超高強(qiáng)混凝土節(jié)點(diǎn)滯回性能數(shù)值模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)

曹菲菲

摘 ?要： 傳統(tǒng)的混凝土節(jié)點(diǎn)滯回性能數(shù)值模擬系統(tǒng)存在模擬時(shí)間長(zhǎng)的問題，因此設(shè)計(jì)超高強(qiáng)混凝土節(jié)點(diǎn)滯回性能數(shù)值模擬系統(tǒng)，以解決傳統(tǒng)系統(tǒng)存在的問題。系統(tǒng)的硬件部分主要包括數(shù)據(jù)采集卡、微控制器板和輸入輸出卡，數(shù)據(jù)采集卡為系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)采集功能，微控制器板為系統(tǒng)提供信號(hào)以及交換與檢測(cè)的功能，輸入輸出卡主要將采集到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。系統(tǒng)軟件部分，首先引入損傷指標(biāo)模擬超高強(qiáng)混凝土在拉壓往復(fù)荷載作用下的受力特點(diǎn)，然后建立超高強(qiáng)混凝土材料本構(gòu)模型，分析混凝土材料本構(gòu)關(guān)系，最后建立混凝土節(jié)點(diǎn)滯回性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，模擬混凝土節(jié)點(diǎn)在不同軸向力作用下的滯回性能，以此完成超高強(qiáng)混凝土節(jié)點(diǎn)滯回性能數(shù)值模擬。實(shí)驗(yàn)對(duì)比結(jié)果表明，此次設(shè)計(jì)的超高強(qiáng)混凝土節(jié)點(diǎn)滯回性能數(shù)值模擬系統(tǒng)比傳統(tǒng)系統(tǒng)數(shù)值模擬時(shí)間短，具有一定的實(shí)際應(yīng)用意義。

關(guān)鍵詞： 超高強(qiáng)混凝土; 滯回性能; 數(shù)值模擬; 系統(tǒng)設(shè)計(jì); 信號(hào)傳輸; 對(duì)比驗(yàn)證

中圖分類號(hào)： TN919?34; TU375 ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)： 1004?373X（2020）12?0142?03

Abstract： As the traditional numerical simulation system of the hysteretic behavior of concrete joints has the problem of long simulation time， a design of numerical simulation system of the hysteretic behavior of super high?strength concrete joints is proposed to solve above problems. The hardware part of the system mainly includes data acquisition card， microcontroller board and I/O card. The data acquisition card provides data acquisition function for the system， the microcontroller board provides signals and the functions of switching and detecting， and the I/O card mainly converts the collected analog signal collected into the digital signal. In the software part of the system， the damage index is introduced to simulate the stress characteristics of super high?strength concrete under the action of tension compression and reciprocating load， and then the material constitutive model of super high?strength concrete is established to analyze the material constitutive relation of concrete. The hysteretic behavior evaluation index of concrete joint is established to simulate the hysteretic behavior of concrete joint under different axial forces， so as to complete the numerical simulation of hysteretic behavior of super high?strength concrete nodes. The experimental results show that， in comparison with the traditional system， the designed numerical simulation system of the hysteretic behavior of the super high?strength concrete joints has shorten numerical simulation time， and has a certain practical significance.

Keywords： super high strength concrete; hysteretic behavior; numerical simulation; system design; signal transmission; comparison validation

0 ?引 ?言

高強(qiáng)混凝土作為一種新的建筑材料，以其抗壓強(qiáng)度高、抗變形能力強(qiáng)、密度大、孔隙率低的優(yōu)越性，在高層建筑結(jié)構(gòu)、大跨度橋梁結(jié)構(gòu)以及某些特種結(jié)構(gòu)中得到了廣泛應(yīng)用。目前，關(guān)于超高強(qiáng)混凝土抗震性能的研究較多，但在滯回性能數(shù)值模擬上的研究相對(duì)落后。滯回性能是指在反復(fù)作用下結(jié)構(gòu)的荷載變形曲線，其能夠反映結(jié)構(gòu)在反復(fù)受力過程中的變形特征、剛度退化及能量消耗，即滯回曲線的性能。因其影響因素較多，需要大量的實(shí)驗(yàn)研究才能確定，但是受實(shí)驗(yàn)條件、測(cè)量手段及時(shí)間經(jīng)濟(jì)成本的限制，試驗(yàn)提供的信息有限。同時(shí)，傳統(tǒng)的數(shù)值模擬系統(tǒng)存在模擬時(shí)間長(zhǎng)的問題，因此研究一種超高強(qiáng)混凝土節(jié)點(diǎn)滯回性能數(shù)值模擬系統(tǒng)。

