子結構擬動力試驗平臺NetSLabOSR開發與試驗應用

黃民元， 郭玉榮

(1.湖南大學 土木工程學院，長沙 410082；2.中南林業科技大學 土木工程與力學學院，長沙 410004)

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子結構擬動力試驗平臺NetSLabOSR開發與試驗應用

黃民元1,2， 郭玉榮1

(1.湖南大學 土木工程學院，長沙 410082；2.中南林業科技大學 土木工程與力學學院，長沙 410004)

為推進擬動力試驗方法的研究與應用，開發了子結構擬動力混合試驗平臺NetSLabOSR，可用于結構工程體系抗震性能的評估. NetSLabOSR試驗平臺包括3個模塊：ControlCtrOSR，Tester和ControlEqDAQ. 通過動態數據鏈接庫開發的ActiveX控件方式實現各主模塊與試驗設備系統的連接，完成子結構擬動力試驗試驗數據之間的傳遞、轉換. 利用NetSLabOSR試驗平臺對子結構取倒V型防屈曲耗能支撐和鋼管混凝土底柱的試驗模型，進行子結構擬動力試驗研究，試驗結果驗證了NetSLabOSR試驗平臺的可靠性和穩定性.

擬動力試驗；子結構；試驗平臺；抗震性能；可靠性；穩定性

早在1969年日本M. Hakuno等提出了擬動力試驗方法[1]. 隨著擬動力試驗技術的迅速發展，該技術被大量應用在各種大型復雜結構的地震響應研究中，如：高層建筑結構、大跨橋梁結構、大型地下空間等各種領域. 目前，有限元化的子結構擬動力試驗是當今擬動力試驗技術發展的一個重要方向，它具有建模方便和分析能力強的優勢. 為了推動擬動力試驗的研究與應用，國內外學者開發了多種試驗平臺. 在國外，加州大學伯克利分校Stephen A． Mahin 等與MTS 公司合作，建立了混合試驗平臺OpenFresco[2]. 伊利諾斯大學Spencer B． F．等開發了UI-SimCor平臺，利用獨特的加載邊界條件模擬展開了一系列混合試驗[3]. 在國內，邱法維等基于MTS 的VC + + 庫開發了擬動力實驗軟件TUT，進行了考慮扭轉效應的子結構擬動力試驗研究[4]. Wang T等利用分布式混合試驗平臺展開了一系列不同試驗類型的研究[5]. 王瑾等通過不同軟件的對比分析，發現OpenSEES 更適合用于分析混合試驗的數值子結構[6]. 王強等使用OpenFresco 成功實現了OpenSEES 有限元軟件與MTS 之間的數據傳遞[7]. 吳斌等對大型工程結構進行了遠程協同混合試驗和實時子結構試驗數值仿真研究[8-9]. 許國山等建立OpenFresco-LabVIEW-dSpace的混合試驗平臺，并對框架結構進行了驗證性的試驗[10]. 蔡新江等建立MTS-OpenFresco-MATLAB的試驗系統，并進行了相關的驗證試驗[11]. 文獻[12-13]基于網絡化結構實驗室NetSLab，建立了通用的建筑結構遠程協同子結構擬動力試驗平臺NetSLabOSR. NetSLabOSR利用通用有限元程序OpenSEES進行被試驗結構的有限元建模和地震響應時程分析，因此可以進行OpenSEES所能分析的各種類型結構的試驗，具有較強的通用性. 采用計算機專業人員開發的網絡通訊平臺，網絡通訊穩定. 目前與試驗設備控制程序的連接還只限于邦威機電控制工程有限公司的電液伺服試驗系統.

NetSLabOSR與OpenFresco、Hytest、TUT等軟件都屬于目前常用的混合試驗平臺，各有優勢. NetSLabOSR是一個能進行多種類型結構擬動力試驗的系統，能實現與加載設備的迅速、有效連接，能實時觀察整個試驗的過程，推進了混合試驗的研究與應用.

