教学项目


名称
       工程结构低周往复荷载虚拟仿真实验教学项目
实验目的
        低周往复荷载虚拟仿真实验系统服务土木工程专业,用于替代真实实验成本高、准备时间长、劳动强度大、风险大的项目。通过本实验使学生了解钢框架、梁柱节点、砌体结构、剪力墙、框架结构在地震低周往复荷载作用下受力变形情况,深入认识大型土木工程构件开裂破坏规律,同时使学生了解电液伺服液压加载系统组成、荷载施加操作、实验数据处理等相关专业知识。
实验课时
(1)实验所属课程所占课时:32 
(2)该实验项目所占课时:4
实验原理
  低周往复荷载试验是指对结构或结构构件施加多次往复循环作用的静力试验,使结构或结构构件在正反两个方向重复加载和卸载的过程,用以模拟地震时结构在往复振动中的受力特点和变形特点。这种方法是用静力方法求得结构振动时的效果,因此称为拟静力试验,或伪静力试验。
  低周往复荷载试验是目前研究结构或结构构件受力及变形性能时应用最广泛的方法之一。它采用一定的荷载控制或位移控制对试件进行低周往复循环加载直至破坏,由此获得结构或结构构件非弹性的荷载—变形特性,因此又称为恢复力特性试验。该方法的加载速率很低,因此由于加载速率而引起的应力、应变的变化速率对于试验结果的影响很小,可以忽略不计。同时该方法为循环加载,也称为周期性加载。
  进行结构拟静力试验的主要目的,首先是建立结构在地震作用下的恢复力特性,确定结构构件恢复力的计算模型,通过试验所得的滞回曲线和曲线所包围的面积求得结构的等效阻尼比,衡量结构的耗能能力,同时还可得到骨架曲线,结构的初始刚度及刚度退化等参数。由此可以进一步从强度、变形和能量等三个方面判断和鉴定结构的抗震性能。最后可以通过试验研究结构构件的破坏机制,为改进现行结构抗震设计方法及改进结构设计的构造措施提供依据。

知识点:共 5 个
        (1) 半刚接钢框架结构在地震等低周往复荷载作用下弹性变形,对荷载反应敏感,具有抵抗大变形的特征;
        (2) 通过梁柱节点低周往复荷载试验可衡量结构的耗能、骨架曲线及刚度退化等参数;
        (3) 框架结构侧向刚度小,水平位移较大,易造成严重的非结构性破坏;
        (4) 砌体结构耐压不耐拉,整体性较差,易遭受地震破坏,抗震性能很差;
        (5) 剪力墙在平面内的抗侧移刚度很大,平面外刚度很小,主要作用是承担竖向荷载、抵抗水平荷载。
实验仪器设备
       三通道环幕立体投影系统、配套图形设备系统、计算工作站以及立体头盔等高性能计算和虚拟仿真设备,如图1~图4。拥有开发和服务功能的虚拟仿真软件,如:Unity3D、Virtools、VRP、3DMax、ANSYS、ABAQUS、FLASH、Revit等仿真模拟软件。


