馬新建 劉偉 張斌

1 概述

在長期抵御地震災害的過程中，人們認識到工程結(jié)構(gòu)抗震試驗是研究結(jié)構(gòu)抗震性能的一個重要途徑和方法。由于地震發(fā)生前的不確定性和發(fā)生傳播的不確定性，這個也使結(jié)構(gòu)在地震反應也是不確定性的。所以結(jié)構(gòu)抗震試驗很大程度上是簡化或者是將不確定性確定化，從而讓試驗可以實施[1]。

2 結(jié)構(gòu)抗震靜力試驗

結(jié)構(gòu)抗震靜力試驗是以靜力的方式模擬地震作用的試驗。結(jié)構(gòu)抗震試驗又分為偽靜力試驗和擬動力試驗。

結(jié)構(gòu)抗震靜力試驗優(yōu)點是設(shè)備要求不高，成本低。但是，抗震靜力試驗最本質(zhì)的缺點是不能反映地震時材料應變速率的影響。

3 偽靜力試驗

3.1 加載設(shè)備和裝置

3.1.1 加載設(shè)備

結(jié)構(gòu)偽靜力試驗加載設(shè)備有很多種，以前一般采用手動加載的方法，實驗室里主要采用機械式千斤頂或是液壓式千斤頂。而手動加載自動化程度太低，也不容易提高試驗數(shù)據(jù)的精度。目前，隨著經(jīng)濟的發(fā)展，實驗室里主要采用的是電液伺服加載系統(tǒng)。

3.1.2 加載的反力裝置

電液伺服加載器一方面和試件相連，另一方面和反力裝置相連，方便對結(jié)構(gòu)進行加載作用。當然，試件也需要固定并模擬實際邊界條件，所以反力裝置與傳力裝置是偽靜力加載試驗中所必需的。目前常用的反力裝置主要有反力墻、反力支座、門式鋼架、反力架和相應的各種組合載荷架。從加載方向來看，有豎向反力裝置和水平單向反力裝置，而后者又包括固定式反力墻、移動式反力墻和移動式反力支架。

3.2 單向偽靜力加載試驗

3.2.1 加載規(guī)則

1)力控制加載。力控制加載方式就是以每次循環(huán)的力的幅度作為控制量進行加載的一種方法。由于試件在屈服后很難控制加載的力，所以試驗加載中很少單獨采用這種方法。2)位移控制加載。位移控制加載就是在加載過程中以位移作為控制量，按照一定的位移增幅進行循環(huán)的加載，幅值有從小到大變化的，也有恒定的，當然也有大小混合的。3)位移控制加載。力—位移混合控制加載:這種方法首先以力的控制進行加載，當試件達到屈服狀態(tài)，則改用位移控制。在《建筑抗震試驗方法規(guī)程》中有明確的規(guī)定。其中屈服狀態(tài)的確定是個很不精確的概念，需要特別注意。

3.2.2 試驗控制方法

電液伺服結(jié)構(gòu)試驗設(shè)備的發(fā)展使得結(jié)構(gòu)的偽靜力試驗變得簡單。電液伺服試驗系統(tǒng)主要由以下幾個部分組成:計算機、A/D和D/A轉(zhuǎn)換器、模擬控制器、電液伺服加載器、傳感器和有關(guān)的輔助設(shè)備。A/D，D/A轉(zhuǎn)換器可以采用匯編語言、C語言或者是Basic語言編寫;對于結(jié)構(gòu)工程研究人員來說，整個過程采用高級語言編寫軟件進行控制比較簡單。

3.2.3 恢復力模型、損傷模型以及參數(shù)確定

構(gòu)件的恢復力模型以及參數(shù)的確定是分析結(jié)構(gòu)彈塑性地震反應的基礎(chǔ)，只有合理地建立起基本構(gòu)件的恢復力模型并且準確地確定模型參數(shù)，理論計算結(jié)果才能反映實際結(jié)構(gòu)的真實特性。目前的恢復力模型有兩大類:1)折線型;2)光滑型。折線型的恢復力模型主要有雙線性模型、三線性模型和滑移滯回模型等，在這個基礎(chǔ)之上，進一步考慮強度退化和剛度退化將得到更為復雜的恢復力模型;光滑型模型主要是通過微分方程的形式來表示各個不同受力狀態(tài)的構(gòu)件恢復力滯回曲線和承載力、剛度退化效應。

3.3 雙向偽靜力加載試驗

地震對結(jié)構(gòu)的作用不是試驗中那么單方向的，其實是多方向的，而且有很大的不確定性，大量的地震災害調(diào)查表明，水平雙向地震比單向地震對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的破壞作用要大很多。這是因為，一個方向的損傷直接導致了另一個方向上構(gòu)件抗震性能的下降。因此研究結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在雙向受力狀態(tài)下的抗震性能是非常有意義的。

由于結(jié)構(gòu)的彈塑性變形特性與加載路徑有關(guān)系，所以根據(jù)研究的目的和方法的不同，雙向加載規(guī)則也有許多種形式。由于大多加載過程中采用的是位移控制規(guī)則，所以使用電液伺服加載試驗設(shè)備是比較容易實現(xiàn)的。

