結(jié)構(gòu)抗震試驗(yàn)方法綜述★

孫柏濤 姜 琪 閆培雷

(1.中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所，黑龍江 哈爾濱 150080； 2.中國(guó)地震局地震工程與工程振動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150080)

1 概述

結(jié)構(gòu)抗震試驗(yàn)大致分四個(gè)階段：籌劃、準(zhǔn)備、加載、分析整理，籌劃階段是根據(jù)試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)來(lái)確定方法，準(zhǔn)備階段是確定加載方式和加載制度，加載階段即測(cè)點(diǎn)布置和采集數(shù)據(jù)，分析整理階段即數(shù)據(jù)的常規(guī)和特殊分析。

目前常用的結(jié)構(gòu)抗震試驗(yàn)方法有：偽靜力試驗(yàn)、擬動(dòng)力試驗(yàn)、地震模擬振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，本文將對(duì)這三種方法進(jìn)行分析比對(duì)。

2 常用結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法

結(jié)構(gòu)試驗(yàn)的任務(wù)是在試驗(yàn)對(duì)象上使用各種儀器設(shè)備，在荷載作用下，通過測(cè)量與結(jié)構(gòu)工作性能有關(guān)的各種參數(shù)(變形、撓度、頻率、振幅等)，從強(qiáng)度、剛度、抗裂性以及實(shí)際破壞形態(tài)來(lái)判斷結(jié)構(gòu)的實(shí)際承載能力。

2.1 偽靜力試驗(yàn)方法

偽靜力試驗(yàn)是通過提前設(shè)計(jì)的荷載或位移模式對(duì)試驗(yàn)對(duì)象進(jìn)行往復(fù)的加載，以此來(lái)得到試驗(yàn)對(duì)象的荷載—變形曲線的試驗(yàn)，它也稱作低周往復(fù)加載試驗(yàn)，是結(jié)構(gòu)抗震性能研究中應(yīng)用最廣泛的一種實(shí)驗(yàn)方法。優(yōu)點(diǎn)是對(duì)設(shè)備的要求低、成本低，但是它根本缺點(diǎn)是不能反映地震時(shí)材料應(yīng)變速率的影響。

2.1.1試件和傳力設(shè)備

偽靜力試驗(yàn)的對(duì)象多為單獨(dú)的構(gòu)件，如柱、墻、梁等，也可以是梁柱節(jié)點(diǎn)、簡(jiǎn)單的整體結(jié)構(gòu)等。試件的尺寸要根據(jù)試驗(yàn)要求、試驗(yàn)設(shè)備規(guī)模和試驗(yàn)成本來(lái)確定；試件的設(shè)置條件要與該構(gòu)件在實(shí)際情況下的邊界條件、受力狀態(tài)和布置形式盡可能吻合。傳力設(shè)備一般包括反力墻、反力地板、加載架等，根據(jù)試驗(yàn)的具體情況還需附加一些傳力桿件等。傳力設(shè)備應(yīng)具備足夠的強(qiáng)度、剛度和整體穩(wěn)定性，同時(shí)還要具備滿足試驗(yàn)要求的輸出能力。

圖1為偽靜力試驗(yàn)中某墻體的設(shè)置方式，墻體通過千斤頂施加豎向荷載，在門架梁和千斤頂之間應(yīng)設(shè)置滾動(dòng)導(dǎo)軌，其摩擦系數(shù)不應(yīng)大于0.01。

2.1.2加載制度和加載方式

試驗(yàn)加載制度指的就是試驗(yàn)運(yùn)行時(shí)，荷載和加載時(shí)間的相互控制關(guān)系。對(duì)這種相互關(guān)系有影響的參數(shù)包括：加載速度、加載時(shí)間步長(zhǎng)、分級(jí)荷載和加、卸載循環(huán)次數(shù)等。

單向往復(fù)加載試驗(yàn)的加載制度：變位移控制加載、變荷載控制加載和變荷載—變位移混合控制加載等方式。一般，通常采用變位移控制的加載制度，雙向往復(fù)的加載制度比單項(xiàng)往復(fù)復(fù)雜，但有時(shí)為了精確模擬實(shí)際受力狀態(tài)往往會(huì)采用雙向同時(shí)加載。

試驗(yàn)正式開始前，預(yù)先施加反復(fù)荷載調(diào)試兩次，例如：對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)和砌體結(jié)構(gòu)試體，預(yù)先施加荷載值不應(yīng)當(dāng)超過開裂荷載值的30%和20%。試驗(yàn)正式開始時(shí)，施加荷載的方法要綜合考慮試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)和試件特點(diǎn)確定。首先應(yīng)當(dāng)施加預(yù)估開裂荷載值的40%～60%，重復(fù)此過程2次～3次，然后逐級(jí)加載，直至預(yù)估開裂荷載值。驗(yàn)證試件承載能力和破壞特征時(shí)，首先對(duì)試件施加荷載，直到極限荷載的下降段，以混凝土結(jié)構(gòu)試件為例，下降值應(yīng)控制在最大荷載的85%以內(nèi)。試件屈服前，采用荷載控制并分級(jí)加載，試體屈服后應(yīng)采用變形控制，以屈服時(shí)的最大變形值為級(jí)差進(jìn)行控制加載。反復(fù)荷載次數(shù)在試體屈服前每級(jí)可一次，試體屈服后每級(jí)宜3次。

