數(shù)值仿真技術(shù)在結(jié)構(gòu)抗震試驗教學(xué)中的應(yīng)用

顧冬生

（江南大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院，江蘇無錫 214122）

在我國的高等教育中，土木工程是比較重要的專業(yè)類別，每年都有大批土木工程的本科和碩士畢業(yè)生投入國家建設(shè)中。在未來的幾十年內(nèi)，土木工程仍將發(fā)揮重要作用，影響著我國基礎(chǔ)建設(shè)的發(fā)展與進步。隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展與土木行業(yè)的不斷革新，土木行業(yè)與高校對畢業(yè)生的要求也越來越高，除了要有扎實的理論基礎(chǔ)，還要有較強的實踐能力和專業(yè)技能。

土木工程結(jié)構(gòu)試驗教學(xué)是土木工程一門重要的基礎(chǔ)課程，可以培養(yǎng)學(xué)生掌握基本實驗方法、提高動手能力與創(chuàng)新能力[1]，有利于學(xué)生綜合能力提高。結(jié)構(gòu)抗震試驗作為土木工程結(jié)構(gòu)試驗課程重要組成部分，對于其教學(xué)也要引起足夠重視。結(jié)構(gòu)抗震試驗教學(xué)旨在通過實踐來培養(yǎng)學(xué)生對結(jié)構(gòu)抗震性能的理解，提高結(jié)構(gòu)設(shè)計綜合能力。但由于教學(xué)條件制約等原因，目前高校試驗教學(xué)水平參差不齊，還達不到理想的教學(xué)效果。

1 結(jié)構(gòu)抗震試驗教學(xué)現(xiàn)狀與存在的問題

結(jié)構(gòu)抗震試驗操作成本高，如一般的振動臺試驗，一根柱成本就上千，一系列試驗做下來代價很高，這對一些高校和實驗室來說負(fù)擔(dān)太大，甚至有些高校缺少條件開展相關(guān)試驗。另外，實驗試件安裝定位比較復(fù)雜、儀器設(shè)備造價高以及試驗對安全性要求比較高，使得抗震試驗開展非常困難[2-3]，這樣學(xué)生很難掌握抗震試驗的核心思想，對抗震性能評價參數(shù)也沒有直觀認(rèn)識。結(jié)構(gòu)抗震試驗一般難度較大，需要試驗人員具有扎實的理論基礎(chǔ)和操作技能，還要有處理突發(fā)事件的應(yīng)變能力，大部分學(xué)生還不具備這些條件。大部分結(jié)構(gòu)抗震試驗可視化程度不夠，試驗過程中各種數(shù)據(jù)的變化不能直觀地顯示出來，影響試驗教學(xué)效果。

很多高校有開展試驗教學(xué)，但因為抗震試驗難度較大，對試驗指導(dǎo)人員要求也比較高，所以開展這方面試驗積極性不高。這些造成長期以來對抗震試驗教學(xué)重視不夠，也缺乏鼓勵措施[4]。

2 數(shù)值仿真技術(shù)的意義

隨著科技的進步尤其是計算機技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值仿真技術(shù)已經(jīng)趨于成熟，目前已經(jīng)成功應(yīng)用到了包括結(jié)構(gòu)、機械等多個領(lǐng)域。在土木工程行業(yè)，市面上流行的商業(yè)有限元軟件就是數(shù)值仿真技術(shù)應(yīng)用的成果。有限元軟件能對結(jié)構(gòu)進行模擬，并對結(jié)構(gòu)進行分析，把分析結(jié)果和相關(guān)參數(shù)可視化。把數(shù)值仿真技術(shù)應(yīng)用到結(jié)構(gòu)抗震試驗教學(xué)中，為試驗教學(xué)開辟一條新道路，彌補了傳統(tǒng)試驗教學(xué)對設(shè)備要求高，試驗比較復(fù)雜的不足。數(shù)值仿真技術(shù)的靈活性和開放性為試驗教學(xué)增添了無數(shù)可能，通過改變模擬試驗參數(shù)，學(xué)生可以方便地得到運行結(jié)果，這激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，也能培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

通過數(shù)值仿真試驗和真實試驗相結(jié)合，學(xué)生可以在真實試驗前進行預(yù)試驗，提高了試驗的成功率，增加了學(xué)生的積極性，而且，數(shù)值仿真試驗一般能在短時間內(nèi)得到試驗結(jié)果，并具有較高的可靠度。數(shù)值仿真試驗可以增加學(xué)生對理論知識的理解與運用，通過學(xué)習(xí)使用有限元軟件，在一次次建模與分析的過程中，學(xué)生對理論知識的理解與記憶也越來越深。而且，數(shù)值仿真試驗教學(xué)促進學(xué)生的學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生的動手能力，為學(xué)生打下軟件基礎(chǔ)，有利于學(xué)生的就業(yè)發(fā)展。

