陳 嶸

(北京建筑大學(xué) 土木與交通學(xué)院，北京 100044)

1 引 言

地震對結(jié)構(gòu)的作用實際上是多維的，試件的破壞與荷載路徑有關(guān)。水平雙向地震比單向地震對結(jié)構(gòu)的破壞作用大很多，一個方向的損傷會影響另一個方向的抗震能力，如型鋼柱的水平雙向地震試驗表明，一個方向的屈服嚴重影響另一個方向的抗震能力[1]。軸力變化影響構(gòu)件的抗震性能，如雙柱橋墩在橫橋向地震作用下，柱軸力變化影響柱頂位移，鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)邊框柱的軸力變化對其抗震性能影響很大[2]。

實際震害(如圖1所示)中，橋墩軸力變化的影響不容忽視。1989年美國洛馬·普里埃塔(Loma Prieta)地震，7級，Struve Slough橋部分橋墩與蓋梁節(jié)點發(fā)生彎剪破壞，與上部結(jié)構(gòu)的相對位移過大，導(dǎo)致橋墩與蓋梁脫開并穿透橋面，記錄到的地面水平運動加速度峰值0.39g，豎向運動加速度峰值0.66g。2008年汶川地震，8級，《公路工程抗震設(shè)計規(guī)范》(JTG B02-2013)[3]指出，斷裂帶附近豎向地震作用較大，百花大橋、映秀鎮(zhèn)順河橋、小魚洞大橋等因同時受到巨大的豎向和水平向地震作用，出現(xiàn)了由結(jié)構(gòu)構(gòu)件強度失效破壞而導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)垮塌。

圖1 震害

《公路橋梁抗震設(shè)計細則》(JTG/T B02-01-2008)[4]7.4.4條、7.4.5條規(guī)定考慮最不利軸力組合計算軸力-彎矩-曲率曲線，7.4.8條規(guī)定對于雙柱墩、排架墩，橫橋向的容許位移可在蓋梁處施加水平力F，進行非線性靜力分析。當(dāng)墩柱的任一塑性鉸達到其最大容許轉(zhuǎn)角時，蓋梁處的橫向水平位移即為容許位移(如圖2所示)。

圖2 雙柱墩的容許位移

目前，國外的試驗研究成果有R. P. Dhakal等[5]對按照美國加州規(guī)范、新西蘭規(guī)范和日本規(guī)范設(shè)計了3個1∶3的橋墩模型進行雙向擬動力試驗。Yoshiaki Goto等[6]試驗研究雙向水平地震作用下圓形薄壁鋼柱橋墩的極限狀態(tài)。Umut Akguzel等[7]采用變軸力雙向加載試驗研究了鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)角部梁柱節(jié)點的抗震性能。M. Di Ludovico等[8]通過試驗研究光圓鋼筋混凝土柱在恒定軸力和雙向彎曲受力下的力學(xué)性能。Hugo Rodrigues等[9]試驗研究鋼筋混凝土矩形柱在6種水平雙向作用和變軸力下的抗震性能，試驗表明，變軸力雙向加載對柱的非線性性能和承載力有明顯影響，變軸力柱發(fā)生破壞的側(cè)移小于恒定軸力，雙向受力導(dǎo)致承載力下降。

國內(nèi)對變軸力下單向作用和恒定軸力下雙向作用柱的抗震性能的試驗研究相對較少。顧祥林等[10]對不同軸壓比、加載路徑、變軸力等參數(shù)進行研究，試驗表明，變軸力加載柱下的滯回曲線明顯不對稱，但耗能和極限位移與定軸力基本一致。石慶軒等[11]研究了加載制度對新型型鋼混凝土柱抗震性能的影響，試驗和有限元分析結(jié)果表明，變軸力作用下柱的性能表現(xiàn)明顯不對稱，且抗震性能較定軸力作用更為不利。王德斌等[12]通過鋼筋混凝土柱在多維動力加載下的試驗，研究了柱的動態(tài)力學(xué)性能，試驗表明，變軸力雙向加載降低了構(gòu)件的延性和變形能力。

