超高強混凝土節點滯回性能數值模擬系統設計

曹菲菲

摘 ?要： 傳統的混凝土節點滯回性能數值模擬系統存在模擬時間長的問題，因此設計超高強混凝土節點滯回性能數值模擬系統，以解決傳統系統存在的問題。系統的硬件部分主要包括數據采集卡、微控制器板和輸入輸出卡，數據采集卡為系統提供數據采集功能，微控制器板為系統提供信號以及交換與檢測的功能，輸入輸出卡主要將采集到的模擬信號轉換為數字信號。系統軟件部分，首先引入損傷指標模擬超高強混凝土在拉壓往復荷載作用下的受力特點，然后建立超高強混凝土材料本構模型，分析混凝土材料本構關系，最后建立混凝土節點滯回性能評價指標，模擬混凝土節點在不同軸向力作用下的滯回性能，以此完成超高強混凝土節點滯回性能數值模擬。實驗對比結果表明，此次設計的超高強混凝土節點滯回性能數值模擬系統比傳統系統數值模擬時間短，具有一定的實際應用意義。

關鍵詞： 超高強混凝土; 滯回性能; 數值模擬; 系統設計; 信號傳輸; 對比驗證

中圖分類號： TN919?34; TU375 ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2020）12?0142?03

Abstract： As the traditional numerical simulation system of the hysteretic behavior of concrete joints has the problem of long simulation time， a design of numerical simulation system of the hysteretic behavior of super high?strength concrete joints is proposed to solve above problems. The hardware part of the system mainly includes data acquisition card， microcontroller board and I/O card. The data acquisition card provides data acquisition function for the system， the microcontroller board provides signals and the functions of switching and detecting， and the I/O card mainly converts the collected analog signal collected into the digital signal. In the software part of the system， the damage index is introduced to simulate the stress characteristics of super high?strength concrete under the action of tension compression and reciprocating load， and then the material constitutive model of super high?strength concrete is established to analyze the material constitutive relation of concrete. The hysteretic behavior evaluation index of concrete joint is established to simulate the hysteretic behavior of concrete joint under different axial forces， so as to complete the numerical simulation of hysteretic behavior of super high?strength concrete nodes. The experimental results show that， in comparison with the traditional system， the designed numerical simulation system of the hysteretic behavior of the super high?strength concrete joints has shorten numerical simulation time， and has a certain practical significance.

Keywords： super high strength concrete; hysteretic behavior; numerical simulation; system design; signal transmission; comparison validation

0 ?引 ?言

高強混凝土作為一種新的建筑材料，以其抗壓強度高、抗變形能力強、密度大、孔隙率低的優越性，在高層建筑結構、大跨度橋梁結構以及某些特種結構中得到了廣泛應用。目前，關于超高強混凝土抗震性能的研究較多，但在滯回性能數值模擬上的研究相對落后。滯回性能是指在反復作用下結構的荷載變形曲線，其能夠反映結構在反復受力過程中的變形特征、剛度退化及能量消耗，即滯回曲線的性能。因其影響因素較多，需要大量的實驗研究才能確定，但是受實驗條件、測量手段及時間經濟成本的限制，試驗提供的信息有限。同時，傳統的數值模擬系統存在模擬時間長的問題，因此研究一種超高強混凝土節點滯回性能數值模擬系統。

此次設計的系統硬件主要包括數據采集卡、微控制器板和輸入輸出卡，系統軟件部分主要引入損傷指標，模擬超高強混凝土在拉壓往復荷載作用下的受力特點，然后建立超高強混凝土材料本構模型，最后構建評價指標模擬混凝土節點在不同軸向力作用下的滯回性能，以此完成了超高強混凝土節點滯回性能數值模擬系統的設計。

1 ?超高強混凝土節點滯回性能數值模擬系統硬件設計

此次設計的超高強混凝土節點滯回性能數值模擬系統的硬件設計主要包括數據采集卡、微控制器板和輸入輸出卡。

1.1 ?數據采集卡設計

采用PXI?10024型號的數據采集卡[1]。該采集卡為8通道同步并行數據采集模塊，每個通道的最高采樣率可達100 KSPS，并配有最高128 MB的板載緩存以及32 KB FIFO，支持DMA實時數據傳輸;并具有PXI全兼容采集模塊，3U尺寸，即插即用，可多模塊同步擴展，每個通道獨立4個可程控量程檔[2]，具有多種觸發模式正、負延時功能。該數據采集卡作為系統的核心部分，為系統提供數據采集功能。

1.2 ?微控制器板設計

采用Arduino Mega 2560微控制器[3]。該控制器具有54個數字輸出引腳，其中15個可以用作PWM輸出，16個模擬輸入，包含4個硬件串口，1個16 MHz晶體振蕩器;并提供USB連接接口，1個電源插口、1個ICSP頭和一個復位按鈕。該控制器板只需要將USB連接線連接到計算機上，或電池為其供電即可啟動，主要為系統提供信號以及交換與檢測的功能，并能夠控制系統中各個部件的協調工作[4]。

1.3 ?輸入輸出卡設計

數據采集卡采集系統信號為模擬信號，而計算機所能識別的是數字信號，因此采用PCI?8192輸入輸出卡[5]進行轉換。其是一種基于PCI總線的模擬量輸入輸出卡，具有較快的響應速度，可直接插在與之兼容的PCI插槽[6]中。該輸入輸出卡轉換精度為16位，最高采樣頻率為18 kHz，具有4路通道，并且具有單端[7]、雙端的模擬量輸入方式。

2 ?超高強混凝土節點滯回性能數值模擬系統軟件實現

3 ?實驗對比

為了驗證上述設計的超高強混凝土節點滯回性能數值模擬系統的有效性，設計實驗。為了保證實驗的嚴謹性，將傳統系統與此次設計系統對比，對比兩種系統滯回性能數值模擬時間。

3.1 ?實驗準備

采用某工廠的超高強混凝土作為實驗對象，隨機抽取7組混凝土試件，試件基本信息如表1所示。

根據試件的基本信息，分別采用傳統方法與此次設計方法對上述7個試件的滯回性能模擬。模擬過程中會產生大量的實驗數據，因此構建實驗平臺，如圖3所示，對實驗過程記錄與控制，以保證實驗的準確性。

3.2 ?實驗結果分析

傳統系統與此次設計的混凝土節點滯回性能數值模擬系統的實驗對比結果如圖4所示。

由對比結果可知，此設計系統在編號K1，K2，K4，K5，K6這5個混凝土試件滯回性能數據模擬上所花費的時間與傳統系統所花費的時間相差較大，只有在第K3，K7兩個試件滯回性能模擬上花費時間與傳統系統花費時間相差較小，但是總體的花費時間均低于傳統系統。而傳統系統整體的滯回性能數值模擬時間都高于此次設計的系統，因為此次設計的系統通過建立超高強混凝土材料本構模型和建立混凝土節點滯回性能評價指標，能夠大大減少數值模擬的計算量。

4 ?結 ?語

本文對超高強混凝土節點滯回性能數值模擬系統進行研究，以解決傳統系統存在的模擬時間長等問題。系統的硬件設計主要包括數據采集卡、微控制器板和輸入輸出卡。系統軟件部分通過引入損傷指標，模擬超高強混凝土在拉壓往復荷載作用下的受力特點，建立超高強混凝土材料本構模型，最后建立混凝土節點滯回性能評價指標以模擬混凝土節點在不同軸向力作用下的滯回性能。實驗結果表明，此次設計的系統在數值模擬上所花費的時間比傳統系統花費時間少，具有一定的實際應用意義。

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