王燕華,陸金鈺,吳 剛,徐偉杰,馮 巖

(東南大學(xué) 土木學(xué)院，南京 210096)

0 引 言

如何培養(yǎng)具有“專業(yè)扎實、創(chuàng)新能力強(qiáng)、協(xié)作敬業(yè)、恪守道德和具有國際化視野”的土木工程專業(yè)人才，吸引更多優(yōu)秀人才加入土木工程行業(yè)，在繼承和發(fā)展之間，承擔(dān)更大的職責(zé)，展示更多的領(lǐng)導(dǎo)才華，是土木工程未來教育面臨巨大挑戰(zhàn)。工程實踐能力的培養(yǎng)作為工科教育的重要內(nèi)容，不僅是應(yīng)用型人才區(qū)別于研究型人才的顯著特點(diǎn)，也是檢驗素質(zhì)教育成效的關(guān)鍵性指標(biāo)，更是“卓越工程師”培養(yǎng)的迫切要求[1]。然而，實踐教學(xué)中存在以下幾個問題：① 實驗室大型結(jié)構(gòu)加載設(shè)備一般很大且價格昂貴，大型設(shè)備和先進(jìn)的試驗技術(shù)大部分應(yīng)用于科研性試驗；② 由于試驗消耗大、成本高、操作的復(fù)雜性以及安全性，大型復(fù)雜的抗震試驗學(xué)生只能看演示性試驗，無法親自開展大量的參數(shù)化試驗研究;③ 實驗教學(xué)內(nèi)容驗證性實驗偏多，設(shè)計性、綜合探索實驗偏少，缺乏對學(xué)生的系統(tǒng)科研訓(xùn)練[2]。

上述原因造成學(xué)生難以自主參與大型復(fù)雜的抗震實驗設(shè)計，實驗教學(xué)也缺乏科研探索性和啟發(fā)性，客觀上壓抑了學(xué)生對科學(xué)實驗的興趣，束縛了學(xué)生的創(chuàng)造力和想象力，影響了學(xué)生創(chuàng)新和實踐能力的培養(yǎng)[3]。因此，本文探索了抗震混合試驗OpenSees-OpenFresco-MTS教學(xué)平臺的建立與開發(fā)，組織課外研學(xué)本科生科研訓(xùn)練計劃(Student Research Training Program,SRTP)項目和研討會(Seminar)的形式實踐任務(wù)，有機(jī)融合3個遞進(jìn)層次課外研學(xué)內(nèi)容，探索實施“學(xué)生創(chuàng)新意識、創(chuàng)新能力和創(chuàng)新精神培養(yǎng)為主線，集抗震混合科研教學(xué)試驗于一體”的面向卓越工程師培養(yǎng)的實踐教學(xué)體系[4-5]。

1 教學(xué)平臺及關(guān)鍵技術(shù)

混合試驗源于子結(jié)構(gòu)模擬動力試驗，不同之處在于計算部分采用了有限元程序，其最為顯著的特點(diǎn)是可僅對重要的復(fù)雜部位尤其是高度非線性構(gòu)件制作大比例模型進(jìn)行試驗，其余作為計算部分進(jìn)行數(shù)值模擬。該方法具有兩大優(yōu)點(diǎn)：① 可以大大減小實驗規(guī)模，因為不需要對整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行試驗，只需針對其中的一部分；② 因控制自由度的個數(shù)減少了，可用較少的作動器進(jìn)行試驗，降低了對試驗設(shè)備的要求。

1.1 軟硬件條件

土木試驗中心擁有2臺MTS 244.21液壓伺服作動器，1臺MTS FT60液壓伺服控制器，1臺TARGET協(xié)同控制器，1套HPU液壓油源系統(tǒng)，硬件如圖1所示?；旌夏M試驗平臺軟件主要分為兩類:① 是MTS控制軟件;② 是通用計算有限元軟件。MTS 控制軟件793.00 System Software主要包括Station Builder(建站)軟件、Basic TestWare(基本試驗)軟件、Multi-Purpose Testware(多功能試驗)軟件以及Station Manager(站管理)軟件等。有限元數(shù)值模擬軟件包括ANSYS、SAP、ABAQUS和 OpenSees等均可以用于結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬分析，其中OpenSees是目前進(jìn)行混合模擬試驗最為常用的有限元軟件之一。

圖1 試驗系統(tǒng)的加載設(shè)備

1.2 OpenSees-OpenFresco-MTS混合試驗平臺[6]

OpenSees相比傳統(tǒng)數(shù)值模擬軟件具有較好的開源性，且基于模塊化。所以，有限元計算部分采用OpenSees有限元分析軟件。主要負(fù)責(zé)整體結(jié)構(gòu)混合模型的創(chuàng)建和分析方法等主要試驗參數(shù)的設(shè)置。

