基于截面屈服面模型更新的框架结构混合试验方法

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1、博士学位论文基于截面屈服面模型更新的框架结构混合试验方法HYBRIDTESTINGOFFRAMESTRUCTURESBASEDONMODELUPDATINGOFSECTIONALYIELDSURFACE陈永盛哈尔滨工业大学2015年6月国内图书分类号：TU317.1/TU311.3学校代码：10213国际图书分类号：624密级：公开工学博士学位论文基于截面屈服面模型更新的框架结构混合试验方法博士研究生：陈永盛导师：Shing,P.Benson教授副导师吴斌教授申请学位：工学博士学科：土木工程、防灾减灾工程及防护工程所在单位：土木工程学院答辩日期：2015年6月授予

2、学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TU317.1/TU311.3U.D.C:624DissertationfortheDoctoralDegreeinEngineeringHYBRIDTESTINGOFFRAMESTRUCTURESBASEDONMODELUPDATINGOFSECTIONALYIELDSURFACECandidate：ChenYongshengSupervisor：Prof.Shing,P.BensonViceSupervisor：Prof.WuBinAcademicDegreeAppliedfor：DoctorofEngi

3、neeringSpeciality：DisasterPreventionandReductionEngineeringandProtectiveEngineeringAffiliation：SchoolofCivilEngineeringDateofDefence：June,2015Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology摘要摘要混合试验综合了数值模拟和物理试验的优点，是研究结构动力反应的有效方法之一。子结构技术的应用使混合试验在评估大型复杂结构抗震性能上具有很大的潜力。但是当前的子结构混合

4、试验还存在较大模型误差：一方面源自结构的计算模型和数值单元过于简化，如用层模型及构件层次本构来描述框架结构；另一方面源于数值子结构模型参数的不确定性，如用假定的数值模型来描述大型复杂结构中无法进行试验又可能进入非线性的构件，当这种数值模型在结构中所占比例较大时，混合试验的优势就消失了。为了减少子结构混合试验中的两类模型误差，有必要采用合理的计算模型和精细的数值单元；可以而且应该利用试验子结构观测数据实时辨识预设数值模型的参数，并在线更新数值子结构中相应部分的模型。这两个解决方案还要求有基于有限元软件的混合试验系统提供技术支撑。本文以框架结构为研究对象，以减少模型误

5、差提高试验精度为宗旨，提出了基于截面屈服面模型更新的框架结构混合试验方法，主要内容和结论如下：(1)提出了梁柱单元中考虑轴力弯矩耦合的截面本构模型。根据截面组合思想构建了轴力与弯矩的屈服面，并基于经典塑性理论建立了截面本构模型；阐述了截面状态确定和本构关系积分的方法；编写了基于MATLAB的杆系有限元非线性分析程序。研究表明，该截面本构模型不但能考虑轴力存在及变化对截面抗弯承载力的影响，而且具有随动、等向及混合强化的特性。此外，与塑性铰模型和纤维截面模型结果的比较表明所提截面模型能兼顾计算精度和效率。(2)提出了梁柱单元中截面本构模型参数的识别方法。以框架柱为辨识

6、对象，提取其基本坐标系下杆端位移和力为输入和输出信息，并预设基于力的单元和截面本构为框架柱的数值模型；采用unscentedKalmanFilter(UKF)纯参估计和双重估计模式进行辨识；分析了UKF纯参数估计性能对初值与噪声的选择的敏感性，并探讨了有无模型误差下两种估计模式的识别效果。研究表明，UKF算法在识别梁柱截面本构模型参数时具有较高的精度、鲁棒性和计算效率。(3)建立了基于有限元并考虑模型更新的混合试验系统架构。分析了两环混合试验系统架构存在的问题并搭建了一个混合试验系统仿真平台；研究了基于有限元软件的三环混合试验系统架构，总结了MATLAB有限元与中

7、间环dSPACE间数据的通信，扩展了中间层dSPACE以包含命令的插值、边界的控制等功能；提出面向单元并考虑在线模型更新的杆系结构混合试验系统架构。研究表明，所提出的仿真平台和试验架构是可行的，有效的。-I-哈尔滨工业大学工学博士学位论文(4)开展了常规混合试验及考虑在线模型更新的混合试验。以平面钢框架为研究对象，以杆系结构为计算模型并明确了静动力分析算法；设计了足尺框架柱试验子结构，研究了三个作动器加载模式和测量方案；开展了面向单元的框架结构常规混合试验和考虑在线模型更新的混合试验。研究表明，三个作动器加载模式能实现平面框架柱的边界条件，常规子结构混合试验对大型

8、框架结构优