超高强混凝土节点滞回性能数值模拟系统设计
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摘 要： 传统的混凝土节点滞回性能数值模拟系统存在模拟时间长的问题，因此设计超高强混凝土节点滞回性能数值模拟系统，以解决传统系统存在的问题。系统的硬件部分主要包括数据采集卡、微控制器板和输入输出卡，数据采集卡为系统提供数据采集功能，微控制器板为系统提供信号以及交换与检测的功能，输入输出卡主要将采集到的模拟信号转换为数字信号。系统软件部分，首先引入损伤指标模拟超高强混凝土在拉压往复荷载作用下的受力特点，然后建立超高强混凝土材料本构模型，分析混凝土材料本构关系，最后建立混凝土节点滞回性能评价指标，模拟混凝土节点在不同轴向力作用下的滞回性能，以此完成超高强混凝土节点滞回性能数值模拟。实验对比结果表明，此次设计的超高强混凝土节点滞回性能数值模拟系统比传统系统数值模拟时间短，具有一定的实际应用意义。
关键词： 超高强混凝土; 滞回性能; 数值模拟; 系统设计; 信号传输; 对比验证
中图分类号： TN919?34; TU375 文献标识码： A 文章编号： 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
高強混凝土作为一种新的建筑材料，以其抗压强度高、抗变形能力强、密度大、孔隙率低的优越性，在高层建筑结构、大跨度桥梁结构以及某些特种结构中得到了广泛应用。目前，关于超高强混凝土抗震性能的研究较多，但在滞回性能数值模拟上的研究相对落后。滞回性能是指在反复作用下结构的荷载变形曲线，其能够反映结构在反复受力过程中的变形特征、刚度退化及能量消耗，即滞回曲线的性能。因其影响因素较多，需要大量的实验研究才能确定，但是受实验条件、测量手段及时间经济成本的限制，试验提供的信息有限。同时，传统的数值模拟系统存在模拟时间长的问题，因此研究一种超高强混凝土节点滞回性能数值模拟系统。 此次设计的系统硬件主要包括数据采集卡、微控制器板和输入输出卡，系统软件部分主要引入损伤指标，模拟超高强混凝土在拉压往复荷载作用下的受力特点，然后建立超高强混凝土材料本构模型，最后构建评价指标模拟混凝土节点在不同轴向力作用下的滞回性能，以此完成了超高强混凝土节点滞回性能数值模拟系统的设计。
1 超高强混凝土节点滞回性能数值模拟系统硬件设计
此次设计的超高强混凝土节点滞回性能数值模拟系统的硬件设计主要包括数据采集卡、微控制器板和输入输出卡。
1.1 数据采集卡设计
采用PXI?10024型号的数据采集卡[1]。该采集卡为8通道同步并行数据采集模块，每个通道的最高采样率可达100 KSPS，并配有最高128 MB的板载缓存以及32 KB FIFO，支持DMA实时数据传输;并具有PXI全兼容采集模块，3U尺寸，即插即用，可多模块同步扩展，每个通道独立4个可程控量程档[2]，具有多种触发模式正、负延时功能。该数据采集卡作为系统的核心部分，为系统提供数据采集功能。
1.2 微控制器板设计
采用Arduino Mega 2560微控制器[3]。该控制器具有54个数字输出引脚，其中15个可以用作PWM输出，16个模拟输入，包含4个硬件串口，1个16 MHz晶体振荡器;并提供USB连接接口，1个电源插口、1个ICSP头和一个复位按钮。该控制器板只需要将USB连接线连接到计算机上，或电池为其供电即可启动，主要为系统提供信号以及交换与检测的功能，并能够控制系统中各个部件的协调工作[4]。
1.3 输入输出卡设计
数据采集卡采集系统信号为模拟信号，而计算机所能识别的是数字信号，因此采用PCI?8192输入输出卡[5]进行转换。其是一种基于PCI总线的模拟量输入输出卡，具有较快的响应速度，可直接插在与之兼容的PCI插槽[6]中。该输入输出卡转换精度为16位，最高采样频率为18 kHz，具有4路通道，并且具有单端[7]、双端的模拟量输入方式。
2 超高强混凝土节点滞回性能数值模拟系统软件实现
3 实验对比
为了验证上述设计的超高强混凝土节点滞回性能数值模拟系统的有效性，设计实验。为了保证实验的严谨性，将传统系统与此次设计系统对比，对比两种系统滞回性能数值模拟时间。
3.1 实验准备
采用某工厂的超高强混凝土作为实验对象，随机抽取7组混凝土试件，试件基本信息如表1所示。
根据试件的基本信息，分别采用传统方法与此次设计方法对上述7个试件的滞回性能模拟。模拟过程中会产生大量的实验数据，因此构建实验平台，如图3所示，对实验过程记录与控制，以保证实验的准确性。
3.2 实验结果分析
传统系统与此次设计的混凝土节点滞回性能数值模拟系统的实验对比结果如图4所示。
由对比结果可知，此设计系统在编号K1，K2，K4，K5，K6这5个混凝土试件滞回性能数据模拟上所花费的时间与传统系统所花费的时间相差较大，只有在第K3，K7两个试件滞回性能模拟上花费时间与传统系统花费时间相差较小，但是总体的花费时间均低于传统系统。而传统系统整体的滞回性能数值模拟时间都高于此次设计的系统，因为此次设计的系统通过建立超高强混凝土材料本构模型和建立混凝土节点滞回性能评价指标，能够大大减少数值模拟的计算量。
4 结 语
本文对超高强混凝土节点滞回性能数值模拟系统进行研究，以解决传统系统存在的模拟时间长等问题。系统的硬件设计主要包括数据采集卡、微控制器板和输入输出卡。系统软件部分通过引入损伤指标，模拟超高强混凝土在拉压往复荷载作用下的受力特点，建立超高强混凝土材料本构模型，最后建立混凝土节点滞回性能评价指标以模拟混凝土节点在不同轴向力作用下的滞回性能。实验结果表明，此次设计的系统在数值模拟上所花费的时间比传统系统花费时间少，具有一定的实际应用意义。
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