為了實現(xiàn)MTS試驗控制系統(tǒng)與OpenSees有限元軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，需要借助于一個基于通用標(biāo)準(zhǔn)的接口軟件 OpenFresco (Open Framework for Experi- mental Setup and Control)。OpenFresco接口軟件是混合試驗系統(tǒng)平臺的中間協(xié)調(diào)部分，主要用途在于聯(lián)系有限元軟件與試驗設(shè)備、試驗控制、數(shù)據(jù)采集等外部條件，將物理試驗與計算模擬的數(shù)據(jù)進(jìn)行集成耦合。

MTS 793試驗控制系統(tǒng)針對電液伺服作動器發(fā)出指令，并基于作動器內(nèi)部的力傳感器和位移傳感器，收集反饋信號。

OpenFresco與MTS電液伺服系統(tǒng)的通信由MTS CSC定義完成。MTS CSC是MTS公司為了實現(xiàn)其系統(tǒng)與OpenFresco銜接而開發(fā)的程序，利用CSC設(shè)定試驗單元的自由度控制通道，預(yù)設(shè)基本單位類型、反饋信息的通道、單位，從而實現(xiàn)MTS試驗控制系統(tǒng)與OpenFresco的實時數(shù)據(jù)傳輸。

OpenFresco與OpenSees的通信通過后者引用前者內(nèi)置的“試驗單元”來實現(xiàn)，OpenSees在建立結(jié)構(gòu)體系基本單元時加入試驗單元，該單元不同于其余的數(shù)值單元，即它的本構(gòu)關(guān)系并非事先在OpenSees中定義，而是通過現(xiàn)場試驗實測，并實時反饋給OpenSees。

OpenFresco與OpenSees及MTS控制系統(tǒng)的連接示意圖如圖2所示。

圖2 混合試驗系統(tǒng)組成

2 3個層次抗震混合試驗研討課程

通過一定數(shù)量和不同形式的結(jié)構(gòu)實驗?zāi)Ｐ鸵匝a(bǔ)充土木課堂理論知識。構(gòu)建了3個層次的抗震混合試驗研討課(見圖3)，全面鍛煉學(xué)生的科研能力，充分調(diào)動學(xué)生對專業(yè)知識學(xué)習(xí)的興趣，提高學(xué)生的理論應(yīng)用、實驗動手、資料收集以及軟件應(yīng)用能力。形成了包括教學(xué)大綱、考核方式及評價體系、研討案例、多媒體PPT 教案、實物演示模型等創(chuàng)新實踐教學(xué)資源，確保創(chuàng)新活動可持續(xù)發(fā)展[7-9]。

考慮到實驗室設(shè)備的條件和結(jié)構(gòu)選擇的合理性，本文選擇防屈曲支撐為研究對象，以鋼框架為基本結(jié)構(gòu)體系，對該類結(jié)構(gòu)的子結(jié)構(gòu)混合模擬實驗方法進(jìn)行了探討，分以下4種方案進(jìn)行:① 可使用OpenSees建立合適的框架結(jié)構(gòu)模型，建立無支撐鋼框架、鋼支撐鋼框架以及防屈曲支撐鋼框架，分析防屈曲支撐在結(jié)構(gòu)抗震中的作用與優(yōu)越性；② 以防屈曲支撐作為試驗子結(jié)構(gòu)，進(jìn)行整體框架結(jié)構(gòu)的混合模擬試驗；③ 選擇OpenSees作為有限元分析軟件，建立無支撐3層框架模型和帶防屈曲支撐3層框架模型進(jìn)行動力時程分析；④ 選擇單根彈簧進(jìn)行 OpenSees-OpenFresco-MTS 全過程抗震混合模擬試驗。具體分以下3個層次的課程遞進(jìn)式進(jìn)行[10-12]：

圖3 抗震混合試驗課程

第1層次優(yōu)化“結(jié)構(gòu)檢驗”課堂實踐教學(xué)。將抗震混合試驗引入“結(jié)構(gòu)檢驗”試驗課堂，分基礎(chǔ)、提高及創(chuàng)新訓(xùn)練3種。學(xué)生可自由分組，自主選修實踐課程，在這實踐平臺中，可以進(jìn)行自行觀摩，分析和討論結(jié)構(gòu)模型。旨在培養(yǎng)學(xué)生興趣，并積極鼓勵申請創(chuàng)新課程。

第2層次組織校級課外研學(xué)SRTP項目。對于抗震試驗有一定的了解，初步進(jìn)行有限元的計算和模擬；通過制定防屈曲支撐的項目方案，建立多種方案的模擬設(shè)計，修改參數(shù)，增強(qiáng)學(xué)生對于土木抗震知識深入理解。