1　NetSLabOSR試驗平臺的系統構架

混合試驗平臺NetSLabOSR分3大模塊：試驗總控制中心ControlCtrOSR，試驗站點控制程序Tester，設備控制程序ControlEqDAQ. 由ControlCtrOSR進行試驗子結構的數值模擬，并實現試驗指令參數在各個模塊之間的傳輸、反饋. 再經過子結構擬動力試驗裝備，進行真實子結構的試驗加載，并將試驗反饋數據發送給上一級的控制中心，子結構擬動力試驗的試驗系統構架如圖1所示. 其中，NetSLabOSR的通訊連接，是通過NetSLab通訊和Com通訊兩種方式來實現的，在ControlCtrOSR與Tester之間采用NetSLab通訊控制連接，在Tester和ControlEqDAQ之間采用Com通訊控制連接[14].

ControlCtrOSR是試驗平臺NetSLabOSR的核心，負責組織、控制整個試驗進程，連接OpenSEES進行整體結構有限元分析. 從OpenSEES接收加載指令，然后通過NetSLab將加載指令發送給異地實驗室的Tester. 同時ControlCtrOSR接收Tester發來的反饋值，再將其反饋給OpenSEES，由OpenSEES進行下一步有限元計算. 在接收到OpenSEES發來的加載指令后，ControlCtrOSR還需要根據相似比、加載設計和邊界條件控制等要求，對加載指令進行轉換，在接收到所有Tester的反饋后，也需要將反饋轉換后發回給OpenSEES進行下一步計算. 在程序監控欄可以實時觀察加載指令和反饋的數值變化.

圖1　NetSLabOSR試驗平臺的系統構架

Tester程序模塊通過NetSLab接收ControlCtrOSR發來的加載指令，將指令發送給ControlEqDAQ，然后從后者采集反饋位移和反饋力，根據試驗的判斷準則結束一個試驗步，再將反饋位移和力發回給ControlCtrOSR. 進行子結構擬動力試驗時，需完成各個Tester與ControlCtrOSR的通訊連接，填寫ControlCtrOSR程序所在計算機的網絡地址ControlCtr IP和端口號ControlCtr Port，以及本程序用于通訊的端口號Tester Port. 該程序通過串口連接方式與試驗作動器控制系統連接，進行真實擬動力試驗；Tester所需執行的任務主要如下：與下一級ControlEqDAQ進行連接，接收到來自ControlctrOSR發送的加載指令，即將其他給ControlEqDAQ進行加載. 然后Tester按一定的時間間隔從通道讀取ControlEqDAQ實時監測的力和位移值，并判斷是否可以結束本試驗步，如滿足試驗步結束準則，Tester將反饋力和位移發送給ControlCtrOSR，再等待下一步的試驗加載指令.

ControlEqDAQ系統屬于NetSLabOSR的第3個模塊，這里以邦威試驗設備控制程序為例介紹其功能，其程序運行界面如圖2所示. ControlEqDAQ完成整個真實子結構的試驗加載過程，并將試驗設備量測得的試驗數據反饋給上一級的Tester. 同時，ControlEqDAQ直接與試驗加載設備連接在一起，對作動器的控制回路進行合理調整，以提供精確的加載指令控制，避免試驗反饋的滯后并保證試驗的實時性. ControlEqDAQ所需執行的任務主要如下：讀取來自Tester的加載指令，并開始執行這些加載指令. 試驗者可根據自己的需要進行多個串口設置(Port Com i)，在子結構擬動力試驗過程中每隔一段時間就通過串口讀取各個通道的試驗加載值，然后將試驗量測數據寫入各個通道.

