宋亞磊

(揚(yáng)州大學(xué) 江蘇 揚(yáng)州 225000)

結(jié)構(gòu)抗震靜力試驗(yàn)方法

宋亞磊

(揚(yáng)州大學(xué) 江蘇 揚(yáng)州 225000)

結(jié)構(gòu)抗震實(shí)驗(yàn)包括動(dòng)力試驗(yàn)與靜力試驗(yàn)，其中靜力試驗(yàn)分為偽靜力試驗(yàn)和擬動(dòng)力試驗(yàn)，本文主要介紹工程實(shí)踐中最常用的兩種結(jié)構(gòu)抗震靜力試驗(yàn)方法。

結(jié)構(gòu)抗震靜力試驗(yàn)；偽靜力試驗(yàn)；擬動(dòng)力試驗(yàn)

引言

直到上世紀(jì)初，人們對(duì)建筑的抗震研究依然沒(méi)有得到重視，這導(dǎo)致了因地震對(duì)建筑物的破壞造成大量生命和財(cái)產(chǎn)損失。1906年發(fā)生在美國(guó)舊金山的地震對(duì)舊金山造成了嚴(yán)重的破壞，死亡人數(shù)在3000人以上。1924年日本關(guān)東地區(qū)地震則造成15萬(wàn)人喪生。這兩次大地震之后,結(jié)構(gòu)抗震實(shí)驗(yàn)研究得到了重視。1933年美國(guó)開始進(jìn)行強(qiáng)震觀測(cè),取得了大量的地震動(dòng)記錄和結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)記錄,為直接將實(shí)際地震記錄輸入到結(jié)構(gòu)中進(jìn)行數(shù)值分析提供了先決條件[1]，此后人們對(duì)建筑物的抗震試驗(yàn)與理論研究迅速發(fā)展。

對(duì)建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震試驗(yàn)，可以對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，從而可以為人們建筑抗震設(shè)計(jì)提供依據(jù)。我國(guó)很大一部分地區(qū)處在亞歐板塊與太平洋板塊、印度洋板塊的交界處，曾經(jīng)發(fā)生的唐山地震、汶川地震等震害教訓(xùn)非常深刻，為了預(yù)防可能發(fā)生的地震災(zāi)害對(duì)人民生命財(cái)產(chǎn)造成嚴(yán)重?fù)p失，有必要進(jìn)行抗震實(shí)驗(yàn)研究來(lái)發(fā)展抗震技術(shù)，這樣才能使建筑物具備良好的抗震性能。

1 概述

工程結(jié)構(gòu)抗震試驗(yàn)可分為兩大類，即結(jié)構(gòu)抗震動(dòng)力試驗(yàn)與抗震靜力試驗(yàn)[2]。工程抗震動(dòng)力試驗(yàn)通常指震動(dòng)臺(tái)模擬試驗(yàn)，即利用振動(dòng)臺(tái)模擬地震作用。建筑結(jié)構(gòu)震動(dòng)臺(tái)模擬試驗(yàn)可以真實(shí)的再現(xiàn)地震過(guò)程，但地震模擬振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)有很大的局限性，振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)裝置成本非常高，國(guó)內(nèi)只有少數(shù)高校及研究所擁有5米以上的大尺寸振動(dòng)臺(tái)。由于試驗(yàn)條件的限制往往只能進(jìn)行小比例縮尺模型的試件進(jìn)行試驗(yàn),這容易產(chǎn)生尺寸效應(yīng),不能很好的滿足相似條件,以至于產(chǎn)生地震作用破壞形態(tài)的偏差。

在試驗(yàn)室經(jīng)常進(jìn)行的工程抗震靜力試驗(yàn)方法包括擬靜力試驗(yàn)和擬動(dòng)力試驗(yàn)。與抗震動(dòng)力試驗(yàn)方法相比，抗震靜力試驗(yàn)因其具有經(jīng)濟(jì)、實(shí)用等優(yōu)點(diǎn)，在抗震試驗(yàn)研究中更為常用。

