新型結構抗震擬動力試驗發(fā)展趨勢研究

吳文帥，王一鳴，葉宏林，周曉婷

（揚州大學建筑科學與工程學院，江蘇 揚州 225127）

1 概述

1．1 背景

在人類歷史上，由于地震是自然災害，人類付出了巨大的代價，人類也獲得了寶貴的地震經(jīng)驗。近年來，在全世界人口稠密的地區(qū)，破壞性地震仍然頻繁發(fā)生，例如阪神地震（1995） 、土耳其地震（1999） 、我國臺灣集吉地震（1999） 等［1］，我國是地震頻發(fā)的國家之一，歷史上有很多強地震。20 世紀發(fā)生了2 600 多次毀滅性地震，包括500多次6 級及以上的毀滅性地震，平均每年5．4 次，9 次8 級及以上的地震。進入21 世紀后，唐山地震、汶川地震和玉樹地震都給人民生命財產(chǎn)、國民經(jīng)濟造成了非常嚴重的損失［2］。盡管對于地震災害的預報可以減少一定數(shù)量的人員傷亡，但最根本的問題是合理設計結構，以提高房屋的抗震能力，避免結構的倒塌和損壞。

抗震設防和抗震設計需要理論分析和實驗研究來提供基礎，只有這樣，我們才有機會提高建筑物的結構抗震能力。盡管隨著有限單元分析法等科學技術的發(fā)展，抗震結構的理論框架體系已經(jīng)日漸趨于成熟，并且通過這些方法可以更好地還原復雜建筑結構對于地震波反應。但是，由于地震機理，該結構的地震性能是一個復雜的系統(tǒng)。僅憑目前在理論分析中所取得的成就，我們無法完全掌握框架結構在不同地震波作用下的各項力學性能、變形過程和破壞機理。這要求結構的抗震測試要準確掌握結構的性能。特別是對于一些復雜的超大型結構，遠遠超過防震設計基本要求的結構框架體系，實驗研究已成為評估此類結構系統(tǒng)抗震性能的首選方法。因此，關于結構抗震試驗的研究已逐漸進入研究人員的視野。近年來，建筑結構體系的抗震測試取得了很大的進步。建筑結構體系的抗震測試的研究主要體現(xiàn)在兩個方面： 一方面是對材料或結構性能的深刻理解；另一方面，驗證結構的預期響應。第一點在于開發(fā)復雜的、廣義的數(shù)學模擬模型，通過使用小規(guī)模的單個自由度標本以及周期加載方式。后者是利用現(xiàn)有的數(shù)學模型對標本或結構進行測試，根據(jù)期望的試驗來驗證響應，主要采用地震模擬振動臺試驗法和擬動力試驗法［3］。

1．2 常用的結構抗震試驗方法

地震工程領域常用的試驗方法包括： 地震模擬振動臺試驗、靜力試驗和擬動力試驗、實時試驗方法、爆破方法和動力離心機試驗等，目前常見的抗震試驗方法是擬靜力試驗、振動臺試驗及擬動力試驗這三種［4－5］。

在研究結構或構件的抗震性領域中，準靜態(tài)測試是最常見的測試方法。這是通過在控制載荷大小或控制變形大小的條件下低周期反復加載試件，使試件從彈性階段到破壞階段，從而獲得諸如橫向剛度，承載力和耗能性的大小。該組件的程度很大［6］，其最大的問題是它不能得到組件的動態(tài)響應，即靜態(tài)循環(huán)測試忽略了慣性力的影響，而不能真正反映結構的動態(tài)特性。

振動臺測試是獲得動態(tài)響應的最直接方法之一。通過輸入地震波可以準確再現(xiàn)地面運動和結構的真實響應。多自由度地震模擬振動臺的研制與開發(fā)，為研究結構抗震響應的彈塑性能提出了更為高效的高精度方法。但是，由于諸如振動臺的承載能力和尺寸之類的因素，結構或試件的尺寸越大，地震模擬振動臺的尺寸越大。這是一個非常昂貴的設備。另外，由于研究的結構和規(guī)模太大而又復雜。測試中使用的試件難以達到滿刻度模型，通常需要減小刻度。“尺寸效應”對測試結構的精確度影響不可忽略，因此測試規(guī)模受到很大的限制，許多大型結構受到地震模擬測試的影響很大。

