基于VBA宏語言的隔震橡膠支座試驗數據處理程序

車力文 秦 文

(山西省建筑科學研究院有限公司，山西 太原 030001)

0 引言

在地震區，隔震橡膠支座用于房屋、橋梁或其他結構的隔震構造，按照類型和工藝可分為天然橡膠支座(LNR)，鉛芯橡膠支座(LRB)和高阻尼橡膠支座(HDR)等。為確保隔震橡膠支座能在工程中發揮應有作用，在產品研發、出廠和進場時應進行力學性能試驗[2,3]。

使用電液伺服壓—剪試驗機進行隔震橡膠支座的力學性能試驗(壓—剪試驗機如圖1所示)，試驗過程由計算機控制，原始數據可由計算機的控制程序保存。但程序并未包含對數據進行處理得到相關力學參數的功能。為滿足計算精度要求，單次試驗的數據量一般較大，傳統方法通過人工篩選數據進行計算，較為費時，也可能出現偏差。

VBA全稱Visual Basic for Application，是Microsoft Office擴展的面向對象型宏語言，語法與Visual Basic語言相似，且能方便地與Office主程序通信。試驗原始數據為帶有格式的文本文檔(.txt)，可方便地放入Microsoft Excel文檔形成表格。根據原始數據特點，決定利用嵌入常用辦公軟件Microsoft Excel的VBA宏語言接口實現隔震橡膠支座原始試驗數據處理。

1 功能需求分析

隔震橡膠支座主要力學性能參數包括豎向壓縮剛度Kv、水平等效剛度Kh、等效阻尼比heq、屈服后剛度Kd、屈服力Qd等，這些參數均可由隔震橡膠支座應力和應變的關系導出。壓—剪試驗機帶有應力傳感器和位移傳感器，可記錄試驗過程中各通道的應力或位移狀態并反饋給計算機。形成的原始數據文件是給定間隔時間(一般為0.1 s)的傳感器數值記錄文檔。計算程序需實現：從數據列中截取數據段，并用數值分析方法計算得到相關參數的功能。

2 設計思路

計算程序設計的總體思路為：先遍歷數據找到計算所需的數據段，然后對該段數據進行操作，計算得到參數。計算程序總體架構如圖2所示。

3 具體算法實現

3.1 豎向壓縮剛度Kv

按照規范[1]要求，豎向壓縮剛度試驗應采用0—設計壓力P0—較大壓力P2—P0—較小壓力P1(第一次加載)，P1—P0—P2—P0—P1，P1—P0—P2—P0—P1(第三次加載)的加載方式，并取第3次加載過程的較大壓力P2、較小壓力P1及對應的較大位移Y2、較小位移Y1進行計算，見式(1)。

(1)

原始數據文件為按照時間序列保存的數據列。算法通過搜索豎向加載壓力數列求極小值找到各次加載的分界處，標記后選取第三次加載數據段。該段豎向荷載的起始值即為較小壓力P1，極大值為較大壓力P2，對應的位移分別為較小位移Y1和較大位移Y2，代入式(1)計算得豎向壓縮剛度Kv。

3.2 水平等效剛度Kh

按照規范[1]要求，水平等效剛度應在3次循環加載中取第3次循環的最大位移X1、最小位移X2及對應的最大剪力Q1、最小剪力Q2進行計算，見式(2)。

(2)

原始數據文件為按照時間序列保存的數據列，算法搜索水平位移數值變號處，即為各次循環加載的分界處，標記后選取第三次循環加載數據段。該段水平荷載數據列的極大值為最大剪力Q1，極小值為最小剪力Q2，對應的位移分別為最大位移X1和最小位移X2，代入式(2)計算得到水平等效剛度Kh。

3.3 等效阻尼比heq

按照規范[1]要求，對于鉛芯橡膠支座和高阻尼橡膠支座，等效阻尼比應在3次循環加載中取第3次循環的最大位移X1、最小位移X2、水平等效剛度Kh及滯回曲線包絡面積ΔW進行計算，見式(3)。

(3)