圖2　邦威試驗設備控制程序界面

2　子結構擬動力試驗驗證

2.1試驗驗證例子1:基于NetSLab程序自編的試驗平臺

設計了帶屈曲耗能支撐的10層三跨的鋼管混凝土柱-鋼梁結構，利用試驗平臺進行子結構擬動力試驗. 鋼管混凝土柱腳與基礎、梁柱節點均為剛接，并在組合框架每一層的兩邊都布置防屈曲耗能支撐，擬動力試驗子結構的選取如圖3所示.

在子結構擬動力試驗過程中，液壓伺服作動器力、位移的試驗量程分別為±1 000 kN和300 mm，在接受到加載指令之后，作動器以30 mm/s的加載速度進行位移加載. 為了及時獲得、收集試驗信息，每隔200 ms進行子結構擬動力試驗的數據讀取.

在混合試驗中，控制中心和試驗機之間的通訊建立、啟動試驗的過程，自編程序平臺的試驗程序流程如圖4所示.

按9度設防輸入1940年Imperial Valley(EI Centro Array 09臺站)的地震波，在多遇烈度水準(FOE)、基本設計烈度水準(DBE)、罕遇烈度水準(MCE)3種不同地震水準工況下，子結構擬動力試驗結果見圖5、6和表1、2，其中u為位移，V為剪力，樓層層號用n表示[15].

圖3　子結構擬動力試驗子結構的選取

Fig.3Substructure selection of substructure pseudo dynamic test

圖4　混合試驗自編程序平臺的試驗流程

Fig.4Test procedure of adopting self compilation software platform with mixing test

在FOE工況下，防屈曲耗能支撐鋼管混凝土柱-鋼梁組合框架的主體框架與支撐均保持在彈性范圍，未出現塑性變形. 此時，地震作用較小，組合框架的樓層剪力不大，整體結構沒有進入非線性，支撐還沒開始展現出減震耗能的特性；在DBE工況下，從子結構擬動力試驗與數值模擬的支撐剪力比對，見圖5、表1,可以看出，組合框架結構底層支撐最大正剪力值的誤差為0.926%，最大負剪力值的誤差為-11.885%，其余各層的最大剪力誤差絕對值均控制在10%左右. 子結構擬動力試驗與數值模擬的支撐剪力包絡圖形狀和走勢相同，結果基本吻合. 在MCE工況下，從子結構擬動力試驗與數值模擬的支撐剪力比對,見圖6、表2,可以看出，組合框架底層支撐最大正剪力值的誤差為5.1%，最大負剪力值的誤差為-4.116%，各層的最大剪力值誤差均控制在6%左右，子結構擬動力試驗的試驗擬合效果較好.

圖5DBE工況下子結構擬動力試驗與數值模擬的支撐剪力包絡圖

Fig.5Brace shear envelope diagram of substructure pseudo dynamic test and numerical simulation under DBE case

圖6MCE工況下子結構擬動力試驗與數值模擬的支撐剪力包絡圖

Fig.6Brace shear envelope diagram of substructure pseudo dynamic test and numerical simulation under MCE case

表1　DBE工況下子結構擬動力試驗與數值模擬最大支撐剪力值的誤差對比

表2　MCE工況下子結構擬動力試驗與數值模擬最大支撐剪力值的誤差對比

2.2試驗驗證例子2:基于OpenSEES軟件的試驗平臺

以OpenSEES為核心有限元計算程序的NetSLabOSR的試驗程序流程如圖7所示.

圖7　采用OpenSEES軟件平臺的試驗流程

Fig.7Test procedure of adopting OpenSEES software platform

將試驗平臺應用于一個空間的3層三跨鋼管混凝土柱-鋼梁組合框架的子結構擬動力試驗. 空間組合框架試驗子結構的選取如圖8所示[16].

圖8　空間組合框架試驗子結構的選取(mm)Fig.8　Test substructure selection of spatial composite frame(mm)

子結構擬動力試驗的試驗結果如圖9、10所示. NetSLabOSR試驗平臺的操作穩定、有效，且數據流通性好，能真實反映出組合框架在地震作用下的力學性能與響應特征.

