摘 要

结构混合试验是通过在线交互方式把数值分析与物理试验联系在一起的模拟技术，是一种可以经济有效地研究结构抗震性能的试验方法。混合试验不仅能够真实地反应结构或构件在地震作用下的破坏机理，还能模拟大型复杂结构的地震反应，因此得到了抗震试验研究者们的广泛关注。但是混合试验存在两个关键的科学问题，一方面，传统混合试验通常假定数值子结构的计算模型是准确的，但在实际情况中数值子结构也可能存在无法准确建模的复杂非线性构件，此时如何保证数值子结构模拟精度成为难题；另一方面，受到加载条件的限制，试验子结构的边界条件可能不完整。针对这两个问题，本文选择基于反弯点的子结构划分方案，解决试验子结构界面弯矩难以模拟的问题；同时基于无迹卡尔曼滤波器方法开展模型更新混合模拟，利用试验数据在线更新数值子结构的模型，从而减小数值模型的误差。

本文以一个多层钢框架结构作为研究对象，首先以底层半柱作为试验子结构，开展了基于反弯点的混合模拟，并与传统混合模拟的结果进行了对比；然后采用无迹卡尔曼滤波器方法，识别了钢框架柱的材料本构参数；最后提出基于反弯点的框架结构模型更新混合模拟方法，利用试验半柱的水平位移和恢复力识别材料的本构参数，并用于更新数值子结构中相同材料的参数，开展了基于反弯点的多层钢框架模型更新混合模拟。研究结果表明：基于反弯点的试验子结构划分相比于传统方案而言有较大的改善，无迹卡尔曼滤波器有着较好的参数识别效果，同时模型更新能够进一步提高混合模拟的精度。

关键词：混合模拟；模型更新；无迹卡尔曼滤波器；反弯点

Abstract

Hybrid testing is a simulation technique which combines the numerical analysis with the physical test by the way of on-line interaction, and it is an economic and effective test method to study the seismic performance of structures. Now, hybrid testing is increasingly being recognized because it can not only truly reflect the failure mechanism of structure or component under earthquake but also simulate the seismic response of large or complex civil structures. However, there are two important scientific issues in hybrid testing. On the one hand, traditional hybrid testing usually assume that the numerical substructure model is accurate, but in fact there may be complex nonlinear components which cannot be accurately modeled in numerical substructure. So how to ensure the accuracy of numerical substructure simulation becomes a difficult problem. On the other hand, the boundary conditions of the experimental substructure may be incomplete due to the limitation of loading conditions. To solve these two problems, this paper chooses the experimental substructure based on the inflation point which can eliminate the influence of moment at the interface. At the same time, the hybrid simulation with model updating is carried out based on the Unscented Kalman Filter method, and the model of numerical substructure is updated online by using the test data, so as to reduce the error of numerical model.

In this paper, a multi-story steel frame structure is taken as the research object. Firstly, the bottom half column is used as the test substructure to carry out the hybrid simulation based on the inflection point, and the results are compared with the traditional hybrid simulation. Then, the material constitutive parameters of steel frame columns are identified by Unscented Kalman filter method. Finally, a hybrid simulation method of updating frame structure model based on inflection point is proposed. Using the horizontal displacement and restoring force of the experimental substructure to identify the constitutive parameters of the material, and to update the parameters of the same material in the numerical substructure, and carry out the hybrid simulation of model updating based on the inflection point of the multi-story steel frame model. The research shows that compared with the traditional scheme, the results of the hybrid testing simulation based on inflection point has a great improvement. And the Unscented Kalman Filter method can identify parameters well. What’s more, the model updating can further improve precision of hybrid testing simulation.

Keywords: hybrid testing simulation; model updating; Unscented Kalman Filter; inflection point

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪 论 1

1.1 课题研究背景及意义 1

1.2 结构混合试验研究现状 2

1.3 课题主要研究内容 4

第2章 基于反弯点的钢框架结构混合模拟 5

2.1 基于反弯点的框架结构混合试验原理 5

2.2 钢框架结构的OpenSees模型 7

2.3 基于反弯点的钢框架结构混合试验仿真 8

2.3.1 传统混合模拟结果 8

2.3.2 基于反弯点的混合模拟结果 9

第3章 钢框架结构模型的参数识别 10

3.1 系统辨识原理及参数识别方法 10

3.1.1 系统辨识原理简介 10

3.1.2 参数识别方法简述 11

3.2 钢框架柱的参数识别方法 12

3.3 钢框架柱的参数识别算例 14

3.3.1 基于反弯点的半柱参数识别 16

第4章 多层钢框架结构的模型更新混合模拟 18

4.1 模型更新混合试验 18

4.1.1模型更新混合试验进展 18

4.1.2模型更新混合试验原理 18

4.2 模型更新混合试验工况设计 19

4.3 模型更新混合试验仿真 20

4.4 模拟结果及分析讨论 20

第5章 结 论 23

参考文献 24

致 谢 27

第1章 绪 论

1.1 课题研究背景及意义

地震因其极强的破坏能力和极广的影响范围，是人类面临的最重大的自然灾害之一。地震会对建筑物和构筑物产生一些不可逆的严重破坏，在某些时刻可能会威胁人类的生命和财产安全。我国地处环太平洋地震带—欧亚地震带之间，地震基本烈度7度及7度以上地区面积约占全国土地面积的2/5，是一个地震事故频发的国家。地震给我国带来的伤害是惨重的，仅2008年5月的汶川地震便造成69227人死亡，374643人受伤。据统计，二十世纪以来中国因地震造成的伤亡人数约占世界总伤亡人数的四成多，这些人的伤亡大多是由于建筑物或构筑物的倒塌被埋所致。由此可见，地震是人类面临的重大威胁，会严重影响人们的正常生活。

因此，为了减轻地震对各类建筑物及构筑物的危害程度，我国《建筑抗震设计规范》规定建筑抗震设计需满足“小震不坏，中震可修，大震不倒”的三水准设防目标和两阶段设计方法^[1]。这些建筑物的抗震设计方法、有效的抗震构造措施以及相关抗震理论的提出都建立在大量的抗震试验研究的基础上。同时，随着科技的进步，超高层建筑日益增多，对这类建筑往往需要研究它们在强震作用下结构的动力反应，以提出有效的抗震设计方法。因此，对建筑物及构筑物的抗震研究越来越重要，目前主要有三种抗震试验方法，即拟静力试验方法、地震模拟振动台试验方法和混合试验方法^[2]。

拟静力试验方法又称周期性加载试验，这里的“静力”加载有两方面的含义，一是指加载速率很小，可以将应变速率的影响忽略不计；二是指按照一定的加载速率单调加载或者循环加载^[2]、[3]。与振动台试验方法和混合试验方法相比较，此方法的优点主要是经济适用，操作简单，对实验设备要求较低，适用于各种结构或构件的抗震性能研究。但是也有着不可避免的缺点，即无法真实地模拟地震动对结构或构件的影响。