2 擬靜力試驗(yàn)

擬靜力試驗(yàn)又稱低周反復(fù)荷載試驗(yàn)，是指對(duì)結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件施加多次往復(fù)循環(huán)作用的靜力試驗(yàn)，是使結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件在正反兩個(gè)方向重復(fù)加載和卸載的過(guò)程，用以模擬地震時(shí)結(jié)構(gòu)在往復(fù)振動(dòng)中的受力特點(diǎn)和變形特點(diǎn)。這種方法是用靜力方法求得結(jié)構(gòu)振動(dòng)時(shí)的效果，因此稱為擬靜力試驗(yàn)，或偽靜力試驗(yàn)。結(jié)構(gòu)的擬靜力試驗(yàn)是目前研究結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件受力及變形性能時(shí)應(yīng)用最廣泛的方法之一。這種試驗(yàn)方法是在20世紀(jì)中期基于結(jié)構(gòu)非線性地震反應(yīng)分析的要求提出的,應(yīng)用該試驗(yàn)方法可以最大限度地利用試件提供的各種信息[3]。它采用一定的荷載控制或位移控制對(duì)試件進(jìn)行低周反復(fù)循環(huán)的加載方法，使試件從開始受力到破壞的一種試驗(yàn)方法，由此獲得結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件非彈性的荷載—變形特性，因此又稱為恢復(fù)力特性試驗(yàn)。

擬靜力試驗(yàn)有以下加載規(guī)則：(1)力控制加載。力控制加載方式就是以每次循環(huán)加載的力的大小作為控制量進(jìn)行加載的一種方式。當(dāng)試驗(yàn)對(duì)象具有明確屈服點(diǎn)時(shí)，一般都以屈服位移的倍數(shù)做為控制值；當(dāng)試件沒(méi)有明確屈服點(diǎn)時(shí)由試驗(yàn)研究者根據(jù)經(jīng)驗(yàn)規(guī)定一個(gè)合適的位移值來(lái)控制試驗(yàn)的加載。(2)位移控制加載。位移控制加載就是在試件加載過(guò)程中以位移作為控制量,按照一定的位移增幅進(jìn)行循環(huán)加載。(3)力—位移混合控制加載。這種方法先以力的控制進(jìn)行加載,當(dāng)試件達(dá)到屈服狀態(tài)時(shí)改用位移控制加載，直到試件破壞。規(guī)程[4]規(guī)定：試件屈服前應(yīng)采用力控制加載，而在試件屈服后應(yīng)采用位移控制加載。

擬靜力試驗(yàn)具有設(shè)備要求不高,成本低、可操作性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在工程抗震試驗(yàn)中被廣泛應(yīng)用。應(yīng)用該試驗(yàn)方法可以最大限度地利用試件提供的各種信息，對(duì)建立恢復(fù)力模型和承載力計(jì)算公式有很大幫助。

3 擬動(dòng)力試驗(yàn)

擬動(dòng)力試驗(yàn)方法最早于1969年由日本學(xué)者M(jìn).Hakuno等人提出[5]，擬動(dòng)力試驗(yàn)是一種聯(lián)機(jī)試驗(yàn)，通過(guò)計(jì)算機(jī)控制加載模擬地震過(guò)程。擬動(dòng)力試驗(yàn)方法即結(jié)合了擬靜力加載試驗(yàn)和地震模擬振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)兩種方法的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又考慮了結(jié)構(gòu)理論分析和計(jì)算的特色，可以做到模擬大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，擬動(dòng)力試驗(yàn)在工程結(jié)構(gòu)抗震試驗(yàn)方面得到了廣泛的應(yīng)用。