從圖9、10可以看出，試驗組合框架底層柱子結構擬動力試驗和數值整體分析的結果擬合比較好，子結構擬動力試驗底層柱頂剪力的最大值為61.747 kN，數值模擬底層柱頂剪力的最大值為62.767 kN，兩者比對的誤差為-1.652%. 子結構擬動力試驗底層柱頂位移的最大值為8.289 mm，數值模擬底層柱頂位移的最大值為8.120 mm，兩者比對的誤差為2.039%.

(a)柱剪力時程

(b)柱頂位移時程

Fig.9Comparison curve of shear time history of first storey column and drift time history with column top

圖10　底層柱的剪力-位移對比曲線

3　結　論

1)結合分布式擬動力試驗的要求，構建了基于服務器-客戶端概念的NetSLabOSR試驗平臺. 試驗程序模塊ControlCtrOSR、Tester和ControlEqDAQ之間，通過NetSLab通訊和Com通訊機制的連接方式，來實現子結構擬動力試驗試驗數據之間的快速傳遞、反饋，完成對組合框架結構的地震響應模擬.

2)采用基于NetSLab程序自編的NetSLabOSR試驗平臺，對10層三跨帶防屈曲支撐的方鋼管混凝土柱—H形鋼梁平面框架進行了地震響應的試驗模擬. 在擬動力真實試驗中，子結構擬動力試驗與數值模擬支撐剪力的包絡圖形狀、走勢基本相同，防屈曲耗能支撐承擔了組合框架的大部分剪力，展現出較好的耗能減震效果，NetSLabOSR試驗平臺在子結構試驗全過程中也體現出良好的通信效率.

3)采用基于OpenSEES軟件的NetSLabOSR試驗平臺，對3層三跨鋼管混凝土柱-鋼梁空間框架進行子結構擬動力試驗. NetSLabOSR各試驗模塊之間的通信連接界限兼容，試驗過程穩定、安全，未出現試驗程序的故障和中斷的情況. NetSLabOSR與OpenSEES軟件之間的指令提取和反饋設計合理，能實現復雜結構的子結構擬動力試驗，大大降低了試驗平臺開發的編程工作量，也驗證了NetSLabOSR的有效性與穩定性.

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(編輯魏希柱)

Development and experimental application of substructure pseudo dynamic test platform NetSLabOSR

HUANG Minyuan1,2, GUO Yurong1

(1.College of Civil Engineering, Hunan University, Changsha 410082, China；2.School of Civil Engineering and Mechanics, Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004，China)

In order to promote research and application of pseudo dynamic test method, a substructure pseudo dynamic test platform NetSLabOSR for building structures is developed to evaluate the seismic performance of structure engineering system. NetSLabOSR test platform includes three modules: ControlCtrOSR, Tester, ControlEqDAQ. The ActiveX control method based on the dynamic data link library is developed to realize the connection between the main module and the test equipment system, and complete transmission and conversion of substructure test data. The substructure pseudo dynamic tests are carried out using the NetSLabOSR test platform, in which the buckling restrained brace with inverted v-shaped and the concrete filled steel tube column are taken as test substructures. Through the research of pseudo dynamic tests, the seismic performance of composite frame structures is studied and the reliability and stability of NetSLabOSR test system platform are verified by substructure pseudo dynamic test results.

pseudo dynamic test；substructure；test platform；seismic performance；reliability；stability

10.11918/j.issn.0367-6234.2016.09.016

2015-12-27

國家自然科學基金重大研究計劃集成項目(91315301-09);

郭玉榮，yurongguo@hnu.edu.cn

TU317

A

0367-6234(2016)09-0089-06

國家自然科學基金重大國際合作項目(51161120360);

湖南省重點學科建設項目 (2013ZDXK001)作者簡介: 黃民元(1976—)，男，副教授，博士研究生;

郭玉榮(1970—)，男，教授，博士生導師