研究試件在水平雙向荷載或變軸力往復(fù)荷載下的試驗論文較少，試驗的難點在于硬件和軟件兩方面。硬件方面，雙向水平加載需要L形剪力墻，且豎向千斤頂雙向滑動如何減小摩擦力是試驗難題；軟件方面，雙向加載難以協(xié)調(diào)兩臺作動器之間的同步關(guān)系，2臺作動器應(yīng)符合一定比例或曲線關(guān)系的加載方案在試驗中很難實現(xiàn)，或者數(shù)據(jù)不穩(wěn)定，某些雙向加載試驗實質(zhì)上是分段單向加載。這兩方面的問題是制約雙向加載試驗的主要原因。

本文采用VB6.0對MTS公司電液伺服作動器控制軟件793.00進行二次開發(fā)，通過計算機程序控制2臺作動器加載試件，實現(xiàn)同步加載，完成不同荷載路徑下的抗震性能試驗。

2 變軸力往復(fù)加載控制程序設(shè)計

結(jié)構(gòu)實驗室有2臺50t作動器(如圖3所示)，控制軟件793.00是一款通用軟件，不適合變軸力往復(fù)荷載試驗。圖4為試驗示意圖，5圖為荷載路徑，分恒定軸力和變軸力兩類。為實現(xiàn)變軸力往復(fù)加載，須協(xié)調(diào)水平作動器和豎向作動器之間的關(guān)系。

圖3 作動器

圖4 試驗示意圖

(a)恒定軸力 (b)變軸力圖5 試驗加載方案

2.1 調(diào)用VB類庫及程序與設(shè)備的連接

VB6.0調(diào)用793.00中VB類庫的方法與調(diào)用AutoCAD中VB類庫的方法類似，文獻[13]已有類似說明。在VB6.0程序界面點擊“工程”-“引用(N)…”，在彈出的對話框中勾選“MTS 793.00 General Utilities”、“MTS 793.00 Real-time Programming Interface”、“MTS 793.00 Units Support”等3項，即可調(diào)用793.00中VB類庫中的函數(shù)。

VB6.0通過4個層級逐次連接硬件設(shè)備：試驗系統(tǒng)、工作站、通道(作動器)、控制模式，獲得作動器的控制權(quán)(如圖6所示)。

圖6 組織結(jié)構(gòu)圖

(1)試驗系統(tǒng)。793.00類庫定義整體試驗為一個系統(tǒng)，類名RtSystem，VB定義一個新對象再連接這個系統(tǒng)。

Dim system As New RtSystem

Const appNm As String ="擬靜力試驗"

system.Connect "", appNm, ""

(2)工作站。793.00定義一次試驗為一個工作站，一個試驗系統(tǒng)可以有多臺工作站，多臺工作站可同時進行試驗并由一個試驗系統(tǒng)管理，因此在試驗系統(tǒng)中找到指定工作站并賦值給工作站類變量完成連接。

Dim Station As RtStation

Dim named As INamed

Set named = system.StationNames(1)

Set Station = system.FindStation(named.keyName, appNm, "", oAppControl)

(3)通道(作動器)。工作站必須包含至少一臺作動器，從作動器到計算機形成一條通道，一條通道對應(yīng)一臺作動器。實際上，可以把通道理解為作動器，因為兩者是一一對應(yīng)的。

Dim list As ObjectCollection

Dim channelKeys() As String

Set list = Station.Channels

If list.Count > 0 Then

FillDisplayWithNames Form1.ComChannel, list, channelKeys()

End If

Set list = Station.FloatSignals

If list.Count > 0 Then

FillDisplayWithNames lstSignals, list, sigKeys

End If

(4)控制模式。試驗加載方式有3種：力控制、位移控制、力-位移控制，一般試驗多采用后兩種方式。作動器的控制模式有兩種：力控制模式、位移控制模式，其中位移控制模式可細分為內(nèi)位移控制模式、外位移控制模式。獲得通道(作動器)控制權(quán)后，應(yīng)在通道屬性中指定控制模式。

Public Mode() As RtCtrlMode

Set Mode(i) = channel(i).CtrlModes.Find(Grid.TextMatrix(i, 4))

If Not channel(i).ActiveMode Is Mode(i) Then

channel(i).ActiveMode

Mode(i)