數(shù)值仿真技術(shù)目前已經(jīng)趨于成熟，有限元軟件也越來越完善。目前流行的商業(yè)有限元軟件有ABAQUS、ANSYS、MSC、OpenSees 等。

3 數(shù)值仿真試驗教學(xué)案例

框架結(jié)構(gòu)在水平地震作用下，柱子是主要受力構(gòu)件，抵抗地震作用產(chǎn)生的力和彎矩作用。為研究框架柱抗震性能，有必要進行框架柱抗傾覆試驗，試驗教學(xué)能加深學(xué)生對柱結(jié)構(gòu)的認(rèn)識。我們通過理論學(xué)習(xí)已經(jīng)對柱子在水平力作用下受力模式有了一定的了解，但對柱子的內(nèi)力與變形缺少感性的認(rèn)識。在試驗教學(xué)之前，對框架柱進行抗傾覆的數(shù)值仿真試驗，加強學(xué)生對試驗的理解與認(rèn)識。

鋼筋混凝土框架柱抗傾覆試驗如圖1 所示，通過對柱頂施加低周往復(fù)荷載，控制柱頂?shù)奈灰?，來得到試驗柱的力與位移關(guān)系，研究框架柱的抗傾覆性能。采用有限元軟件OpenSees 進行數(shù)值仿真試驗，OpenSees 是一個以美國加州大學(xué)伯克利分校為主導(dǎo)開發(fā)的開放性程序軟件體系，主要適用與土木工程結(jié)構(gòu)、巖土和抗震分析。該軟件開發(fā)以來經(jīng)過多次升級更新，目前已經(jīng)廣泛用于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、橋梁、巖土工程在內(nèi)眾多的實際工程和振動臺試驗項目，經(jīng)驗證明其具有較好的非線性數(shù)值模擬精度。

圖1 鋼筋混凝土框架柱抗傾覆試驗

進行數(shù)值仿真試驗時，先用OpenSees 軟件對柱子的截面和材料進行模擬，根據(jù)試件的實際參數(shù)定義截面的尺寸、配筋、材料，框架柱的數(shù)值仿真計算模型如圖2 所示，可以讓學(xué)生直觀地看到試件的配件情況和鋼筋布置。對試件柱施加約束條件，對柱底3 個自由度進行約束，對柱頂施加軸壓力，在側(cè)向施加水平位移，完全模擬真實試驗時的邊界條件，進行同樣的抗傾覆分析。

圖2 框架柱數(shù)值仿真試驗?zāi)Ｐ?/p>

模擬計算結(jié)果和結(jié)論與實際試驗結(jié)果對比，可以驗證數(shù)值仿真試驗的可靠性。試驗結(jié)果對比如圖3 所示?？梢钥闯觯瑪?shù)值仿真試驗的結(jié)果和實際試驗吻合很好，具有較高的精度。對試驗結(jié)果進行分析，鋼筋混凝土框架柱承受低周往復(fù)荷載時，隨著位移增加，側(cè)向承載力逐漸減小，構(gòu)件的剛度也逐漸減小。這表明構(gòu)件在模擬的地震作用下，不斷發(fā)生損傷和破壞，直至破壞。隨著側(cè)向變形的增加，構(gòu)件表現(xiàn)出較好的耗能能力和延性，這些參數(shù)可以用來評估構(gòu)件的抗震性能。在計算分析時，學(xué)生可以通過改變截面參數(shù)或荷載來得到不同的分析結(jié)果，可以提高學(xué)生對框架柱抗傾覆性能理解，建立比較定量的認(rèn)識。再結(jié)合一定量的現(xiàn)有的試驗過程的錄像資料，可以進一步讓學(xué)生了解構(gòu)件的破壞過程，如混凝土的開裂和剝離等，這樣學(xué)生就能對抗震性能有了比較全面的認(rèn)識。

圖3 試驗結(jié)果對比

4 結(jié)語

將數(shù)值仿真技術(shù)應(yīng)用到土木工程結(jié)構(gòu)抗震試驗教學(xué)中，給試驗教學(xué)帶來一條新思路，也帶來諸多便利。目前高校土木工程的試驗教學(xué)水平參差不齊，有必要加大對數(shù)值仿真試驗教學(xué)的推廣，提高教學(xué)質(zhì)量。另外，數(shù)值分析軟件的開發(fā)與改進也是現(xiàn)在的重點工作，應(yīng)加大力度擴大軟件的應(yīng)用領(lǐng)域，開發(fā)新的應(yīng)用模塊，增強軟件的穩(wěn)定性與實用性。