   
图1 “实验”三通道环幕投影系统 

图2 “实验”交换机


        
图3 三通道环幕投影仪 

 图4 “实验”视频教学拍摄系统


实验材料

       本实验所选用的大型构件及大比例模拟实验加载框架与多通道协调加载试验系统共分六部分:
       1、4通道全数字控制系统一套;
       2、电液伺服作动器:1000kN一台;最大行程:±300m,安装调整架在水平方向的调整范围为±280mm,垂直方向的调整范围为±185mm,主要配置:
              作动筒:1件/台
              万向球铰:2套/台
              消隙装置:1套/台
              高压组合密封:1套/台
              1000kN载荷传感器:1件/台
              磁致伸缩位移传感器(精度0.05%FS):1件/台
              电液伺服阀:1件/台
       3、600L/min油源一套
       4、4通道分油器一台及管路系统一套
       5、2000kN静态垂压千斤顶二台
       6、大型构件及大比例模拟实验加载架一套横梁高度有级可调,可调范围为5200mm,步距为100m最大净空高度为6152mm
实验教学方法
       教学方法:利用多媒体课件、电脑上机操作虚拟仿真教学资源、试验现场讲解等手段,针对学生感受新知、理解新知、形成技能的不同阶段,采用讲授式、实例贯穿式、任务驱动式、现场教学法等多种方法的有机结合,并注重实效。下面以剪力墙低周往复荷载虚拟仿真实验为例进行说明。
        使用目的:在工程结构低周往复荷载虚拟仿真实验教学平台上,使得学生有身临其境的感觉,真实性强,虚拟教学可以实现现场实习的教学目的。通过将实验内容和表现形式生动立体化,与学生形成良好的互动模式,以此达到传授学生知识、提高学生能力、拓展学生视野的实验目的。在本实验项目中,需要学生掌握构件与仪表的选择及布置、学会仔细观察构件的破坏形态及裂缝发展过程,了解剪力墙的受力破坏特点,以及抗震性能,结合实验与工程实际,讨论如何合理设计剪力墙。
        实施过程:在剪力墙低周往复荷载虚拟仿真实验教学中,首先采用多媒体课件讲授剪力墙在房屋结构中的重要作用,以及其在地震过程中荷载传递规律;然后以剪力墙在地震荷载中的真实破坏实例为例讲解剪力墙结构房屋的震害规律;再次,将剪力墙虚拟仿真实验操作流程教给学生,让其在虚拟仿真系统中模拟完成剪力墙破坏情况;最后到达河南大学结构实验室教学大厅,对比真实剪力墙低周往复荷载试验,总结虚拟仿真与真实试验结果差距,对剪力墙低周往复荷载虚拟仿真实验教学项目提出修改意见,同时要求学生完成学习自测。
        实施效果: 

(1)创造与实际环境相似度非常高的环境,有利于学生快速学习。依托虚拟仿真、人机交互技术建立起来的虚拟体验系统,可以逼真的模拟土木工程实验操作的流程。高度逼真的体验环境,使得学生能够获得生动直观的感性认识,增进对抽象的原理的理解。  
(2)节省时间和成本。比起传统的实物实景教学以及单纯的实物现场实习或体验,虚拟仿真系统能够大大缩短建立实物和获取环境的时间,而且一套虚拟仿真系统可以多人同时、多次使用,实现在更短的时间和更小的成本内培养更高素质人才的目标。 

(3)增加安全可靠性。虚拟仿真系统使得体验过程不再带来人身伤害和环境危害,也不会浪费任何财力、物力,体验者可以通过虚拟仿真熟练掌握知识原理和操作流程,这种过程还可以无限制的进行重复,强化知识学习过程。 

(4)手段新颖,直观性强,学生学习兴趣高。采用3D仿真技术,模拟真实操作环境,实现人机交互操作等,都能在虚拟的三维现实环境下,实现协同模拟操作。该系统采用虚拟现实、3D动画、人机交互等先进技术,手段新颖,直观性强,能达到良好的教学效果。
       我们统计分析了采用虚拟仿真教学的2014级与采用手段前的2013级学生在剪力墙实验中成绩情况,如图5所示,教学效果明显提升。