此次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)硬件主要包括數(shù)據(jù)采集卡、微控制器板和輸入輸出卡，系統(tǒng)軟件部分主要引入損傷指標(biāo)，模擬超高強(qiáng)混凝土在拉壓往復(fù)荷載作用下的受力特點(diǎn)，然后建立超高強(qiáng)混凝土材料本構(gòu)模型，最后構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)模擬混凝土節(jié)點(diǎn)在不同軸向力作用下的滯回性能，以此完成了超高強(qiáng)混凝土節(jié)點(diǎn)滯回性能數(shù)值模擬系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

1 ?超高強(qiáng)混凝土節(jié)點(diǎn)滯回性能數(shù)值模擬系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

此次設(shè)計(jì)的超高強(qiáng)混凝土節(jié)點(diǎn)滯回性能數(shù)值模擬系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)主要包括數(shù)據(jù)采集卡、微控制器板和輸入輸出卡。

1.1 ?數(shù)據(jù)采集卡設(shè)計(jì)

采用PXI?10024型號(hào)的數(shù)據(jù)采集卡[1]。該采集卡為8通道同步并行數(shù)據(jù)采集模塊，每個(gè)通道的最高采樣率可達(dá)100 KSPS，并配有最高128 MB的板載緩存以及32 KB FIFO，支持DMA實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸;并具有PXI全兼容采集模塊，3U尺寸，即插即用，可多模塊同步擴(kuò)展，每個(gè)通道獨(dú)立4個(gè)可程控量程檔[2]，具有多種觸發(fā)模式正、負(fù)延時(shí)功能。該數(shù)據(jù)采集卡作為系統(tǒng)的核心部分，為系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)采集功能。

1.2 ?微控制器板設(shè)計(jì)

采用Arduino Mega 2560微控制器[3]。該控制器具有54個(gè)數(shù)字輸出引腳，其中15個(gè)可以用作PWM輸出，16個(gè)模擬輸入，包含4個(gè)硬件串口，1個(gè)16 MHz晶體振蕩器;并提供USB連接接口，1個(gè)電源插口、1個(gè)ICSP頭和一個(gè)復(fù)位按鈕。該控制器板只需要將USB連接線連接到計(jì)算機(jī)上，或電池為其供電即可啟動(dòng)，主要為系統(tǒng)提供信號(hào)以及交換與檢測(cè)的功能，并能夠控制系統(tǒng)中各個(gè)部件的協(xié)調(diào)工作[4]。

1.3 ?輸入輸出卡設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集卡采集系統(tǒng)信號(hào)為模擬信號(hào)，而計(jì)算機(jī)所能識(shí)別的是數(shù)字信號(hào)，因此采用PCI?8192輸入輸出卡[5]進(jìn)行轉(zhuǎn)換。其是一種基于PCI總線的模擬量輸入輸出卡，具有較快的響應(yīng)速度，可直接插在與之兼容的PCI插槽[6]中。該輸入輸出卡轉(zhuǎn)換精度為16位，最高采樣頻率為18 kHz，具有4路通道，并且具有單端[7]、雙端的模擬量輸入方式。

2 ?超高強(qiáng)混凝土節(jié)點(diǎn)滯回性能數(shù)值模擬系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)

3 ?實(shí)驗(yàn)對(duì)比

為了驗(yàn)證上述設(shè)計(jì)的超高強(qiáng)混凝土節(jié)點(diǎn)滯回性能數(shù)值模擬系統(tǒng)的有效性，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。為了保證實(shí)驗(yàn)的嚴(yán)謹(jǐn)性，將傳統(tǒng)系統(tǒng)與此次設(shè)計(jì)系統(tǒng)對(duì)比，對(duì)比兩種系統(tǒng)滯回性能數(shù)值模擬時(shí)間。

3.1 ?實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

采用某工廠的超高強(qiáng)混凝土作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，隨機(jī)抽取7組混凝土試件，試件基本信息如表1所示。

根據(jù)試件的基本信息，分別采用傳統(tǒng)方法與此次設(shè)計(jì)方法對(duì)上述7個(gè)試件的滯回性能模擬。模擬過程中會(huì)產(chǎn)生大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，因此構(gòu)建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，如圖3所示，對(duì)實(shí)驗(yàn)過程記錄與控制，以保證實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性。

3.2 ?實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

傳統(tǒng)系統(tǒng)與此次設(shè)計(jì)的混凝土節(jié)點(diǎn)滯回性能數(shù)值模擬系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)對(duì)比結(jié)果如圖4所示。

由對(duì)比結(jié)果可知，此設(shè)計(jì)系統(tǒng)在編號(hào)K1，K2，K4，K5，K6這5個(gè)混凝土試件滯回性能數(shù)據(jù)模擬上所花費(fèi)的時(shí)間與傳統(tǒng)系統(tǒng)所花費(fèi)的時(shí)間相差較大，只有在第K3，K7兩個(gè)試件滯回性能模擬上花費(fèi)時(shí)間與傳統(tǒng)系統(tǒng)花費(fèi)時(shí)間相差較小，但是總體的花費(fèi)時(shí)間均低于傳統(tǒng)系統(tǒng)。而傳統(tǒng)系統(tǒng)整體的滯回性能數(shù)值模擬時(shí)間都高于此次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，因?yàn)榇舜卧O(shè)計(jì)的系統(tǒng)通過建立超高強(qiáng)混凝土材料本構(gòu)模型和建立混凝土節(jié)點(diǎn)滯回性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，能夠大大減少數(shù)值模擬的計(jì)算量。

