顧冬生

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

在我國(guó)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(guó)家建設(shè)中。在未來(lái)的幾十年內(nèi)，土木工程仍將發(fā)揮重要作用，影響著我國(guó)基礎(chǔ)建設(shè)的發(fā)展與進(jìn)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(duì)畢業(yè)生的要求也越來(lái)越高，除了要有扎實(shí)的理論基礎(chǔ)，還要有較強(qiáng)的實(shí)踐能力和專業(yè)技能。

土木工程結(jié)構(gòu)試驗(yàn)教學(xué)是土木工程一門(mén)重要的基礎(chǔ)課程，可以培養(yǎng)學(xué)生掌握基本實(shí)驗(yàn)方法、提高動(dòng)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(yàn)作為土木工程結(jié)構(gòu)試驗(yàn)課程重要組成部分，對(duì)于其教學(xué)也要引起足夠重視。結(jié)構(gòu)抗震試驗(yàn)教學(xué)旨在通過(guò)實(shí)踐來(lái)培養(yǎng)學(xué)生對(duì)結(jié)構(gòu)抗震性能的理解，提高結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)綜合能力。但由于教學(xué)條件制約等原因，目前高校試驗(yàn)教學(xué)水平參差不齊，還達(dá)不到理想的教學(xué)效果。

1 結(jié)構(gòu)抗震試驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀與存在的問(wèn)題

結(jié)構(gòu)抗震試驗(yàn)操作成本高，如一般的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，一根柱成本就上千，一系列試驗(yàn)做下來(lái)代價(jià)很高，這對(duì)一些高校和實(shí)驗(yàn)室來(lái)說(shuō)負(fù)擔(dān)太大，甚至有些高校缺少條件開(kāi)展相關(guān)試驗(yàn)。另外，實(shí)驗(yàn)試件安裝定位比較復(fù)雜、儀器設(shè)備造價(jià)高以及試驗(yàn)對(duì)安全性要求比較高，使得抗震試驗(yàn)開(kāi)展非常困難[2-3]，這樣學(xué)生很難掌握抗震試驗(yàn)的核心思想，對(duì)抗震性能評(píng)價(jià)參數(shù)也沒(méi)有直觀認(rèn)識(shí)。結(jié)構(gòu)抗震試驗(yàn)一般難度較大，需要試驗(yàn)人員具有扎實(shí)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(yàn)可視化程度不夠，試驗(yàn)過(guò)程中各種數(shù)據(jù)的變化不能直觀地顯示出來(lái)，影響試驗(yàn)教學(xué)效果。

很多高校有開(kāi)展試驗(yàn)教學(xué)，但因?yàn)榭拐鹪囼?yàn)難度較大，對(duì)試驗(yàn)指導(dǎo)人員要求也比較高，所以開(kāi)展這方面試驗(yàn)積極性不高。這些造成長(zhǎng)期以來(lái)對(duì)抗震試驗(yàn)教學(xué)重視不夠，也缺乏鼓勵(lì)措施[4]。