4 擬動力試驗

4.1 擬動力試驗的基本方法

擬動力試驗的基本思想是基于結(jié)構(gòu)動力方程的數(shù)值計算過程。對于一個離散的多自由度結(jié)構(gòu)，其動力方程可以寫成:

其中，M，C，K 分別為質(zhì)量矩陣、阻尼矩陣和剛度矩陣;¨x，﹒x，x分別為結(jié)構(gòu)相對于地面的加速度向量、速度向量和位移向量;¨xg為地震時地面的加速度向量。為了能對式(1)進行數(shù)值求解，需要將上式的微分方程變成差分方程的形式，設(shè)時間步長為Δt，并且令恢復力 P=Kx，地震力向量 F=-M¨xg，方程(1)在某一時刻ti的離散時間動力方程為:

擬動力試驗中一般采用中央差分法對動力方程(2)進行求解。中央差分法采用了以下的速度和加速度假定，即:

將式(3)，式(4)代入離散動力方程(2)，經(jīng)整理得:

顯然式(5)中求第i+1步的位移反應 xi+1只與恢復力 Pi有關(guān)，所以式(5)的右端都是已知量，因此中央差分法是一種顯式的方法。

不過，在試驗開始時，結(jié)構(gòu)的反應很小，最初的試驗尚無結(jié)構(gòu)實測值，恢復力可采用結(jié)構(gòu)的剛度按P=Kx來計算。因此，試驗的初始階段適合采用線性加速度法求解動力方程(2)，當結(jié)構(gòu)反應逐漸增加，實測恢復力足夠精確后，再使用試驗實測恢復力P。線性加速度法是假定在 ti和ti+1之間，加速度按線性規(guī)律變化，經(jīng)過整理后，得出以下計算公式:

4.2 等效單自由度體系的擬動力試驗

等效單自由度體系的擬動力試驗是對多自由度結(jié)構(gòu)體系的一種簡化試驗方法，最初是由美日合作研究足尺七層鋼架混凝土結(jié)構(gòu)試驗時提出的。這種方法主要是基于如下的幾個理由:當被試驗結(jié)構(gòu)的自由度很多而且剛度很大時，剛度矩陣中的主元素數(shù)值可能達到103kN/mm～104kN/mm，而試驗中位移測量設(shè)備的精度僅為10-3mm～10-2mm，因此即使將位移精確地控制在精度范圍里，載荷也將有1 kN～10 kN的誤差;另外的原因是，多自由度結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布很復雜且隨著時間呈隨機變化，而且由于當時加載器的性能有限，以及有關(guān)誤差的控制方法還沒有建立，因此多自由度結(jié)構(gòu)體系的擬動力試驗控制算法的建立和試驗都有很大的難度，在這種情況下，人們想到了用等效單自由度來代替進行試驗。該方法基于一個事實:剛度大的結(jié)構(gòu)體系在振動過程中基本處于第一振型振動狀態(tài)，所以等效單自由度體系的試驗是以第一振型為主，結(jié)構(gòu)各層的地震作用按倒三角分布。

4.3 子結(jié)構(gòu)技術(shù)

結(jié)構(gòu)在地震的作用下將產(chǎn)生破壞，但是破壞往往只是發(fā)生在結(jié)構(gòu)的某些部位或者構(gòu)件上，其他部分處于完好的狀態(tài)或者基本完好狀態(tài)，所以將容易破壞的具有復雜非線性特性的這個部分結(jié)構(gòu)進行試驗，而其余處于線彈性狀態(tài)的結(jié)構(gòu)部分用計算機進行計算模擬，被試驗的結(jié)構(gòu)部分和計算機模擬部分在一個整體結(jié)構(gòu)動力方程中得到統(tǒng)一。這樣解決的問題是:1)大大地降低了試件的尺寸和規(guī)模，降低費用;2)對于那些大而復雜的結(jié)構(gòu)進行擬動力試驗，這一方法可以大大地降低加載器和反力裝置。

5 結(jié)語

結(jié)構(gòu)抗震靜力試驗是結(jié)構(gòu)抗震試驗的重要組成部分，它的最大特點是設(shè)備比較簡單，在逐步加載中可以讓試驗人員有機會看清破壞的過程。對于那些要求不高的結(jié)構(gòu)來說，結(jié)構(gòu)抗震靜力試驗已經(jīng)能夠達到所要的精度。在很長的時間內(nèi)，結(jié)構(gòu)抗震靜力試驗還是人們研究結(jié)構(gòu)抗震性能的主要試驗手段。

[1] 朱伯龍.結(jié)構(gòu)抗震試驗[M].北京:地震出版社，1989.

[2] 姚謙峰，陳 平.土木工程結(jié)構(gòu)試驗[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社，2001:7.

[3] 陳伯望，王海波.結(jié)構(gòu)擬動力試驗方法綜述[J].湖南城市學院學報，2004(12):67-69.

[4] 王德才.擬動力試驗數(shù)值積分方法及子結(jié)構(gòu)擬動力試驗研究[D].合肥:合肥工業(yè)大學，2005.