基于OpenSees的子结构拟动力试验方法研究摘要：研究了以有限元软件OpenSees为核心计算平台的子结构拟动力试验方法，主要探讨了在OpenSees中实现子结构反应量实时查询、子结构边界条件处理，以及利用OpenSees的通信协议实现试验子结构和整体结构时程分析程序之间位移指令和反馈力的数据交换方法.利用本文方法进行了8层防屈曲支撑高层钢框架的虚拟子结构拟动力试验，试验结果与采用OpenSees进行整体时程分析的结果吻合良好，证明了本文子结构拟动力试验方法的可行性与有效性.关键词：子结构；拟动力试验方法；OpenSees；通讯协议：TU317文献标识码：A拟动力试验是研究结构体系地震响应的有效手段之一，但由于试验条件限制，往往难以进行整体结构的拟动力试验，子结构拟动力试验方法则是解决这一问题的有效手段.该方法将复杂结构分为两部分，将在地震作用下容易损坏的强非线性部分结构进行试验，称作试验子结构；而其余部分由有限元软件计算模拟，称为数值子结构.通过求解结构运动控制方程，在每一步对两类子结构进行加载模拟，来完成拟动力试验[1-4].这样一方面可解决结构中强非线性特性部分模拟困难的问题，另外一方面减小了试验规模，降低了对试验设备的要求.子结构拟动力试验需要编制整体结构地震反应时程分析程序和数值子结构非线性模拟程序，但是程序编制需要大量的投入，所以目前我国所开发的子结构拟动力试验程序大多是针对比较简单的结构模型.如果能利用现有成熟的有限元分析软件作为核心计算模块，将会大大加快子结构拟动力试验程序的开发和该试验方法的应用.关于利用现有软件进行拟动力试验程序开发和拟动力试验，已有学者进行了一些尝试，如王瑾等使用Matlab作为主程序求解结构动力方程，使用OpenSees求解数值单元反力，并进行了数值模拟[5]；王强等使用OpenFresco和MTSFlextestGT实现了OpenSees有限元软件和MTS试验设备之间的数据传递[6]；徐国山等使用OpenFresco接口程序和控制程序LabVIEW/dSPACE实现了与OpenSees的数据传递，并进行了弹性的单层框架试验和非线性三层防屈曲支撑框架的试验[7-8].但是目前的尝试都是利用OpenFresco接口程序连接OpenSees来进行的，当遇到OpenFresco不支持的试验设备时，还需要另外开发设备连接程序.此外OpenFresco的远程试验功能还不完善.为减少子结构拟动力试验程序的中间环节，提高试验效率和扩大其远程协同试验功能，本文直接利用OpenSees地震反应时程分析功能和数值子结构模拟功能来开发子结构拟动力试验程序，主要探讨基于OpenSees的子结构拟动力试验程序开发涉及的关键问题，包括在OpenSees中实现子结构反应量的实时查询、子结构边界条件的处理，以及利用OpenSees的通信协议实现试验子结构和整体结构时程分析程序之间位移指令和反馈力的数据交换方法等问题.在验证本文方法的正确性时，为消除试验和数值模拟之间差异产生的干扰影响，整体结构时程分析、数值子结构和试验子结构的模拟都采用OpenSees来实现.在该试验方法得到论证之后，即可融入参与开发的NetSLab系统[9]实现远程协同的真实子结构拟动力试验.1子结构拟动力试验方法原理子结构拟动力试验方法是把结构分成两部分，即试验子结构和数值子结构.一般把结构中受力复杂或破坏严重的部分当作试验子结构进行真实试验，而把结构的其他部分（弹性及弹塑性初期部分）当作数值子结构进行数值模拟.结构在地震作用下，通过真实试验获得处于大变形的或破坏状态部位的地震反应，而利用数值模拟得到其他的弹性部分或次要部位的地震反应，以控制试验规模与节约试验经费.子结构拟动力试验的一般流程如图1所示.基于OpenSees的子结构拟动力试验系统由OpenSees数值模拟系统和物理试验设备系统组成.在OpenSees中进行整体结构的子结构化，计算获得相应试验子结构位移并发给物理试验设备系统，后者将获取的位移指令加载到试验子结构上，获得恢复力并反馈给OpenSees数值模拟系统.OpenSees数值模拟系统再通过选取的积分方法计算得到下一步的位移，如此循环直至试验结束[10].2基于OpenSees的子结构拟动力试验实现方法2.1OpenSees时程分析建模过程1997年McKenna在其博士学位论文中建立了OpenSees的程序...