2 數(shù)值仿真技術(shù)的意義

隨著科技的進(jìn)步尤其是計(jì)算機(jī)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(jī)械等多個(gè)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(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬，并對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)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(yàn)教學(xué)中，為試驗(yàn)教學(xué)開(kāi)辟一條新道路，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)試驗(yàn)教學(xué)對(duì)設(shè)備要求高，試驗(yàn)比較復(fù)雜的不足。數(shù)值仿真技術(shù)的靈活性和開(kāi)放性為試驗(yàn)教學(xué)增添了無(wú)數(shù)可能，通過(guò)改變模擬試驗(yàn)參數(shù)，學(xué)生可以方便地得到運(yùn)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(guò)數(shù)值仿真試驗(yàn)和真實(shí)試驗(yàn)相結(jié)合，學(xué)生可以在真實(shí)試驗(yàn)前進(jìn)行預(yù)試驗(yàn)，提高了試驗(yàn)的成功率，增加了學(xué)生的積極性，而且，數(shù)值仿真試驗(yàn)一般能在短時(shí)間內(nèi)得到試驗(yàn)結(jié)果，并具有較高的可靠度。數(shù)值仿真試驗(yàn)可以增加學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解與運(yùn)用，通過(guò)學(xué)習(xí)使用有限元軟件，在一次次建模與分析的過(guò)程中，學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解與記憶也越來(lái)越深。而且，數(shù)值仿真試驗(yàn)教學(xué)促進(jìn)學(xué)生的學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)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(lái)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(yàn)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(jìn)行框架柱抗傾覆試驗(yàn)，試驗(yàn)教學(xué)能加深學(xué)生對(duì)柱結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)。我們通過(guò)理論學(xué)習(xí)已經(jīng)對(duì)柱子在水平力作用下受力模式有了一定的了解，但對(duì)柱子的內(nèi)力與變形缺少感性的認(rèn)識(shí)。在試驗(yàn)教學(xué)之前，對(duì)框架柱進(jìn)行抗傾覆的數(shù)值仿真試驗(yàn)，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)試驗(yàn)的理解與認(rèn)識(shí)。

鋼筋混凝土框架柱抗傾覆試驗(yàn)如圖1 所示，通過(guò)對(duì)柱頂施加低周往復(fù)荷載，控制柱頂?shù)奈灰疲瑏?lái)得到試驗(yàn)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(jìn)行數(shù)值仿真試驗(yàn)，OpenSees 是一個(gè)以美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校為主導(dǎo)開(kāi)發(fā)的開(kāi)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(kāi)發(fā)以來(lái)經(jīng)過(guò)多次升級(jí)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(shí)際工程和振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)項(xiàng)目，經(jīng)驗(yàn)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(yàn)

進(jìn)行數(shù)值仿真試驗(yàn)時(shí)，先用OpenSees 軟件對(duì)柱子的截面和材料進(jìn)行模擬，根據(jù)試件的實(shí)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(jì)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(duì)試件柱施加約束條件，對(duì)柱底3 個(gè)自由度進(jìn)行約束，對(duì)柱頂施加軸壓力，在側(cè)向施加水平位移，完全模擬真實(shí)試驗(yàn)時(shí)的邊界條件，進(jìn)行同樣的抗傾覆分析。

圖2 框架柱數(shù)值仿真試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

模擬計(jì)算結(jié)果和結(jié)論與實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，可以驗(yàn)證數(shù)值仿真試驗(yàn)的可靠性。試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如圖3 所示?？梢钥闯觯瑪?shù)值仿真試驗(yàn)的結(jié)果和實(shí)際試驗(yàn)吻合很好，具有較高的精度。對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，鋼筋混凝土框架柱承受低周往復(fù)荷載時(shí)，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(lái)評(píng)估構(gòu)件的抗震性能。在計(jì)算分析時(shí)，學(xué)生可以通過(guò)改變截面參數(shù)或荷載來(lái)得到不同的分析結(jié)果，可以提高學(xué)生對(duì)框架柱抗傾覆性能理解，建立比較定量的認(rèn)識(shí)。再結(jié)合一定量的現(xiàn)有的試驗(yàn)過(guò)程的錄像資料，可以進(jìn)一步讓學(xué)生了解構(gòu)件的破壞過(guò)程，如混凝土的開(kāi)裂和剝離等，這樣學(xué)生就能對(duì)抗震性能有了比較全面的認(rèn)識(shí)。

圖3 試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

4 結(jié)語(yǔ)

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(yàn)教學(xué)中，給試驗(yàn)教學(xué)帶來(lái)一條新思路，也帶來(lái)諸多便利。目前高校土木工程的試驗(yàn)教學(xué)水平參差不齊，有必要加大對(duì)數(shù)值仿真試驗(yàn)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(kāi)發(fā)與改進(jìn)也是現(xiàn)在的重點(diǎn)工作，應(yīng)加大力度擴(kuò)大軟件的應(yīng)用領(lǐng)域，開(kāi)發(fā)新的應(yīng)用模塊，增強(qiáng)軟件的穩(wěn)定性與實(shí)用性。