图5 不同教学方法学生实验成绩统计图


实验方法与步骤要求
(1)实验方法描述:
       学生实验试可以观看三维动画的形式展示实验的全过程及注意事项。学生操作虚拟仿真实验过程是置身于虚拟实验室中,可以自由行走,任意观察,并动手操作实验设备,完成实验项目。通过虚拟仿真实验,使学生掌握实验流程及操作要点,然后在真实验中可以更加高效地完成实验。
(2)学生交互性操作步骤说明:
       进入低周往复荷载实验中剪力墙低周往复荷载实验点击“开始实验”详细操作步骤如下:
第一步:开始试验,打开配电柜的门(单击配电柜的门即可)
第二步:打开电源,点击钥匙开关。
第三步:点击 “系统诊断”, 在要发送的字符串文本框中输入任何字符,接收到的字符如果相同,则系统通讯正常。
第四步:点击 “试验配置”,然后依次点击“新建→通道数→主动加载→静力谱→右键(增加一块,实际增加一个荷载步,改数的时候,双击变黑,改完回车)→安全控制参数(双击该控制方式)→浏览(设置存文件名称)→No”,编制加载制度,可以采用位移加载也可以采用荷载控制的加载。
第五步:点击“试验准备”,然后依次点击“试件安装→系统标定→反馈值数码表→FPID参数调节→荷载控制(或位移控制)”安装试件时要跟安装试件的控制命令对照看,调节指令与反馈值,初步调到相同。
第六步:点击“数据保存”:然后依次点击“存储系统→存储参数→选定存储通道,数据点间隔→应用→保存”,保存实验数据。
第七步:开启油源,按照顺序开启,按下电源1的启动按钮;
第八步:按下油源1的高压或卸荷按钮
第九步:按下总高压或卸荷按钮
第十步:压力调节,扭压力调节旋钮,到油压显示10兆帕
第十一步:按下冷却的开启按钮
第十二步:数据采集过程
第十三步:实验结果转化依次点击“开始→所有程序→Testboard→需要转换的二进制文件,浏览→转换后文件存储路径,浏览→转换数据”,将实验结果的2 进制文件,转换为文本文件,实验结束。
第十四步:实验进行最后一步,顺序关闭油源,第一步 将油压旋钮逆时针旋转到底,即将油压调到最低
第十五步:关闭总“高压或卸荷”
第十六步:关闭油源1 高压或卸荷
第十七步:按下油源1 停止按钮
第十八步:按下冷却停止按钮
第十九步 关闭电源 (点击钥匙开关,实验结束。

 

图6 油压控制界面


实验结果分析

 

  图7 虚拟荷载施加


         
  图8 虚拟实验剪力墙与河南大学结构实验室真实剪力墙试样破坏形态对比                    

图9 滞回曲线


       实验中学生可以对剪力墙施加虚拟破坏荷载(图7),观察实验过程中剪力墙的变形破坏情况(图8),图8中第一批裂缝产生自剪力墙根部的水平裂缝,随着荷载的增大,产生剪切斜裂缝,由于荷载往复,根部裂缝基本呈“X”型剪切裂缝。同时根据虚拟传感器记录的数据,绘制成应力位移滞回曲线(图9),滞回曲线开始呈梭形,随着荷载增大,钢筋滑移,滞回曲线呈反“S”型,在轴压比不大的情况下,滞回曲线饱满,轴压比越大,滞回曲线越不饱满,捏缩越严重;
重做试验
       如果学生没有完全掌握试验内容或对部分内容认识不够清楚,可点击“重做实验”按钮,重新开始试验。

实验结果与结论要求
(1)是否记录每步实验结果:是 否
(2)实验结果与结论要求:实验报告 心得体会 其他           
(3)其他描述:学生可以将虚拟仿真实验过程中遇到的问题,通过互动交流区(答疑区)提问,老师在看到问题后会第一时间回复。

考核要求
(1)经过上述几个模块的学习,对学生进行考核,测试其对剪力墙结构低周往复荷载试验知识的掌握程度。
(2)具体方式为:按照要求答题,在线提交老师。

 

图10低周往复实验在线考试


面向学生要求
(1)专业与年级要求
       土木工程专业,大学三年级以上学生均可进行虚拟仿真实验学习。
(2)基本知识和能力要求等
       本仿真实验教学系统主要是针对《结构试验》课程第五章结构动力试验教学内容开发的虚拟仿真实验,学生开展虚拟仿真实验前需要对《混凝土结构设计原理》、《工程抗震设计》、《钢结构》、《砌体结构》、《高层建筑结构》等课程的相关专业知识有一定了解。
实验项目应用及共享情况
(1)本校上线时间:2015.8
(2)已服务过的本校学生人数:1500人
(3)是否纳入到教学计划: 是 
(4)是否面向社会提供服务:是  否
(5)社会开放时间 :2015.8  已服务人数:16000人