車力文 秦 文

(山西省建筑科學(xué)研究院有限公司，山西 太原 030001)

0 引言

在地震區(qū)，隔震橡膠支座用于房屋、橋梁或其他結(jié)構(gòu)的隔震構(gòu)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(fā)揮應(yīng)有作用，在產(chǎn)品研發(fā)、出廠和進(jìn)場時(shí)應(yīng)進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)[2,3]。

使用電液伺服壓—剪試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行隔震橡膠支座的力學(xué)性能試驗(yàn)(壓—剪試驗(yàn)機(jī)如圖1所示)，試驗(yàn)過程由計(jì)算機(jī)控制，原始數(shù)據(jù)可由計(jì)算機(jī)的控制程序保存。但程序并未包含對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得到相關(guān)力學(xué)參數(shù)的功能。為滿足計(jì)算精度要求，單次試驗(yàn)的數(shù)據(jù)量一般較大，傳統(tǒng)方法通過人工篩選數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，較為費(fèi)時(shí)，也可能出現(xiàn)偏差。

VBA全稱Visual Basic for Application，是Microsoft Office擴(kuò)展的面向?qū)ο笮秃暾Z言，語法與Visual Basic語言相似，且能方便地與Office主程序通信。試驗(yàn)原始數(shù)據(jù)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(jù)原始數(shù)據(jù)特點(diǎn)，決定利用嵌入常用辦公軟件Microsoft Excel的VBA宏語言接口實(shí)現(xiàn)隔震橡膠支座原始試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理。

1 功能需求分析

隔震橡膠支座主要力學(xué)性能參數(shù)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(shù)均可由隔震橡膠支座應(yīng)力和應(yīng)變的關(guān)系導(dǎo)出。壓—剪試驗(yàn)機(jī)帶有應(yīng)力傳感器和位移傳感器，可記錄試驗(yàn)過程中各通道的應(yīng)力或位移狀態(tài)并反饋給計(jì)算機(jī)。形成的原始數(shù)據(jù)文件是給定間隔時(shí)間(一般為0.1 s)的傳感器數(shù)值記錄文檔。計(jì)算程序需實(shí)現(xiàn)：從數(shù)據(jù)列中截取數(shù)據(jù)段，并用數(shù)值分析方法計(jì)算得到相關(guān)參數(shù)的功能。

2 設(shè)計(jì)思路

計(jì)算程序設(shè)計(jì)的總體思路為：先遍歷數(shù)據(jù)找到計(jì)算所需的數(shù)據(jù)段，然后對該段數(shù)據(jù)進(jìn)行操作，計(jì)算得到參數(shù)。計(jì)算程序總體架構(gòu)如圖2所示。

3 具體算法實(shí)現(xiàn)

3.1 豎向壓縮剛度Kv

按照規(guī)范[1]要求，豎向壓縮剛度試驗(yàn)應(yīng)采用0—設(shè)計(jì)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(yīng)的較大位移Y2、較小位移Y1進(jìn)行計(jì)算，見式(1)。

(1)

原始數(shù)據(jù)文件為按照時(shí)間序列保存的數(shù)據(jù)列。算法通過搜索豎向加載壓力數(shù)列求極小值找到各次加載的分界處，標(biāo)記后選取第三次加載數(shù)據(jù)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(yīng)的位移分別為較小位移Y1和較大位移Y2，代入式(1)計(jì)算得豎向壓縮剛度Kv。

3.2 水平等效剛度Kh

按照規(guī)范[1]要求，水平等效剛度應(yīng)在3次循環(huán)加載中取第3次循環(huán)的最大位移X1、最小位移X2及對應(yīng)的最大剪力Q1、最小剪力Q2進(jìn)行計(jì)算，見式(2)。

(2)

原始數(shù)據(jù)文件為按照時(shí)間序列保存的數(shù)據(jù)列，算法搜索水平位移數(shù)值變號處，即為各次循環(huán)加載的分界處，標(biāo)記后選取第三次循環(huán)加載數(shù)據(jù)段。該段水平荷載數(shù)據(jù)列的極大值為最大剪力Q1，極小值為最小剪力Q2，對應(yīng)的位移分別為最大位移X1和最小位移X2，代入式(2)計(jì)算得到水平等效剛度Kh。

3.3 等效阻尼比heq

按照規(guī)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(yīng)在3次循環(huán)加載中取第3次循環(huán)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(luò)面積ΔW進(jìn)行計(jì)算，見式(3)。

(3)

算法選取第三次循環(huán)加載數(shù)據(jù)段，用梯形公式[5]進(jìn)行數(shù)值積分計(jì)算滯回曲線包絡(luò)面積ΔW，并與式(2)中相關(guān)參數(shù)一同代入式(3)，計(jì)算得到等效阻尼比heq。