擬動力試驗以擬靜力加載和地震模擬振動臺兩種方法作為試驗基礎，并結合了在抗震結構分析、計算過程中的優(yōu)點，可以反映超大建筑體系結構在地震中真實情況。因此自其被廣泛應用以來，其作用在建筑工程的各個方面得到了很好的反饋。并且更多的國內外專家對于擬動力試驗方法也做了進一步深入的研究。尤其在最近幾年，擬動力試驗在體系、思維、技術水平和設備質量等許多板塊均與剛起步時的情況有了很大的轉變。擬動力試驗方法是一種新興的技術，并且在檢測結構的抗震情況中發(fā)揮著越來越重要的作用。其可以很好地用大重量靜力加載裝置進行復雜或大尺寸結構試件在地震作用下結構彈塑性測試試驗。在進行結構抗震擬動力測試試驗的過程中，整個測試體系由模型、抗震強度測試臺、反力墻、加載系統(tǒng)、高精度試驗數(shù)據(jù)采集儀器表盤等試驗設備構成。試驗使用加載儀器宜使用全自動閉環(huán)的機械來進行控制，或者使用加載范圍不同的液壓伺服系統(tǒng)試驗機來進行加載控制。當試驗系統(tǒng)使用電液伺服來進行控制時，其會有較大的質量比、試件的響應速度也會相應加快、結構的整體剛度提高、整體系統(tǒng)控制十分平穩(wěn)、試驗測試結果精度高等，這就使它在抗震試驗中被廣泛的使用。縱觀對于結構抗震試驗方法的研究，其中涉及的方面和角度很廣。其中，加強在抗震結構擬動力試驗中的網(wǎng)絡化，數(shù)據(jù)的精細化是一個重要的板塊。隨著抗震結構模擬試驗慢慢向著超大化，信息精細化方向發(fā)展，加快抗震結構試驗平臺與網(wǎng)絡信息對接和通過網(wǎng)絡連接實現(xiàn)實驗室設備的單機獨立是抗震試驗網(wǎng)絡化的關鍵內容。此外，隨著對抗震試驗臺研究的逐步深入，越來越多的新式控制法被用來去增強試驗設備的測量精度，這就使得測量到的數(shù)據(jù)可以十分精確地反映在地震作用下整體建筑的抗震性能。目前國內外對于結構抗震試驗的研究也逐漸在朝這方面發(fā)展。

在20 世紀60 年代后期，日本學者中島等人［7］提出了一種準動態(tài)測試方法。其結合了準靜態(tài)載荷試驗和地震模擬振動臺試驗兩種方法的長處，同時靈活地使用結構。在計算理論數(shù)值的方面有機地結合了計算機的計算、控制和實驗。在測試過程中，通過求解指定慣性和阻尼參數(shù)的動力學方程，獲得建筑體系在地震波作用下的位移變化，并使用執(zhí)行器通過靜載荷作用在試件上，用于下一步分析和計算。測得的結構彈性與振動臺試驗相比，尺寸因子對方法的影響較小，可以更真實地反映地震作用下結構的動力響應。因此，自問世以來，它已被廣泛應用于結構工程中。同時，偽動態(tài)測試方法本身的研究也取得了長足的進步，特別是近年來，其概念、方法、技術和設備與偽動態(tài)測試的初始階段大相徑庭。

2 結構抗震試驗的有效性和局限性

2．1 有效性

結構抗震試驗的有效性主要體現(xiàn)在實用性、規(guī)范性和適用性這三方面。

進行抗震結構試驗能夠大大節(jié)約成本。同時，測試可以重復多次，重要數(shù)據(jù)也可以大量積累，并且該測試不受室內和室外環(huán)境的限制。在良好的試驗室條件下，可以識別結構穩(wěn)定性。特別是近年來，需要通過地震測試來識別實際工程中使用的耗能部件和減震系統(tǒng)，這在地震測試的開發(fā)中越來越引起人們的關注。

由于過去技術的不發(fā)達，該規(guī)范的抗震規(guī)定存在許多缺陷和不足，特別是在鋼筋混凝土結構、柱箍筋的設置以及鋼筋重疊的要求等領域。這還需要通過大量連續(xù)的結構抗震測試，需要更多的科學數(shù)據(jù)來逐步積累規(guī)范性規(guī)定。