End If

通過上述4個步驟獲得作動器的控制權(quán)，并指定控制模式。此時，可指定作動器施加荷載或位移，如施加推力10kN荷載，或拉力-10kN，或伸長2mm，或回縮-2mm。

2.2 控制作動器

獲得作動器控制權(quán)后可指定作動器按加載路徑加載試件。1臺作動器時，指定作動器達到荷載或位移的目標值。2臺作動器時，還應(yīng)協(xié)調(diào)2臺作動器之間的時間，使其分別達到各自的目標值，且時間基本相同。

(1)1臺作動器。輸入“目標值”、“速度”后作動器運行至“目標值”。完成這段指令需要“當(dāng)前值”、“目標值”、“速度”、“時間”4個參數(shù)，“時間”參數(shù)由當(dāng)前值、目標值、速度計算得到。

Dim fdbk() As RtFloatSig

Set fdbk(i) = Mode(i).FeedbackSignal

Dim當(dāng)前值 As Single,目標值 As Single, 速度 As Single,時間 As Single

當(dāng)前值 = fdbk(i).Value

目標值 = Val(MGrid1(0).TextMatrix(i, 3))

速度 = Val(MGrid1(0).TextMatrix(i, 4))

時間 = Abs((當(dāng)前值 - 目標值) / 速度)

Mode(i).SetSetptToValue 目標值, 時間

(2)2臺作動器。2臺作動器完成如圖5所示的試驗時，應(yīng)編程協(xié)調(diào)2臺作動器到達“目標值”的“時間”。按豎向變軸力荷載控制、水平位移控制的等幅變幅加載方式進行試驗時，需協(xié)調(diào)每一級循環(huán)2臺作動器的“時間”，并考慮2臺作動器不能同時達到峰值時的處理方法。

圖7為圖5(b)的局部放大圖，2臺作動器分別從圖7的平衡位置Ad、Af點“當(dāng)前值”出發(fā)，達到Bd、Bf點“目標值”。如水平作動器的位移值先到達Bd，則暫停保持當(dāng)前位移值，等待垂直作動器的荷載值達到Bf。當(dāng)2臺作動器都到達各自的“目標值”時，再進入下一個加載循環(huán)，反之亦然。

圖7 循環(huán)加載路徑

Dim 達到目標 As Boolean, Sum As Long, Chanl() As Long

達到目標 = False

While 到達目標 = False

Sum = 0

For j = 1 To Grid.Rows - 1

If Mode(j).Done = True Then Chanl(j) = 1

Sum = Sum + Chanl(j)

Next j

If Sum = Grid.Rows - 1 Then 達到目標 = True

DoEvents

Wend

2.3 流程圖

流程圖如圖8所示，VB6.0自編程序是對MTS控制軟件的二次開發(fā)，通過調(diào)用793.00的VB類庫，逐層獲得控制權(quán)，從系統(tǒng)到作動器依次為試驗系統(tǒng)、工作站、通道、控制模式。獲得控制模式時，可選擇力控制或位移控制進行試驗。試驗時需協(xié)調(diào)作動器控制命令和存儲數(shù)據(jù)占用內(nèi)存資源的矛盾，試驗數(shù)據(jù)先存儲在內(nèi)存中，再寫入硬盤文件，減少反復(fù)寫文件的次數(shù)。通過反饋函數(shù)判斷作動器是否運行到目標值，當(dāng)有多臺作動器時，先到達目標值的作動器暫停，等待其它作動器均到達目標值后，再同時進入下一個循環(huán)的目標值。試驗結(jié)束時，應(yīng)保存最后一批試驗數(shù)據(jù)并清空變量，再退出程序。

圖8 流程圖

3 試驗驗證

通過恒定軸力往復(fù)荷載加載試驗、軸向拉壓試驗、扭轉(zhuǎn)試驗、變軸力往復(fù)加載試驗驗證自編程序。

3.1 一維加載試驗

再生混凝土柱試驗(如圖9所示)研究在恒定軸力往復(fù)荷載下的抗震性能，采用力-位移控制加載方式，屈服前荷載控制、屈服后位移控制。防屈曲耗能支撐試驗(如圖10所示)研究鋼支撐在單軸拉壓荷載下的抗震性能，全程采用位移控制，程序自動記錄荷載路徑和滯回曲線。

