MTS土木結(jié)構(gòu)試驗系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)靜力試驗中的應(yīng)用

王紅偉

摘 要：通過對目前常用的土木結(jié)構(gòu)抗震試驗方法之一擬靜力試驗方法的介紹，結(jié)合MTS土木結(jié)構(gòu)試驗系統(tǒng)的一些常用功能，論述了該系統(tǒng)無論硬件系統(tǒng)還是軟件操作系統(tǒng)都能夠滿足抗震試驗的要求。同時也介紹了《建筑抗震試驗方法規(guī)程》（JGJ 101-96）對加載制度做出得規(guī)定和基本原則，有針對性的說明了土木抗震試驗中常用的加載制度和試驗控制的方法。最后介紹了試驗所得的試驗數(shù)據(jù)通過東華測試公司的DH3817動靜態(tài)測試系統(tǒng)采集，以及試驗數(shù)據(jù)的處理。

關(guān)鍵詞：MTS 電液伺服加載系統(tǒng) 土木結(jié)構(gòu) 抗震試驗驗 擬靜力試驗 加載制度

中圖分類號：TU317 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）08（a）-0140-02

有史以來，地震對人類建造的工程結(jié)構(gòu)無論是破壞力還是是破壞的影響都是最大的，為了研究如何能最大程度的減小地震的影響，人類進行了大量的探索，其中擬靜力試驗是一種很有效的模擬地震破壞的一種方法。

目前研究結(jié)構(gòu)或構(gòu)件性能中應(yīng)用最多的試驗方法是擬靜力試驗方法。這種試驗可以提供構(gòu)件的各種基本信息：承載力、剛度、變形能力、耗能能力和損傷特征等。該試驗方法采用一定的載荷控制或變形控制對試件進行低周反復(fù)加載，使試件從彈性階段直至破壞的一種試驗。該方法的加載速率很低，因此由于加載速率而引起的應(yīng)力、應(yīng)變的變化速率對于試驗結(jié)果的影響很小，可以忽略不計。

通過試驗所得的滯回曲線和曲線所包圍的面積求得結(jié)構(gòu)的等效阻尼比，衡量結(jié)構(gòu)的耗能能力，同時還可得到骨架曲線，結(jié)構(gòu)的初始剛度及剛度退化等參數(shù)是進行結(jié)構(gòu)擬靜力試驗的主要目的，建立結(jié)構(gòu)在地震作用下的恢復(fù)力特性，確定結(jié)構(gòu)構(gòu)件恢復(fù)力的計算模型。由此可以進一步從強度、變形和能量等三個方面判斷和鑒定結(jié)構(gòu)的抗震性能。最后可以通過試驗研究結(jié)構(gòu)構(gòu)件的破壞機制，為改進現(xiàn)行結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計方法及改進結(jié)構(gòu)設(shè)計的構(gòu)造措施提供依據(jù)。

根據(jù)試驗?zāi)康牡牟煌约敖Y(jié)構(gòu)性能的差別，加載制度也有區(qū)別。例如，鋼筋混凝土橋墩，在試驗中由于種種原因限制，低周反復(fù)加載過程中，達到同樣大小的位移，正負(fù)向作用力不相等，如果在橋墩屈服之前就利用荷載控制加載，往往會出現(xiàn)橋墩零位的偏移，就是和橋墩處是安裝的中心位置（零點）偏移，試驗得出的滯回曲線不能封閉，很難判斷橋墩的屈服點，如果一開始就用位移來控制加載，很好的解決了這個問題，也方便對試驗數(shù)據(jù)進行處理。當(dāng)很難確定明顯的屈服點，這時，只能采用較小的級差，逐步達到最大荷載。又例如，為了研究不規(guī)則的地震運動導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)損傷積累，可以采用混合變幅加載制度。

1 設(shè)備的特性和功能

在結(jié)構(gòu)靜力試驗中，我們試驗室現(xiàn)有的MTS土木測試系統(tǒng)和上海東華測試有限公司的3817動靜態(tài)采集系統(tǒng)相配合很好的進行了擬靜力試驗。（見圖1、圖2）