算法選取第三次循環加載數據段，用梯形公式[5]進行數值積分計算滯回曲線包絡面積ΔW，并與式(2)中相關參數一同代入式(3)，計算得到等效阻尼比heq。

3.4 屈服力Qd、屈服后剛度Kd

按照規范[1]要求，對于鉛芯橡膠支座和高阻尼橡膠支座，屈服力和屈服后剛度可由第三次循環加載的滯回曲線與剪力軸正負交叉點Qd1,Qd2,最大剪力Q1,最小剪力Q2，以及最大位移X1,最小位移X2導出,見式(4)，式(5)。

(4)

(5)

選取第三次循環加載數據段，搜索得到位移數值由正變負(或由負變正)區間，用線性內插法計算位移為0時對應的剪力，即為Qd1,Qd2。Qd1,Qd2與式(2)中的相關參數一同代入式(4),式(5)，計算得到屈服力Qd和屈服后剛度Kd。

3.5 溫度修正

按照規范[1,3]要求，試驗基準溫度為23 ℃，否則應進行溫度修正。計算程序包含了豎向壓縮剛度的溫度修正模塊，在計算完成后會彈出對話框，手動輸入試驗溫度進行修正。溫度修正公式參考了李黎、葉昆等[4]的研究，見式(6)。

(6)

3.6 數據可視化

用VBA圖表操作語法實現了滯回曲線的可視化，圖表X軸為位移，單位mm；Y軸為剪力，單位kN。某支座3次循環加載的滯回曲線圖如圖3所示。

4 實例計算

為驗證計算程序的有效性進行了隔震橡膠支座力學性能試驗。在試驗中將原始試驗數據文檔輸入Excel表格，執行計算程序并查看結果。

4.1 豎向力學參數

某鉛芯隔震橡膠支座有效直徑為400 mm，試驗前利用升降機將支座吊裝至實驗平臺上固定，然后在支座周圍對稱位置安裝豎向位移傳感器。之后啟動壓剪試驗機液壓泵，在計算機上設定試驗壓力加載譜線開始試驗。試驗加載結束后保存原始數據，生成文本文檔。支座豎向參數試驗情況如圖4所示。

將文檔數據輸入表格中，豎向壓力數據位于表格第A列～第C列，對應的位移數據位于表格第E列～第G列。在Excel的“宏”選項卡下啟動計算程序，選擇執行“豎向”宏。計算完成后出現對話框，此時可輸入試驗時室溫并點擊“確定”進行溫度修正，否則點擊“取消”不進行修正。該支座的豎向力學參數計算截圖如圖5,圖6所示。

由圖6可知，該次試驗加載開始在數據列第132行，加載結束在數據列第1 361行，計算得該支座豎向壓縮剛度Kv=702 kN/mm，在室溫22 ℃下溫度修正系數為1.00。

4.2 水平力學參數

豎向力學試驗結束后將位移傳感器撤去，保持支座在試驗機內固定的狀態，在計算機上設定試驗水平位移加載譜線開始試驗。試驗結束后保存原始數據，生成文本文檔。支座進行水平力學試驗情況如圖7所示。

將原始試驗數據輸入表格，數據位于表格第A列～第C列，在Excel的“宏”選項卡下啟動計算程序，并執行“水平”宏。該支座的水平力學參數計算結果如圖8,圖9所示。

由圖9可知，該支座水平等效剛度Kh=1.387 kN/mm，等效阻尼比heq=26.6%，屈服后剛度Kd=0.807 kN/mm，屈服力Qd=37.7 kN。

5 結論與展望

本文主要介紹了用嵌入Microsoft Excel的VBA宏語言實現的隔震橡膠支座力學試驗數據處理程序。該程序可用于計算隔震橡膠支座的豎向剛度Kv，水平等效剛度Kh，等效阻尼比heq及(對鉛芯橡膠支座)屈服后剛度Kd，屈服力Qd等參數，可進行豎向參數的溫度修正。經過較長時間的實際試驗驗證，計算程序可滿足需求，計算結果有效，精度滿足要求。

目前計算程序內嵌于Microsoft Excel，平臺機能受限，且需要手動粘貼原始文件內的數據。未來可移植至其他高級語言并形成獨立的可執行程序，進行自動讀取和圖形界面操作，實現更友好的操作和更高效的數據處理。