(a)加載設(shè)備 (b)滯回曲線圖9 再生混凝土柱試驗

(a)加載裝置

(b)荷載路徑

(c)滯回曲線圖10 防屈曲耗能支撐試驗

3.2 扭轉(zhuǎn)試驗

U形截面梁受扭試驗(如圖11所示)研究U形截面梁的抗扭力學(xué)性能，2臺作動器以力或位移控制模式反向運行施加扭矩。試驗首先采用力控制逐級施加荷載，到達預(yù)定值后轉(zhuǎn)為位移控制逐級增加位移。

圖11 U形截面梁受扭試驗

3.3 變軸力剪力墻往復(fù)荷載試驗

剪力墻抗震性能試驗如圖12所示，對剪力墻施加變軸力和水平往復(fù)荷載，試驗采用多種控制方式：水平和垂直方向力控制，水平位移控制，垂直力控制，橢圓形荷載路徑。

圖12 剪力墻抗震性能試驗

程序界面見圖13，在“控制條件”圖框中選擇2臺作動器“Ch 3”、“Ch 4”及控制模式，確定后進入“控制方法”圖框進行試驗?！翱刂品椒ā庇?項：“單向”、“循環(huán)”、“調(diào)用文件”。

圖13 程序界面

(1)水平、垂直方向力控制。水平、垂直方向力的平衡點為0kN，水平荷載初始值1kN，每級循環(huán)增加1kN，變幅加載；垂直荷載幅值為2kN，等幅加載。2臺作動器荷載關(guān)系曲線(如圖14所示)表明，按比例施加荷載，兩者保持同步，同時達到最大值和最小值。

圖14 “Ch 3”和“Ch 4”作動器時間-荷載曲線

(2)水平位移控制、垂直力控制。圖15為水平作動器位移控制、垂直作動器力控制的加載方案。水平作動器平衡點0mm，幅值0.3mm，等幅加載；垂直作動器初始軸壓5kN，幅值5kN，等幅加載。

(3)橢圓形荷載路徑。為了適應(yīng)更復(fù)雜的加載方式，如菱形、圓形、方形、橢圓形加載路徑對試件受力性能的影響，軟件設(shè)計了“調(diào)用文件”界面實現(xiàn)此類加載方案。程序讀取文件中的二維加載路徑，指定2臺作動器按荷載路徑完成加載。下面以橢圓形荷載路徑為實例說明加載過程。

2臺作動器讀取橢圓參數(shù)文件，以力控制模式運行，程序繪制2臺作動器的荷載路徑，如圖16所示。水平作動器位移控制、垂直作動器力控制，2臺作動器讀取加載文件，按橢圓形路徑的加載關(guān)系曲線如圖17所示。

圖16 力控制模式 圖17 水平位移控制和垂直力控制

3.4 變軸力墩柱往復(fù)加載試驗

為試驗研究鋼筋混凝土墩柱在變軸力往復(fù)荷載下的抗震性能，制作了6個試件，見表1。2個Z3中，Z3-d按圖5(a)加載、Z3-b按圖5(b)加載，研究恒定軸力和變軸力對墩柱抗震性能的影響。其余試件按圖5(b)加載，研究縱筋配筋率、配箍率、高寬比對變軸力混凝土墩柱抗震性能的影響。試驗設(shè)計和試件安裝見圖18、圖19，滯回曲線見圖20。

圖18 試驗設(shè)計

圖19 試件安裝就位

表1 試件配筋表

(a)Z1 (b)Z2 (c)Z3-d

(d)Z3-b (e)Z4 (f)Z5圖20 試件滯回曲線[14，15]

4 結(jié) 論

由程序開發(fā)、試驗驗證、變軸力往復(fù)荷載試驗3部分內(nèi)容可得到如下結(jié)論：

(1)通過VB6.0對原控制程序793.00進行二次開發(fā)，完成了變軸力往復(fù)加載程序設(shè)計，程序?qū)崿F(xiàn)控制作動器，滿足試驗需要；

(2)通過一維加載試驗、扭轉(zhuǎn)試驗、二維加載試驗的驗證，程序可實現(xiàn)各類加載路徑；

(3)通過自編程序控制2臺作動器完成墩柱變軸力往復(fù)加載試驗，達到了程序設(shè)計的目的。