足振动台子结构试验实时性要求。这样既符合科学研究精细化建模要求，也适合在实际试验中推广应用。附图说明图1非线性地基土-结构体系运动方程推导示意图。图2非线性地基土-结构体系振动台子结构试验流程图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作出详细说明：如图1所示的非线性地基土-结构体系运动方程推导示意图，先按照分支模态子结构法推导非线性地基土子结构β-结构的运动方程，图1.(b)分支d：非线性地基土子结构β上刚性结构体系与图1.(c)分支s：刚性地基土子结构β上变形结构体系，以便得到结构与非线性地基土子结构β的耦合项。(1)将非线性地基土-结构体系划分成结构与地基土两部分，其中地基土部分由线性地基土子结构α与非线性地基土子结构β两种类型子结构组成。(2)由于强震作用下结构体系与非线性地基土子结构β均需考虑非线性因素影响，故保留结构体系与非线性地基土子结构β完整的计算矩阵。结构体系的位移us由两部分组成，一是图1.(b)中非线性地基土子结构β位移qβ引起结构体系的刚体位移，二是图1.(c)中结构体系本身的位移qs，如式(1)所示。{us}＝[R]{qβ}+{qs}(1)其中结构刚体模态R可由分支d中非线性地基土子结构β变形产生的结构体系刚体位移求得。现给出结构体系的位移us和非线性地基土子结构β位移uβ的关系并写成矩阵式如式(2)所示，I表示单位矩阵。按分支模态子结构法惯性耦合的原理，整理可得到非线性地基土子结构β-结构体系的整体运动方程如式(3)所示，其中只有质量矩阵存在耦合项，而刚度与阻尼矩阵均是解耦的。其中ms、cs、ks和fs表示分支s中结构的质量矩阵、阻尼矩阵、刚度矩阵和荷载矩阵。mβ、cβ、kβ和fβ表示分支d中非线性地基土子结构β的质量矩阵、阻尼矩阵、刚度矩阵和荷载矩阵。qs分别表示结构的加速度、速度和位移，qβ分别表示非线性地基土子结构β的加速度、速度和位移。上式非线性地基土子结构β的计算矩阵按照内部自由度i和边界自由度b重新分块后的运动方程如式(4)所示，分别表示非线性地基土子结构β的内部自由度和边界自由度对应的加速度，分别表示非线性地基土子结构β的内部自由度和边界自由度对应的速度，qiβ、qbβ分别表示非线性地基土子结构β的内部自由度和边界自由度对应的位移，Ri、Rb表示结构对应非线性地基土子结构β内部自由度和边界自由度的产生的刚体模态。表示表示非线性地基土子结构β的按内部自由度和边界自由度分块后的质量矩阵，同时非线性地基土子结构β的阻尼矩阵、刚度矩本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种地基土非线性影响的振动台子结构试验方法,其特征在于：包括以下步骤：步骤1：振动台将结构受到的外荷载与耦合项荷载以加速度信号方式输入给试验子结构；步骤2：根据结构测试的振动台响应计算传递给局部非线性地基土的耦合项荷载；步骤3：构建局部非线性地基土模型并根据所受的耦合项荷载与外荷载进行地震反应计算；步骤4：根据局部非线性地基土的地震反应结果计算传递给结构的耦合项荷载；步骤5：判断试验时间t≤Δt×N时，Δt表示地震动时间间隔，N表示地震动点数，返回(1)继续下一个循环，直到试验结束为止。

【技术特征摘要】
1.一种地基土非线性影响的振动台子结构试验方法,其特征在于：包括以下步骤：步骤1：振动台将结构受到的外荷载与耦合项荷载以加速度信号方式输入给试验子结构；步骤2：根据结构测试的振动台响应计算传递给局部非线性地基土的耦合项荷载；步骤3：构建局部非线性地基土模型并根据所受的耦合项荷载与外荷载进行地震反应计算；步骤4：根据局部非线性地基土的地震反应结果计算传递给结构的耦合项荷载；步骤5：判断试验时间t≤Δt×N时，Δt表示地震动时间间隔，N表示地震动点数，返回(1)继续下一个循环，直到试验结束为止。2.根据权利要求1所述的一种地基土非线性影响的振动台子结构试验方法，其特征在于：所述步骤1具体为，上部结构作为试验子结构按照整体运动方程经变换后公式(9)进行加载控制，其中ms、cs、ks和fs表示分支s中结构的质量矩阵、阻尼矩阵、刚度矩阵和荷载矩阵，Ri、Rb表示结构对应非线性地基土子结构β内部自由度和边界自由度的产生的刚体模态，qs分别表示结构的加速度、速度和位移，分别表示非线性地基土子结构β的内部自由度和边界自由度对应的加速度；该式中将耦合项msRi与msRb相关荷载移动到方程的右边以荷载项的形式出现，从而考虑局部非线性地基土对结构的地震反应影响。3.根据权利要求1所述的一种地基土非线性影响的振动台子结构试验方法，其特征在于：所述步骤3具体为，将非线性地基土模型中易于进入非线性状态的划分为非线性地基土子结构β，其余部分划分为线性地基土子结构α；线性地基土子结构α采用约束模态综合法进行自由度缩减，非线性地基土子结构α保留...

【专利技术属性】
技术研发人员：姜南，张崇祥，罗兰芳，何涛，姜忻良，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津,12