结构抗震试验方法概述

实用文案标准结构抗震试验方法概述严健南京林业大学研究生院摘要：地震的多发性和破坏性，使得结构抗震试验研究越来越受到人类的广泛关注。目前人类已经发明了很多结构抗震试验研究的方法，本文详细介绍了目前结构抗震试验常用的四种方法，分别是（1）拟静力试验方法；（2）多维拟静力试验方法；（3）地震模拟振动台试验方法；（4）拟动力试验方法，并对其各自特点及存在的问题进行了概述。关键词:抗震试验；拟静力试验；振动台试验；拟动力试验；概述TheSummaryoftheDynamicTestingMethodofStructuresAbstractMoreandmorepeoplepaymoreattentiontotheseismicresearchofstructureswhichduetothemultipleanddevastatingearthquake.Somedynamictestmeansweredevelopedbyhumanintherecentyears.Inthispaper,fourkindsofcommonlyusedstructureseismictestmethodsweredescribe,includingThePseudoStaticexperimentmethod,DimensionalQuasi-Statictestmethods,seismicsimulationshakingtableexperimentmethod,Pseudo-dynamictestmethod.Keywordsdynamictesting;thepseudo-staticexperiment;shakingtableexperiment;pseudo-dynamictest;aseismaticdesignmethods;summary0前言实用文案标准地震是危害人类生命财产安全最严重的突发式自然灾害之一。随着人类社会的发展和人们生活的高度城市化，地震必将对人们生命和生活设施及工业生产体系带来愈来愈严重的威胁。近十多年来国内外连续发生的大地震，如1994年美国洛杉矶的北岭(Northridge)6.7级地震，造成62人死亡，9000多人受伤，直接经济损失达300亿美元；1995年日本阪神(Kobe)7.2级地震，造成5466人丧生，3万多人受伤，几十万人无家可归，直接经济损失高达960亿美元；1999年8月17日的土耳其伊兹米特(Izmet)7.4级地震，造成约17000死亡，45000人受伤，20多万人无家可归，经济损失约120亿美元，如图0.1所示；1999年9月21日发生在我国台湾的7.6级集集地震，造成约2470人死亡，11305人受伤，直接经济损失约118亿元；2010年1月12日发生在加勒比岛国海地的7.0级地震，造成约22.25万人遇难，19.6万人受伤。[1]图0.1土耳其伊兹米特(Izmet)7.4级地震灾区震后图我国处在欧亚地震带和环太平洋地震带的包围之中，汶川地震震害教训非常深刻，2008年5月12日发生在我国四川的8.0级汶川地震，造成69227人遇难，374643人受伤，1792人失踪，直接经济损失达8451亿元人民币，图0.2为汶川地震的灾区震后图；2010年4月14日发生在我国青海省玉树地区的7.1级地震，造成约2698人丧生，270人失踪。实用文案标准图0.2汶川地震的灾区震后图地震造成的人员伤亡，经济损失，在很大程度上都是由结构的破坏引起的，为了防御和减轻地震灾害，保护人民生命和财产安全，必须使建筑物具备足够的抗震能力及良好的抗震性能。因此，为了避免、减少社会经济损失，有必要进行抗震理论分析和试验研究，为地震设防和抗震设计提供依据，提高各类建筑物的抗震能力。但是由于地震机理和结构抗震性能的复杂性，仅以理论的手段还不能完全的把握结构在地震作用下的性能、反应过程和破坏机理，还需要通过结构试验模拟地震作用研究结构抗震性能，研究结构在弹性阶段的自振周期、振型、能量耗散和阻尼值亦即结构的线性动力特性；也可以研究非线性阶段的能量耗散、滞回特性、延性性能、破坏机理亦即结构的非线性性能。