2.1.3試驗(yàn)結(jié)果分析

偽靜力試驗(yàn)的典型試驗(yàn)結(jié)果是試體的滯回曲線，它反映了試體的剛度、強(qiáng)度、變形以及耗能特性，是確定結(jié)構(gòu)本構(gòu)關(guān)系和進(jìn)行結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)分析的依據(jù)。滯回曲線是復(fù)雜和離散的，應(yīng)根據(jù)多個(gè)構(gòu)件的試驗(yàn)結(jié)果確定其滯回曲線的性狀，并用定量參數(shù)予以描述。

2.2 擬動(dòng)力試驗(yàn)

擬動(dòng)力試驗(yàn)是一種混合了加載、量測(cè)、數(shù)值計(jì)算等手段的試驗(yàn)方法。

2.2.1擬動(dòng)力試驗(yàn)的原理

擬動(dòng)力試驗(yàn)的基本思想是基于結(jié)構(gòu)動(dòng)力方程的數(shù)值計(jì)算過程。結(jié)構(gòu)被簡(jiǎn)化為離散多自由度的，每個(gè)自由度的位移在試驗(yàn)中由一個(gè)作動(dòng)器控制，其動(dòng)力平衡微分方程為：

Ma+Cv+Kd=-M{I}ag。

其中,M,C,K分別為結(jié)構(gòu)的質(zhì)量矩陣、阻尼矩陣、剛度矩陣；a,v,d分別為結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的加速度向量、速度向量、位移向量；{I}為單位向量；ag為地面水平地震加速度。

首先建立結(jié)構(gòu)的離散模型，其次在試驗(yàn)進(jìn)程當(dāng)中采用逐步積分法求解其運(yùn)動(dòng)微分方程，并應(yīng)當(dāng)預(yù)先確定結(jié)構(gòu)質(zhì)量和粘滯阻尼；剛度在試驗(yàn)中是根據(jù)時(shí)間步長(zhǎng)來(lái)實(shí)時(shí)測(cè)定的。對(duì)應(yīng)時(shí)間間隔Δt，采用逐步積分法求得各個(gè)自由度的位移，然后通過作動(dòng)器將對(duì)應(yīng)自由度的位移施加于試件，試件因變形產(chǎn)生的恢復(fù)力由力傳感器測(cè)得，根據(jù)這些參數(shù)確定剛度K，并循環(huán)往復(fù)直至地震動(dòng)結(jié)束。具體原理流程圖見圖2。

2.2.2圖例及試驗(yàn)裝置

圖3為兩層混凝土框架模型試驗(yàn)，通過千斤頂施加豎向荷載，在門架加載梁和千斤頂之間應(yīng)設(shè)置滾動(dòng)導(dǎo)軌，其摩擦系數(shù)不應(yīng)大于0.01。伺服液壓往復(fù)作動(dòng)器一端球鉸與反力墻相連，另一端球鉸通過拉桿、壓梁與試體相連，同時(shí)用錨桿把試體與反力地板相連。

2.3 地震模擬振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)

振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)是利用振動(dòng)臺(tái)裝置進(jìn)行的結(jié)構(gòu)強(qiáng)迫振動(dòng)試驗(yàn)的一種。2005年日本建成的15 m×20 m、承載能力1 200 t的振動(dòng)臺(tái)(E-Defence)是當(dāng)今世界最大規(guī)模的地震模擬振動(dòng)臺(tái)。

通過地震模擬試驗(yàn)，可以測(cè)得不同結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性、地震響應(yīng)、震害特征、破壞機(jī)理，可以驗(yàn)證結(jié)構(gòu)本構(gòu)關(guān)系、健康診斷技術(shù)、抗震加固技術(shù)等，為結(jié)構(gòu)控制、地震工程、賑災(zāi)應(yīng)急等的理論研究、工程應(yīng)用和實(shí)際應(yīng)用提供了豐富的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

舉例說明典型的電液伺服式地震模擬振動(dòng)臺(tái)，其基本構(gòu)成如圖4所示?；旧嫌善叽笙到y(tǒng)組成，即臺(tái)面及支承導(dǎo)向系統(tǒng)、激振系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、液壓源系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、量測(cè)系統(tǒng)和基礎(chǔ)。各部分視地震模擬振動(dòng)臺(tái)建造成幾個(gè)自由度而決定其所包含的組成內(nèi)容。

3 結(jié)語(yǔ)

結(jié)構(gòu)抗震試驗(yàn)是研究結(jié)構(gòu)破壞的重要組成部分，它的特點(diǎn)是可以清晰直觀的看到結(jié)構(gòu)破壞的過程，并為理論模擬分析提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐，是當(dāng)今土木工程領(lǐng)域重要的研究方法。