3.1 擬動(dòng)力試驗(yàn)方法

擬動(dòng)力試驗(yàn)技術(shù)把電液伺服試驗(yàn)裝置與計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)合起來(lái),通過(guò)加載試驗(yàn)給出結(jié)構(gòu)恢復(fù)力的實(shí)際數(shù)據(jù),利用計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)分析技術(shù)給出加載試驗(yàn)的逐步控制數(shù)據(jù)。與理論計(jì)算相比，擬動(dòng)力試驗(yàn)無(wú)需對(duì)工程結(jié)構(gòu)作任何假定就能獲得結(jié)構(gòu)體系的真實(shí)地震反應(yīng)特征；而與擬靜力試驗(yàn)和地震模擬振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)相比，它既有擬靜力試驗(yàn)?zāi)菢咏?jīng)濟(jì)方便的特點(diǎn)，又具有振動(dòng)臺(tái)那樣真實(shí)模擬地震作用的能力。擬動(dòng)力試驗(yàn)周期縮短,并且由于采用地震動(dòng)時(shí)程作為加載制度,因此,試驗(yàn)結(jié)果能夠良好地指示結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)過(guò)程。

3.2 子結(jié)構(gòu)技術(shù)

上世紀(jì)80年代到90年代中期，擬動(dòng)力試驗(yàn)方法有了突破性的發(fā)展，其中最有代表的進(jìn)展就是子結(jié)構(gòu)技術(shù)的應(yīng)用[6]。從震害的角度來(lái)看,結(jié)構(gòu)在地震作用下的破壞往往都是局部的,結(jié)構(gòu)的倒塌也是由于局部的嚴(yán)重破壞引起的。如果將結(jié)構(gòu)中最容易破壞的部分進(jìn)行實(shí)驗(yàn),而其余結(jié)構(gòu)部分由計(jì)算機(jī)模擬是最為經(jīng)濟(jì)合理的方案，子結(jié)構(gòu)擬動(dòng)力實(shí)驗(yàn)方法就是為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)而提出的。子結(jié)構(gòu)方法把結(jié)構(gòu)劃分為試驗(yàn)子結(jié)構(gòu)和計(jì)算子結(jié)構(gòu)，將易破壞具有復(fù)雜非線性特性的部分作為試驗(yàn)子結(jié)構(gòu)進(jìn)行試驗(yàn)，其余線性部分作為計(jì)算子結(jié)構(gòu)由計(jì)算機(jī)進(jìn)行仿真模擬。子結(jié)構(gòu)技術(shù)在一定程度上解決了工程結(jié)構(gòu)大型化和試驗(yàn)設(shè)備和經(jīng)費(fèi)規(guī)模有限的矛盾。

結(jié)論

結(jié)構(gòu)抗震靜力試驗(yàn)是結(jié)構(gòu)抗震試驗(yàn)的重要組成部分,它的最大特點(diǎn)是試驗(yàn)設(shè)備較簡(jiǎn)單、試驗(yàn)周期短、可操作性強(qiáng)，且在逐步加載中可以讓試驗(yàn)人員有機(jī)會(huì)看清破壞的過(guò)程，研究結(jié)構(gòu)抗震靜力試驗(yàn)對(duì)抗震設(shè)計(jì)的發(fā)展具有重要作用。

[1] 趙榮國(guó),李衛(wèi)平.世界地震災(zāi)害損失的統(tǒng)計(jì)[J].國(guó)際地震動(dòng)態(tài),1996.12.

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

[3] 王墩,趙海瓊,呂西林.建筑結(jié)構(gòu)擬靜力試驗(yàn)方法的加載制度[J].四川建筑科學(xué)研究,2014.06.

[4] 吳世英.《建筑抗震試驗(yàn)方法規(guī)程》(JGJ101-96)簡(jiǎn)介.工程抗震[J],1997.12.

[5] 田石柱,趙桐.抗震擬動(dòng)力試驗(yàn)技術(shù)研究.世界地震工程[J],2001.12.

[6] 李玉順,單煒.子結(jié)構(gòu)法擬動(dòng)力試驗(yàn)技術(shù)研究.土木工程學(xué)報(bào)[J].2010.03.

TU317

A

1672-5832(2016)07-0266-01