MTS土木結(jié)構(gòu)試驗系統(tǒng)主要有：電液伺服作動器、模擬控制器、液壓源、液壓管路和測量儀器（力傳感器、位移傳感器）。電液伺服作動器是整個試驗系統(tǒng)的執(zhí)行者，接到加載命令后，把電信號轉(zhuǎn)化為活塞桿的運動，從而達到對試件的推進和拉伸。模擬控制器只對電液伺服做動器提供命令信號，指揮做動器完成需要的相應(yīng)動作。液壓源為整個試驗系統(tǒng)提供動力支持，對于MTS這種高精度的儀器，對液壓源提出了很高的要求，液壓油的壓力和流量的穩(wěn)定，用油的潔凈度以及油溫都有要求，為了達到合適的工作油溫，MTS配有自動冷卻水系統(tǒng)和高溫預(yù)警系統(tǒng)。（見圖3）

2 加載制度

目前常用的擬靜力加載試驗規(guī)則主要有三種：位移控制加載、力控制加載、力-位移混合控制加載。

（1）位移控制加載是以位移作為控制量，按照設(shè)定的位移增幅進行循環(huán)加載，有時是由小到大變幅值的，有時幅值是恒定的，有時幅值是可以變化的；

（2）采用力控制加載是以每次循環(huán)的力幅值作為控制量進行加載的，試件屈服后難以采用力控制，只能采用位移來控制，所以這種加載方式較少單獨使用；

（3）力-位移混合控制加載方法首先是以力控制進行加載，當(dāng)試件達到屈服時改用位移控制。

為了統(tǒng)一建筑抗震試驗，我國《建筑抗震試驗方法規(guī)程》JGJl01-96中規(guī)定：試件屈服前，應(yīng)采用荷載控制并分級加載，接近開裂和屈服荷載前宜減小級差加載；試件屈服后應(yīng)采用變形控制，變形值應(yīng)取屈服時試件的最大位移值，并以該位移的倍數(shù)為級差進行控制加載；施加反復(fù)荷載的次數(shù)應(yīng)根據(jù)試驗?zāi)康拇_定，屈服前每級荷載可反復(fù)一次，屈服以后宜反復(fù)三次。

上述規(guī)定在實際應(yīng)用上存在具體問題，一是目前仍然是用人工方法檢查和確定開裂荷載，逐級加載也難以準(zhǔn)確地得到開裂荷載；另一個問題是沒有一個確定屈服點的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。

在試驗過程中很難精確確定試件的屈服載荷和屈服位移，由人的經(jīng)驗判斷，所以試驗中判斷試件屈服與否只是一個不精確的概念。

另外，有些試件本身沒有明顯的屈服點，對于這樣的試件，應(yīng)當(dāng)考慮用位移控制完成試驗。

擬靜力試驗的主要對象是試驗構(gòu)件，試驗裝置是否滿足試件在整個試驗過程的加載條件和邊界條件是試驗成敗的一個關(guān)鍵問題。

由于擬靜力試驗類型復(fù)雜，目前還沒沒有專門的軟件對擬靜力試驗進行有效控制，試件的屈服點的出現(xiàn)很難做出準(zhǔn)確判斷，僅由試驗者憑經(jīng)驗判別，相應(yīng)的誤差也比較大，主觀性強。

擬靜力試驗是多維試驗，結(jié)構(gòu)多維理論的研究進展比較緩慢，同時多維擬靜力試驗設(shè)備、設(shè)施較少，試驗加載控制比較困難，也缺乏相應(yīng)的多維加載控制軟件，具體實施起來，難度較大。特別是加載規(guī)則隨意性很大，且還沒有規(guī)范或規(guī)程。另外是控制模式的選擇以及轉(zhuǎn)換條件很難確定。