抗震試驗適用于局部模型測試以及結構和橋梁項目中結構或組件的模型測試。因此，結構模型測試已廣泛應用于各個領域。試件類型的選擇也多種多樣，可以根據(jù)研究目的、對象和試驗的實際結構選擇梁試件、柱、接縫、結構組合試件等。在條件和其他因素的影響下，可以綜合考慮選擇測試模型［8］。

2．2 局限性

盡管建筑結構地震測試是較高效的測試手段，但是由于各種內部和外部因素，實際情況始終與測試的結構模型不一致，這使測試結果具有一定的誤差性。其局限性主要受到材料、設備、環(huán)境等方面的影響。研究人員需要在保持有效性的基礎上減少由局限性引起的錯誤，從而大大提高實驗的準確性。

結構抗震試驗局限性主要包括試件尺寸誤差，主要分為構件在外表形狀的不同和主要定位上的偏差這兩種，在結構模型試驗中，雖然模型的尺寸越小消耗的成本越小，但相對的，結構的承載能力往往會隨試件整體外形尺寸的變小將逐漸提高，由于小構件在加工過程對工藝要求過高。只有嚴格符合相關規(guī)范條件，才能更精確地反映結構模型的真實情況，然而實際情況是，由于相似條件太多，并且這些條件往往都有矛盾沖突，因此無法使所有條件都保持一致。

由于信息技術上存在一定的問題，地震的真實反映變化在目前的試驗條件下是無法進行完全精確地模擬的，而對于那些高頻、不穩(wěn)定、無規(guī)律的振動，模擬的難度更是不言而喻，而且設備隨著時間推移，肯定會出現(xiàn)破損需要進行維修，這就意味著試驗過程中不可避免的會產(chǎn)生很大的偏差，從而通過加載獲得的數(shù)據(jù)就不那么準確。各種傳感器的功能不一也使測量的數(shù)據(jù)帶來了很大的誤差。

3 擬動力試驗的新發(fā)展

在研究結構抗震的領域中，建筑結構擬動力試驗方法也稱為擬動力試驗或計算機裝載機在線試驗，是一種相對較新的抗震試驗方法。作為一種先進的抗震試驗方法，它可以使用大比例模型或足尺寸結構，可緩慢地還原各種不同結構建筑構件在不同地震波作用下的真實反應，目前這種方法具有廣泛發(fā)展前途。隨著網(wǎng)絡信息計算理論和實驗室科研技術水平的提高，擬動力在抗震結構試驗研究領域又涌現(xiàn)了一些新方向。

3．1 子結構擬動力試驗法

20 世紀80 年代中期，所謂的子結構擬動力試驗研究方法逐漸被應用到抗震結構試驗中來，在這種學習模型中，僅僅主要研究結構會出現(xiàn)非線性形變的局部位置，而對于結構剩余部分，由于其變形不是特別明顯，可以忽略不計，則用單一方法來進行模擬，并配合擬動力方法需要進行設計試驗。通過這種方法，確實使一些困難得到了很好的解決，其中包括兩個最主要的方面，首先，使試樣的大小和比例在試驗中大大降低，從而節(jié)省了測試的成本，同時大型結構測試不再受到實驗室的空間大小限制，在任何形式的實驗室都可以進行該試驗；第二個是由于需要測試整體結構，因此，即使多個自由度的結構，也沒有使用過大的負荷給致動器，這就大大降低了測試設備的需求的數(shù)量。但是這種方法依然有較多的缺陷，體現(xiàn)在三個方面：與基本原理有關的局限性、與數(shù)值有關的局限性以及與試驗硬件有關的局限性［9］。由于試驗主要針對結構會出現(xiàn)非線性形變的局部位置，運用的基本原理分析方法并不全面，由于分析方法的不全面，就造成了數(shù)值測量結果的不準確，同時由于各個實驗室條件不一，測量的結果和數(shù)據(jù)分析的準確性都會有一定的偏差。

3．2 實時子結構試驗法

在20 世紀90 年代，伴隨著抗震結構擬動力子試驗的研究逐漸深入，抗震實時子結構試驗也逐漸嶄露頭角，實時，顧名思義，就是在加載的荷載與加載的時間具有一致性。因為測試是以實際的負載率加載的，這意味著每個步驟必須以極其快的速度完成（精確到幾毫秒） 。同時，計算、處理和執(zhí)行機構也必須很快的完成，這對相關設備和測試操作人員提出了很高的要求。雖然企業(yè)的數(shù)據(jù)實時抗震子結構設計試驗在20 世紀80 年代就有了，但是由于科研工作條件的限制，直到1992 年，Nakashima等才首次發(fā)表了實時子結構的試驗方法的操作流程。

