[发明专利]一种用于研究结构风激励响应的混合模拟试验方法

说明书

本发明提出一种结合数值模拟与物理试验用于研究结构风荷载下动力响应的方法，属于结构防灾领域，特别是结构抗风试验研究领域。本发明所提出的试验方法，将实际工程结构划分为试验子结构(1)和计算子结构(2)，试验子结构(1)通过新型风激励装置(4)加载，计算子结构(2)通过结构分析软件进行计算机数值模拟，二者之间通过数据交换系统(3)进行交互，从而得到整体结构在外部风激励下的响应。该方法克服了传统的风洞试验由于尺寸限制难以准确模拟复杂工程结构在风荷载下的响应，特别是克服了风损试验难度大等方面的缺陷，突破了结构模型尺寸限制，降低了试验费用，对极端风荷载模拟效果更理想，可以满足工程技术及研究人员的需求。

技术领域

本发明提出一种结合数值模拟与物理试验用于研究结构风荷载下动力响应的试验方法，属于结构防灾领域，特别是结构抗风试验研究领域。

背景技术

风灾是自然灾害的主要灾种之一。近年来，由于全球气候变暖，风灾更加严重，每年造成全球经济损失达数百亿甚至数千亿美元。土木工程结构抗风研究是防灾减灾领域中非常重要的学科方向。传统的结构抗风试验研究多采用风洞试验模拟自然风在构筑物表面的作用。但现有的风洞试验室在规模上往往难以满足结构足尺模型试验的要求，因此不得不对试验结构采用缩尺简化，所得到的试验结果必然与真实情况存在较大差异；特别是由于风洞设计和建造成本方面的考虑，常规风洞往往不能开展破坏性的风损试验，以避免破坏后的构件对试验装置的损害。随着近年来计算机数值计算技术的飞速发展，数值模拟技术成为结构抗风试验研究的重要手段。通过人工风荷载时程模拟构筑物表面作用的风荷载并利用流体力学软件进行数值计算从而实现结构动力响应的求解，为解决风洞试验价格高昂等经济性问题提供了一条有效途径。但考虑到破坏阶段结构构件局部大变形和材料非线性等问题，利用数值手段进行准确模拟的计算成本较高，并仍然存在许多理论上的问题。采用混合模拟试验的试验方法，将数值模拟和物理试验相结合，通过物理试验实现结构局部破坏的精确全过程再现，通过数值模拟对结构整体或部分进行计算分析，可以更好实现抗风试验的目的。

发明内容

本发明提供一种结合数值模拟与物理试验的方法，用于研究结构风荷载下的动力响应。

采用的风激励装置利用若干乙烯基材料制成的气囊与受荷构件表面通过硅基黏合剂进行可靠连接，通过伺服气阀控制，实现构筑物表面具有时间脉动性和一定空间相干分布特征的风荷载加载。这种新型风激励装置和高性能计算设备协同工作，将数值模拟与物理试验相结合，对结构局部构件的足尺模型进行加载，突破了结构的尺寸限制，降低了试验费用，结构风荷载下动力响应模拟效果理想。

为达到以上目的，本发明的技术方案如下：

本发明提供一种结合数值模拟与物理试验用于研究结构风荷载下的动力响应的试验方法，包括以下步骤：

(a)针对于可能遭受风致破坏的结构，根据简化模型的理论分析、数值模拟或缩尺模型的风洞试验结果，确定整个结构体系中的关键部件。

(b)根据确定的关键部件，将整体结构划分为计算子结构和试验子结构两部分。

①试验子结构为整体结构中的试验部分，即上述结构体系中的关键部件。试验子结构通过风激励装置施加风致激励荷载，在子结构分界面上通过加载装置施加计算子结构的结构动力响应，并根据工程实际设置边界约束。

②计算子结构为整体结构中除去试验子结构的其余部分，考虑风荷载作用和试验子结构界面动力反馈，通过计算机数值模拟。

(c)试验子结构与外界的交互分为风致激励作用、界面处计算子结构动力响应和边界约束。

①试验子结构外加风致激励荷载的施加，依据试验结果精度以及工程需求进行设计，并按照加载设计布置风激励装置进行加载。

②试验子结构界面上计算子结构动力响应的施加，依据计算子结构和试验子结构之间的内力和变形的相互作用设计和安装加载装置进行。