4 ?結(jié) ?語

本文對(duì)超高強(qiáng)混凝土節(jié)點(diǎn)滯回性能數(shù)值模擬系統(tǒng)進(jìn)行研究，以解決傳統(tǒng)系統(tǒng)存在的模擬時(shí)間長(zhǎng)等問題。系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)主要包括數(shù)據(jù)采集卡、微控制器板和輸入輸出卡。系統(tǒng)軟件部分通過引入損傷指標(biāo)，模擬超高強(qiáng)混凝土在拉壓往復(fù)荷載作用下的受力特點(diǎn)，建立超高強(qiáng)混凝土材料本構(gòu)模型，最后建立混凝土節(jié)點(diǎn)滯回性能評(píng)價(jià)指標(biāo)以模擬混凝土節(jié)點(diǎn)在不同軸向力作用下的滯回性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，此次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)在數(shù)值模擬上所花費(fèi)的時(shí)間比傳統(tǒng)系統(tǒng)花費(fèi)時(shí)間少，具有一定的實(shí)際應(yīng)用意義。

參考文獻(xiàn)

[1] 萬馨，相景森，白堯堯，等.外肋板式鋼板混凝土組合剪力墻與鋼梁節(jié)點(diǎn)的受力性能數(shù)值模擬[J].硅酸鹽通報(bào)，2019，38（5）：1468?1476.

[2] 盧嘯，呂泉林.自復(fù)位粘彈性腹桿的力學(xué)原理與滯回性能研究[J].工程力學(xué)，2019，36（6）：138?146.

[3] 杜青，陳航，卿龍邦.基于非協(xié)調(diào)參數(shù)Drucker?Prager模型的預(yù)應(yīng)力節(jié)段拼裝混凝土橋墩滯回性能研究[J].世界地震工程，2018，34（1）：138?143.

[4] 彭珺潔，彭凌云，康迎杰，等.變截面U型鋼阻尼器的滯回性能及其應(yīng)用研究[J].工業(yè)建筑，2018，48（10）：115?120.

[5] 馬寧，蘇利剛.剪切型防屈曲鋼板阻尼器的滯回性能試驗(yàn)研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2018，39（11）：148?157.

[6] 殷占忠，方順中，趙帥鵬.帶部分外包混凝土柱的鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)的受力性能分析[J].工業(yè)建筑，2018，48（6）：142?148.

[7] 葉繼紅，陳偉，許陽.冷彎薄壁型鋼復(fù)合墻體受剪性能數(shù)值模擬及簡(jiǎn)化力學(xué)模型研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2018，39（11）：94?103.

[8] 薛建陽，董金爽，隋，等.附設(shè)黏滯阻尼器的傳統(tǒng)風(fēng)格建筑混凝土梁?柱節(jié)點(diǎn)動(dòng)力循環(huán)加載性能分析[J].土木工程學(xué)報(bào)，2017，50（12）：18?27.

[9] 姚旦，王少華，歐陽柳，等.分段滑移隔震支座理論模型及滯回特性[J].鐵道建筑，2017，57（9）：52?56.

[10] 蘭坤昌，張春濤，王汝恒.鋼筋錨固長(zhǎng)度對(duì)鋼管混凝土節(jié)點(diǎn)抗震性能影響試驗(yàn)研究[J].工業(yè)建筑，2018，48（8）：181?189.

[11] 朱奇云，呂西林.考慮應(yīng)變硬化的軟鋼阻尼器滯回模型及應(yīng)用[J].結(jié)構(gòu)工程師，2017，33（6）：65?73.

[12] 姜忻良，薛瑜照，姜南，等.新型石膏混凝土復(fù)合墻板L型節(jié)點(diǎn)的連接性能研究[J].硅酸鹽通報(bào)，2018，37（5）：1531?1537.

[13] 吳俊飛.新型預(yù)制裝配混凝土框架梁柱節(jié)點(diǎn)耗能能力分析[J].工程抗震與加固改造，2019，41（2）：88?93.

[14] 李軍濤，陳宗平，王歡歡，等.鋼筋混凝土柱壓彎剪扭滯回性能試驗(yàn)研究[J].土木工程學(xué)報(bào)，2018，51（7）：87?97.

[15] 范重，劉云博，王祥臻，等.連梁骨架曲線與滯回特性研究[J].工程力學(xué)，2018，35（6）：68?77.