實時子結構試驗方法，不僅可以模擬實際的地震荷載，而且可以進行全面或大規(guī)模的模型試驗。在結構地震試驗方法研究領域，它可能成為未來一個很有前途的研究方向。然而，這種方法尚處于起步階段，目前研究該種方法并沒有被用于一些大型試驗。進行大型的抗震結構設計試驗，還存在許多技術難題需要去攻克，如數(shù)值分析模型的計算工作時間、多個作動器的相互促進作用、在多自由度條件下結構連接的穩(wěn)定性發(fā)展以及作動器延時補償?shù)葐栴}，這些都需要通過進一步深入學習研究［10］。

3．3 網(wǎng)絡化的擬動力試驗方法

雖然結構試驗在一些國家已經(jīng)取得了一定的進展，但大部分國家的模擬地震的結構實驗的設備數(shù)量仍然不足，目前首要問題就是解決結構實驗室目前所面臨的這些困難。網(wǎng)絡信息技術的出現(xiàn)為我們帶來了新的想法，從儀器設備角度考慮，將各地實驗室的器材設備信息數(shù)據(jù)通過企業(yè)云端網(wǎng)絡來進行分析整合與協(xié)同處理，從而創(chuàng)建一個系統(tǒng)化的試驗數(shù)據(jù)搜集處理中心； 從試件數(shù)量角度考慮：可以將主要超大結構試件通過子結構拆分技術得到若干個單元試件，從而使得每單元試件能夠在不同的條件下的實驗室順利進行抗震結構試驗，整個實驗過程利用互聯(lián)網(wǎng)傳輸，云端儲存控制，大大消除了空間地理距離的隔閡，從而使各地區(qū)的實驗室之間可以更好更快地分享數(shù)據(jù)資源，提高工作效率，各個子結構實驗通過網(wǎng)絡化的方法集成為整體結構［11］。

網(wǎng)絡擬動力試驗的需求日益增長，主要是在擬動力試驗過程中，需要考慮試件加工過程中的狀態(tài)以及加工后的材料性能來為下一步的試驗進行鋪墊，從而求得試驗所需的期望值。在擬動力試驗過程中，經(jīng)常會出現(xiàn)一些大型結構建筑，實驗室的作業(yè)條件過于單調，并不能夠滿足我們這些數(shù)據(jù)結構的要求；除此之外，在成熟的子結構信息技術和高速發(fā)展網(wǎng)絡技術的推動下，信息化的高精度抗震結構試驗研究逐漸擁有了較好的科技手段作為支撐。

4 結語

隨著建筑行業(yè)的不斷發(fā)展，越來越多的造型奇特的龐大建筑結構不斷涌現(xiàn)。雖然目前的動力試驗方法由于資金和技術這些因素的影響，復雜結構進行抗震試驗并不能順利的進行，但隨著對抗震試驗研究的不斷深人、試驗設備和技術的不斷升級以及工程實踐的需要，在結構抗震試驗研究領域必將有更多新的成果不斷涌現(xiàn)出來，尤其在以下方面：

1） 監(jiān)測地震試驗儀器的超大化和繁多化： 超大的試驗設備或多種小型款式設備形成的振動臺均能進行足尺抗震結構試驗，同時振動臺設備還會涉及到地基運動的不規(guī)則，必將把人們對結構抗震的認識水平提升到另一個更高的層次。

2） 子結構實驗的實時化： 檢測實時的子結構抗震性能的試驗只需對建筑結構的主要區(qū)域進行試驗，同時將抗震試驗設備與抗震結構試驗的優(yōu)點保持下去，使其既能完整反映實際地震所受荷載情況，又能精確進行合適尺寸的抗震結構試驗，在未來的科研試驗中，這種方法將會越來越多的被用到。

3） 試驗設備的信息化： 在進行試驗通過網(wǎng)絡計算機將數(shù)據(jù)實時反饋給用戶，這可以大大完善試驗室儀器條件，提高試驗過程中的測量效率，更快實現(xiàn)網(wǎng)絡數(shù)據(jù)資源的云端共享，提升結構抗震試驗的條件。