3.4 屈服力Qd、屈服后剛度Kd

按照規(guī)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(huán)加載的滯回曲線與剪力軸正負(fù)交叉點(diǎn)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(dǎo)出,見式(4)，式(5)。

(4)

(5)

選取第三次循環(huán)加載數(shù)據(jù)段，搜索得到位移數(shù)值由正變負(fù)(或由負(fù)變正)區(qū)間，用線性內(nèi)插法計(jì)算位移為0時(shí)對應(yīng)的剪力，即為Qd1,Qd2。Qd1,Qd2與式(2)中的相關(guān)參數(shù)一同代入式(4),式(5)，計(jì)算得到屈服力Qd和屈服后剛度Kd。

3.5 溫度修正

按照規(guī)范[1,3]要求，試驗(yàn)基準(zhǔn)溫度為23 ℃，否則應(yīng)進(jìn)行溫度修正。計(jì)算程序包含了豎向壓縮剛度的溫度修正模塊，在計(jì)算完成后會(huì)彈出對話框，手動(dòng)輸入試驗(yàn)溫度進(jìn)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(shù)據(jù)可視化

用VBA圖表操作語法實(shí)現(xiàn)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(huán)加載的滯回曲線圖如圖3所示。

4 實(shí)例計(jì)算

為驗(yàn)證計(jì)算程序的有效性進(jìn)行了隔震橡膠支座力學(xué)性能試驗(yàn)。在試驗(yàn)中將原始試驗(yàn)數(shù)據(jù)文檔輸入Excel表格，執(zhí)行計(jì)算程序并查看結(jié)果。

4.1 豎向力學(xué)參數(shù)

某鉛芯隔震橡膠支座有效直徑為400 mm，試驗(yàn)前利用升降機(jī)將支座吊裝至實(shí)驗(yàn)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(dòng)壓剪試驗(yàn)機(jī)液壓泵，在計(jì)算機(jī)上設(shè)定試驗(yàn)壓力加載譜線開始試驗(yàn)。試驗(yàn)加載結(jié)束后保存原始數(shù)據(jù)，生成文本文檔。支座豎向參數(shù)試驗(yàn)情況如圖4所示。

將文檔數(shù)據(jù)輸入表格中，豎向壓力數(shù)據(jù)位于表格第A列～第C列，對應(yīng)的位移數(shù)據(jù)位于表格第E列～第G列。在Excel的“宏”選項(xiàng)卡下啟動(dòng)計(jì)算程序，選擇執(zhí)行“豎向”宏。計(jì)算完成后出現(xiàn)對話框，此時(shí)可輸入試驗(yàn)時(shí)室溫并點(diǎn)擊“確定”進(jìn)行溫度修正，否則點(diǎn)擊“取消”不進(jìn)行修正。該支座的豎向力學(xué)參數(shù)計(jì)算截圖如圖5,圖6所示。

由圖6可知，該次試驗(yàn)加載開始在數(shù)據(jù)列第132行，加載結(jié)束在數(shù)據(jù)列第1 361行，計(jì)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(shù)為1.00。

4.2 水平力學(xué)參數(shù)

豎向力學(xué)試驗(yàn)結(jié)束后將位移傳感器撤去，保持支座在試驗(yàn)機(jī)內(nèi)固定的狀態(tài)，在計(jì)算機(jī)上設(shè)定試驗(yàn)水平位移加載譜線開始試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)束后保存原始數(shù)據(jù)，生成文本文檔。支座進(jìn)行水平力學(xué)試驗(yàn)情況如圖7所示。

將原始試驗(yàn)數(shù)據(jù)輸入表格，數(shù)據(jù)位于表格第A列～第C列，在Excel的“宏”選項(xiàng)卡下啟動(dòng)計(jì)算程序，并執(zhí)行“水平”宏。該支座的水平力學(xué)參數(shù)計(jì)算結(jié)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(jié)論與展望

本文主要介紹了用嵌入Microsoft Excel的VBA宏語言實(shí)現(xiàn)的隔震橡膠支座力學(xué)試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理程序。該程序可用于計(jì)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(shù)，可進(jìn)行豎向參數(shù)的溫度修正。經(jīng)過較長時(shí)間的實(shí)際試驗(yàn)驗(yàn)證，計(jì)算程序可滿足需求，計(jì)算結(jié)果有效，精度滿足要求。

目前計(jì)算程序內(nèi)嵌于Microsoft Excel，平臺機(jī)能受限，且需要手動(dòng)粘貼原始文件內(nèi)的數(shù)據(jù)。未來可移植至其他高級語言并形成獨(dú)立的可執(zhí)行程序，進(jìn)行自動(dòng)讀取和圖形界面操作，實(shí)現(xiàn)更友好的操作和更高效的數(shù)據(jù)處理。