1结构抗震试验方法目前，结构抗震试验方法大体上分为四类，即拟静力试验、多维拟静力试验、地震模拟振动台试验、拟动力试验。拟静力试验是目前在结构工程应用最为广泛的试验方法，它可以最大限度的获得结试件的刚度、承载力、变形、和耗能能力和损伤特征等信息，但不能模拟结构的地震反应过程；地震模拟振动台试验是最能真实再现结构地震动和结构反应的试验方法，但由于台面尺寸和承载力的限制，只能进行小比例模型的试验，且往往配重不足，不能很好的满足相似条件，导致地震作用破坏形态的失真；拟动力试验吸取了拟静力试验和地震模拟振动台试验两种试验方法的优点，可模拟大型复杂结构的实用文案标准地震反应，在抗震试验方面得到广泛的应用。振动台试验在评估结构体系抗震性能方面是最为客观实际真实有效的，然而由于其高额的费用成本使得常常采用小比例尺振动台试验;拟动力试验是一种保留了振动台试验的一些特点的试验方式。然而大多数的结构构件或组件的试验都是采用拟静力试验方式，亦即低周反复加载试验。［2］2拟静力试验2.1拟静力试验的简介和作用原理20世纪70年代初，美国学者将拟静力试验方法用于获取构件的数学模型，为结构的计算机分析提供构件模型，并通过地震模拟振动台试验对结构模型参数作进一步的修正。拟静力试验(quasi-statictesting)又称低周反复加载试验或伪静力试验，它是采用一定的载荷控制或变形控制对试件进行低周反复加载，使试件从弹性阶段直至破坏的一种试验。拟静力试验实质上是用静力加载方式模拟地震作用，其优点是在试验过程中可以随时停下来观测试件的开裂和破坏状态，并可根据试验需要改变加载历程。但是加载历程与实际地震作用历程无关，不能反应时应变数率的影响，即拟静力试验只能得到构件或结构在反复荷载下的恢复力滞回特性，不能得到结构地震反应全过程。拟静力试验的目的是对构件或结构在荷载作用下的基本表现进行深入的研究，进而建立一种可靠的理论分析上的力学或数学模型。而在许多实际工程中，结构或构件的检验性试验也采用此法，目的在于检验现有方法的准确程度和存在不足。拟静力试验包括单调加载和循环加载试验，加载方式有单点加载和多点加载。从试件种类来看，钢结构、钢筋混凝土结构、砖石结构以及组合结构是研究最多的；从试件的类型来看，梁、板、柱、节点、墙、框架和整体结构等都是拟静力加载试验的主要对象。过去在试验室中，拟静力试验主要采用机械式千斤顶或液压式千斤顶进行加载。这实用文案标准类加载设备主要是手动加载，试验加载过程不容易控制，往往造成数据测量不稳定、不准确，试验结果分析困难。2.2拟静力试验发展现状与振动台试验和拟动力试验相比，由于其相对较低的经济成本以及其显著的技术优势，拟静力试验方法已经成为并将继续成为结构工程抗震领域的最受欢迎的试验技术之一。［3］通过该试验方法技术可以有效获得结构构件(组件)的强度、刚度、变形、耗能等重要可靠信息，从而为建立诸如恢复力模型、抗剪强度计算公式和研究破坏机制等，以及为发展和改进新型的抗震构造措施提供强有力的技术保障。［4］目前许多结构试验室主要采用电液伺服加载系统进行结构的拟静力加载试验。电液伺服作动器与试件和反力装置的连接与固定方式应符合结构物实际的受力条件，所以反力装置和传力装置以及连接与固定方式也都是在拟静力加载试验中必须重视的问题。目前常用的反力装置主要有反力墙、反力台座、门式刚架、反力架和相应的各种组合类型。国内外许多试验室都建有大型的、多维的反力墙和台座，最大的反力台座其长度达50m，反力墙高度达23m，可以进行七层原型房屋结构的抗震试验研究。目前，常用的拟静力加载试验规则有三种，即位移控制、力控制和力-位移混合控制加载。位移控制加载是以加载过程的位移作为控制量，按照一定的位移增幅进行循环加载。