遠程協(xié)同結(jié)構(gòu)擬動力試驗方法與技術(shù)研究.pdf

1、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)使地震工程研究者能夠?qū)⑦h程分布的結(jié)構(gòu)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(luò)化協(xié)同結(jié)構(gòu)試驗。通過 Internet，許多單個實驗室被集成為一個強大的網(wǎng)絡(luò)化試驗系統(tǒng)，可以完成單一實驗室無法進行的大比例復(fù)雜模型的結(jié)構(gòu)試驗，從而提高了試驗?zāi)芰凸蚕砹嗽囼炠Y源。國內(nèi)外已有幾個國家和地區(qū)開始利用遠程分布的結(jié)構(gòu)實驗室進行大比例結(jié)構(gòu)模型的協(xié)同試驗研究。
　　基于實驗室現(xiàn)有的試驗設(shè)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(nèi)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(shù)。主要研究內(nèi)容如下：
　　1.通過與美國NEES(Network for Earthquake Engineering Simulation)網(wǎng)絡(luò)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(luò)協(xié)議、試驗設(shè)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(shù)。在此基礎(chǔ)上，研究本文遠程試驗系統(tǒng)的建立方法。利用以湖南大學(xué)為首的研究團隊開發(fā)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議——NetSLab(Networked Structural Laboratories)，進行了多次不同網(wǎng)絡(luò)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(jié)果表明，NetSLab網(wǎng)絡(luò)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(luò)功能支持。
　　2.針對土木工程試驗中廣泛應(yīng)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(shè)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(shù)。
　　建立了基于計算命令控制的擬動力試驗系統(tǒng)，通過鋼構(gòu)件的擬動力試驗來驗證了試驗系統(tǒng)的可行性。研究結(jié)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(guān)型構(gòu)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(shè)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(jié)構(gòu)足尺模型的三自由度結(jié)構(gòu)擬動力試驗和六自由度結(jié)構(gòu)的子結(jié)構(gòu)擬動力試驗。研究結(jié)果表明，外部命令控制方法的硬件連接只與試驗設(shè)備控制系統(tǒng)的輸入、輸出通道有關(guān)，編程控制也與控制軟件無關(guān)，與計算命令控制等擬動力試驗方法相比，其應(yīng)用不依賴于任何控制系統(tǒng)，具有通用性；試驗系統(tǒng)結(jié)合了 Visual C++開發(fā)功能強大和MATLAB科學(xué)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(zhǔn)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(jié)合的結(jié)構(gòu)抗震混合試驗的思想。
　　3.為了集成網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、試驗設(shè)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(yīng)用提出的外部命令控制方法，以及基于ActiveX技術(shù)的程序控制方法，結(jié)合 NetSLab網(wǎng)絡(luò)協(xié)議提供的應(yīng)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(shè)備控制系統(tǒng)的真實試驗機程序，并且研究了穩(wěn)定、準(zhǔn)確地快速加載控制方法。
　　應(yīng)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(jié)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(jié)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(chǔ)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(yīng)，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(shè)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(shè)為一單自由度體系，應(yīng)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(jié)果表明，短柱模型的假設(shè)合理；其在產(chǎn)生塑性變形、局部破壞后，在一定位移范圍內(nèi)，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(jié)果一致，進一步驗證了模型的設(shè)計，并為遠程協(xié)同試驗提供了恢復(fù)力模型。同時也檢驗了遠程協(xié)同試驗系統(tǒng)。
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10、.進行了以湖南大學(xué)為首，哈爾濱工業(yè)大學(xué)、清華大學(xué)和和美國南加利福尼亞大學(xué)合作的國內(nèi)首個遠程協(xié)同結(jié)構(gòu)擬動力試驗。研究了試驗?zāi)Ｐ?、試驗設(shè)備與控制系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)化試驗系統(tǒng)的集成以及協(xié)同試驗過程等關(guān)鍵技術(shù)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(jié)構(gòu)，在湖南大學(xué)和哈爾濱工業(yè)大學(xué)實驗室應(yīng)用不同的試驗設(shè)備來模擬不同的試驗邊界條件，并且應(yīng)用兩種方法完成網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和試驗設(shè)備控制系統(tǒng)的通訊，在其它實驗室進行子