第3層次開展省級和國家級課外研學(xué)SRTP項目和Seminar研討課程；利用課程綜合性特點(diǎn)，引導(dǎo)學(xué)生查閱文獻(xiàn)資料，使學(xué)生接受全方位的科研訓(xùn)練(如科技論文寫作、數(shù)值模擬分析，模型試驗操作、發(fā)明專利申報等)，彌補(bǔ)了現(xiàn)行課程體系和培養(yǎng)模式的不足，以培養(yǎng)卓越工程師為目標(biāo)，使學(xué)生能夠進(jìn)行一定的理論研究工作，具備一定的研究探索能力[12-15]。

3 研究案例舉例

3.1 單層框架混合模擬試驗驗證

建立最為簡單的單層框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行混合模擬試驗,單層框架示意圖如圖4所示。

在圖4所示框架的混合模擬試驗中，梁柱構(gòu)件13、24和34為數(shù)值子結(jié)構(gòu)，在有限元軟件中進(jìn)行數(shù)值模擬，而彈簧構(gòu)件14為試驗子結(jié)構(gòu)通過MTS試驗控制系統(tǒng)進(jìn)行實際的加載。該框架中構(gòu)件與構(gòu)件的連接、支座處的連接均為固定連接，模型的質(zhì)量主要集中于節(jié)點(diǎn)3和4。

圖4 試驗系統(tǒng)的加載設(shè)備 (mm)

同時考慮到實驗室作動器的噸位限制且彈簧構(gòu)件的受力較小，導(dǎo)致試驗結(jié)果不是十分明顯，因此相應(yīng)的鋼框架各截面參數(shù)設(shè)置均比較小。柱子截面尺寸為13.63 mm×13.63 mm，梁的截面尺寸為34.75 mm×34.75 mm。在有限元軟件OpenSees中可以通過相應(yīng)的語句創(chuàng)造出該模型。

本模型的動力分析方面選擇兩條地震波El-Centro地震波和GM1X地震波分別進(jìn)行加載，震動方向沿x(34)方向。案例中構(gòu)件的相關(guān)參數(shù)和地震波的相關(guān)參數(shù)如表1、2所示。

表1 構(gòu)件相關(guān)參數(shù)表

表2 地震波的相關(guān)參數(shù)

在進(jìn)行混合模擬試驗之前，通過OpenSees進(jìn)行單純的有限元分析，以進(jìn)行對照和對比。此時只需將彈簧構(gòu)件14從試驗子結(jié)構(gòu)替換為數(shù)值子結(jié)構(gòu)即可，模型的其他參數(shù)均保持不變。將彈簧構(gòu)件14設(shè)置為truss單元，設(shè)置其彈性模量為30 MPa，截面積為35 mm2。

3.2 試驗結(jié)果

比較混合模擬試驗結(jié)果和純有限元分析結(jié)果，做出在兩種地震波加載的情況下，節(jié)點(diǎn)4的位移時程圖像以及彈簧的軸力時程圖像如圖5～8所示。

試驗結(jié)果驗證混合試驗系統(tǒng)有很好的精度，能夠滿足一般性試驗的要求。

4 結(jié) 語

通過構(gòu)建面向卓越工程師培養(yǎng)的抗震混合試驗實踐平臺，不僅可以完善現(xiàn)有的實踐教學(xué)體系，而且還具有以下優(yōu)勢[15-17]：

圖5 加載GM1X波的位移時程圖像

圖6 加載El-Centro波的位移時程圖像

圖7 加載GM1X波的彈簧軸力時程圖像

圖8 El-Centro波彈簧軸力時程圖像

(1)打破原來科研教學(xué)孤立狀態(tài)，打造了軟硬件有機(jī)融合、建立了直接面向本科學(xué)生的柔性開放機(jī)制，實現(xiàn)將先進(jìn)的實驗技術(shù)從科研平臺向教學(xué)平臺轉(zhuǎn)化。

(2)根據(jù)卓越工程師創(chuàng)新人才為培養(yǎng)目標(biāo)，構(gòu)建了實踐教學(xué)內(nèi)容和多層次科研訓(xùn)練課程，內(nèi)容涵蓋了課程的基礎(chǔ)性實驗、綜合創(chuàng)新SRTP實驗、Seminar研討課程等。

(3)利用混合試驗教學(xué)平臺，建立多種方案，降低了試驗成本，開展大批量的參數(shù)化試驗研究。解決學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)得不到高品質(zhì)教學(xué)資源的支撐、學(xué)生自主創(chuàng)新的內(nèi)驅(qū)動力不足等問題，有效培養(yǎng)和提升了學(xué)生自主創(chuàng)新意識和能力。