MTS土木結(jié)構(gòu)試驗系統(tǒng)為結(jié)構(gòu)的擬靜力加載試驗提供了良好的基礎(chǔ)，該系統(tǒng)包括：主控計算機、控制系統(tǒng)FlexFest GT、1450KN做動缸（拉960KN，壓1450N）位移傳感器（±250mm）；496KN做動缸（拉291KN，壓496KN）；252.25G-01伺服閥（流量15gPm）；位移傳感器（±250mm）；油泵505.60（壓力21MPa，流量200LPm）；控制系統(tǒng)FlexFest GT；蓄能器293.12（191 LPm）；主控計算機。油泵505.60（壓力21MPa，流量200LPm）、A/D和D/A轉(zhuǎn)換器、模擬控制器、傳感器等。上述各項指標(biāo)完全可以滿足結(jié)構(gòu)工程試驗中的動態(tài)、靜態(tài)加載控制和數(shù)據(jù)采集的要求。A/D、D/A轉(zhuǎn)換器的驅(qū)動程序可以采用匯編語言等編寫；對于結(jié)構(gòu)工程研究人員來說，整個試驗過程采用高級語言編寫軟件進行控制比較方便，采用自帶的Basic TestWare， and MultiPurpose TestWare軟件，也很方便的對做動器進行操作。

在位移變幅加載情況下，首先考慮變幅位移控制加載規(guī)則；需要特別強調(diào)的是，加載規(guī)則中的位移控制和力控制與電液伺服加載系統(tǒng)中的位移控制模式和力控制模式是兩個不同的概念，電液伺服加載系統(tǒng)的控制模式是指整個閉環(huán)控制系統(tǒng)的控制方式，位移控制模式是指加載系統(tǒng)的命令信號是位移指令，而且反饋信號也是位移量測值；力控制模式是指加載系統(tǒng)的命令信號是力指令，而且反饋信號也是力的量測值，整個系統(tǒng)是一個力控制閉環(huán)。加載規(guī)則是針對試件的控制參量而言，系統(tǒng)控制模式是針對試驗設(shè)備而言的。

由于采用的是變幅位移控制加載規(guī)則，所以試驗系統(tǒng)采用位移控制模式進行加載；控制軟件除滿足加載規(guī)則外，還要考慮以下幾點。

（1）在試驗的過程中，需要中斷（暫停）功能，根據(jù)試驗進程，為觀察試件的破壞情況，比如開裂等現(xiàn)象，觀察后，再繼續(xù)進行試驗。（MultiPurpose TestWare軟件可以滿足）

（2）在試驗過程中可以隨時修改有關(guān)加載參數(shù)，以滿足試驗的要求。

（3）實時監(jiān)測和記錄數(shù)據(jù)的功能。（3817測試系統(tǒng)可以很完美的和MTS系統(tǒng)相配套）

4 試驗數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)通過東華測試公司的DH3817動靜態(tài)測試系統(tǒng)采集，DH3817通過采集卡和MTS控制系統(tǒng)相連接，實時采集到力、位移、應(yīng)變等信號并存盤。在試驗過程中，隨時調(diào)出滯回曲線等信息，及時判斷試件是否進入屈服狀態(tài)，隨時調(diào)整試驗方案。試驗完畢，試驗結(jié)果將以圖表和電子表格的形式輸出，直觀而且易于處理，得到了良好的效果。（見圖4）

參考文獻

[1]邱法維，潘鵬.結(jié)構(gòu)擬靜力加載試驗方法及控制[J].土木工程學(xué)報，2002，35（1）：1-5，10.

[2]邱法維.結(jié)構(gòu)抗震試驗方法進展[J].土木工程學(xué)報，2004，37（10）：19-27.

[3]易偉健，張望喜.建筑結(jié)構(gòu)試驗[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2005：122-129.

[4]邱法維，錢稼茹，陳志鵬.結(jié)構(gòu)抗震試驗方法[M].北京：科學(xué)技術(shù)出版社，2000：9-15.