有时是由小到大变幅值的，有时幅值是恒定的，有时幅值是大小混合的；力控制加载方式是以每次循环的力幅值作为控制量进行加载，因为试件屈服后难以控制加载的力，所以这种加载方式较少单独使用；力-位移混合控制加载方法，即先以力控制进行加载，当试件达到屈服状态时改用位移控制。5拟静力试验进程中的问题，一是试验过程中如何确定开裂荷载，目前仍然是用人实用文案标准工方法检查，且逐级加载也难以准确地得到开裂荷载和屈服载荷并且目前还没有一个确定屈服点的统一标准；二是在试验过程中很难精确确定试件的屈服载荷，仍然是由人的经验判断，有些试件本身没有明显的屈服点，对于这样的试件，应当考虑全过程用位移控制完成试验。另外，对于多维拟静力试验，加载规则也非常多，但是目前还没有这方面的规范或规程。且控制模式的选择、特别是控制模式的转换条件很难确定多维拟静力试验不同于一维拟静力试验。拟静力试验过程需要通过测量仪器对试件的变化进行量测，拟静力加载试验中最关心的有试件的应力、应变、力和变形，因此力传感器、位移传感器和应变计是常用的量测传感器。将这些量测传感器合理地布置和组合，可以量测试件的力、位移、应变、矩和曲率等。过去常用的机械式和电子式的量测仪器正在被自动化和智能化的量测仪器所取代。2.3拟静力试验发展现状尽管拟静力试验具有很广阔的应用前景及领域，然而其独有的无法克服的技术劣势或缺陷也是显而易见的。这些缺陷从某种程度上讲，也即是加载制度所存在的。1)当地震作用下应变速率的影响不可忽略时，如果处理不当，拟静力试验方法会给出不合适的甚至是错误的结果:①当结构构件或结构体系的超强特性对于结构的反应相当重要和关键时;②当结构的破坏模式主要由应变率显著控制时，诸如冲击荷载下的结构构件;而加载制度自然无法考虑应变率的影响。2)当结构的总体反应对结构的内力分布模式敏感或结构构件性能对弯剪比或弯压比敏感时，拟静力试验技术就只能给出有限甚至是不足的信息，这是由于其试验装置的简单性、模型试件的理想简化所致。这一点目前似乎并不能在加载制度中予以考虑。3)当结构的延性和耗能能力很重要时，根据拟静力试验所获得的试验数据是否可实用文案标准以作为一种保守的下限值不得而知。尽管很多的试验数据表明是可以的，但是对这些退化材料性能的过高估计或过低估计究竟对结构整体的性能影响如何，并没有被有效研究过。4)尺寸效应的考虑。由于实验室的试验能力及场地大小等诸多因素的限制，通常都是采用缩尺比例模型试件，这对于构件或组件的连接节点，可能具有不可忽略的重要影响。5)近场远场地震特性的影响。尤其是软土地震波的持时效应在加载制度中的考虑。6)加载制度中的最大幅值的规定。大多数加载制度并没有给出最大幅值的规定，只是采用试验进行到试件承载力下降到最大值的85%或80%即停止结束，这对于深入研究倒塌问题来说却显得不足。有必要进行足够大的幅值循环以使试件承载力下降更多诸如70%，从而获得更为全面的加载制度。[6]3多维拟静力试验目前，多维拟静力试验进行的比较少，一种原因是多维理论方面的研究工作进展比较缓慢；另一种原因是多维拟静力试验设备、设施较少，特别是多维拟静力试验比较复杂，试验控制与结构的几何模型、力学模型、物理特征、作动器的加载位置、传感器的测量位置等均有密切关系，试验加载控制比较困难。［7］4地震模拟振动台试验4.1地震模拟振动台试验原理及其适用性地震模拟振动台试验(shakingtabletesting)可以很好的再现地震过程和进行人工地震波的试验，它可以真实的再现地震过程，是目前研究结构抗震性能最准确的试验方法。主要用于检验结构抗震设计理论、方法和计算模型的正确与否，还可以用于研究结构动力特性、设备抗震性能以及检验结构抗震措施等内容。不过，地震模拟振动台也实用文案标准有其局限性，一般振动台试验都是模型试验，比例较小，容易产生尺寸效应，难以模拟结构构造。且由于台面尺寸和承载能力的限制，只能进行小比例模型的试验，往往配重不足，不能很好满足相似条件，特别是进入弹塑性阶段工作时，更是如此，导致地震作用形态失真。将试验对象放在一个足够刚性的