孫柏濤 姜 琪 閆培雷

(1.中國地震局工程力學(xué)研究所，黑龍江 哈爾濱 150080； 2.中國地震局地震工程與工程振動重點(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)、擬動力試驗(yàn)、地震模擬振動臺試驗(yàn)，本文將對這三種方法進(jìn)行分析比對。

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)對象上使用各種儀器設(shè)備，在荷載作用下，通過測量與結(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)計的荷載或位移模式對試驗(yàn)對象進(jìn)行往復(fù)的加載，以此來得到試驗(yàn)對象的荷載—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，荷載和加載時間的相互控制關(guān)系。對這種相互關(guān)系有影響的參數(shù)包括：加載速度、加載時間步長、分級荷載和加、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，但有時為了精確模擬實(shí)際受力狀態(tài)往往會采用雙向同時加載。

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，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，首先對試件施加荷載，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加載，試體屈服后應(yīng)采用變形控制，以屈服時的最大變形值為級差進(jìn)行控制加載。反復(fù)荷載次數(shù)在試體屈服前每級可一次，試體屈服后每級宜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 擬動力試驗(yàn)

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

2.2.1擬動力試驗(yàn)的原理

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

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)時間步長來實(shí)時測定的。對應(yīng)時間間隔Δt，采用逐步積分法求得各個自由度的位移，然后通過作動器將對應(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，同時用錨桿把試體與反力地板相連。

2.3 地震模擬振動臺試驗(yàn)

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

通過地震模擬試驗(yàn)，可以測得不同結(jié)構(gòu)的動力特性、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臺，其基本構(gòu)成如圖4所示?；旧嫌善叽笙到y(tǒng)組成，即臺面及支承導(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)、量測系統(tǒng)和基礎(chǔ)。各部分視地震模擬振動臺建造成幾個自由度而決定其所包含的組成內(nèi)容。

3 結(jié)語

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。