結構模型抗震試驗的有效性和局限性

趙傳亮 楊立坤 喬建剛

0 引言

我國是一個地震多發的國家，在各種防災實踐中，抗震研究是一個重要的方面。工程結構抗震試驗是研究結構抗震性能的一個重要手段，同時，地震震害調查、結構振動理論分析也是兩種十分有效的研究方法。由于原型試驗投資大、周期長、試驗測量精度受到環境影響，加載設備要求較高。從而，使得結構模型抗震試驗成為一種經濟有效的試驗方法。

結構模型試驗分為三個階段：模型設計、結構模型試驗、結構抗震試驗分析。結構模型抗震試驗可以分為四類：周期性結構抗震靜力試驗、非周期性結構抗震靜力試驗、周期性結構抗震動力試驗、非周期性結構抗震動力試驗［3］。

1 結構模型試驗的有效性

結構模型試驗可以節省材料、費用，重復進行多次試驗，積累較多的資料，并且可以在室內進行試驗，具有良好的工作條件和先進的試驗設備，能夠較好的反映結構的抗震性能和抗震能力。結構模型抗震試驗有效性主要表現在以下幾個方面。

1.1 比較、鑒定結構的抗震性能

制作幾組結構模型，按照各自換算試驗荷載分別對其進行試驗，比較、鑒定幾種不同結構的抗震性能。在改善結構的抗震能力，提高短柱的延性、改善砌體的變形能力、選擇剪力墻開洞的合理位置等方面都有一定的應用［3］。通過低周疲勞試驗獲得加載循環次數與強度或剛度退化關系，可以比較不同設計方案抗震能力的強弱。特別是近年來日益受到重視并在實際工程中應用的耗能元件和減震系統都需要通過抗震試驗加以鑒定;同時結構模型試驗還可以驗證抗震措施和加固措施。

1.2 為制定規范條文積累科學數據

在大量試驗的過程中不斷發現過去規范中抗震條文的缺點。特別在鋼筋混凝土結構方面，對柱子箍筋的設置、鋼筋搭接的要求、節點核心區的構造、構件抗剪能力的改善等，都需要通過結構抗震試驗來逐步積累制定規范條文所需要的科學數據。

1.3 探索抗震性能、驗證理論、研究破壞機理和破壞特性

結構模型試驗是由原結構經一定相似關系而確定的，雖然它無法精確地、完整地反映原結構的各種抗震性能特點，但是它可以反映原結構的部分特性，為我們探索結構抗震性能提供了一條有效的途徑。

1.4 適用于各種結構及構件

結構模型試驗不僅適用于整體結構模型試驗，也適用于局部模型試驗;不僅適用于結構工程中結構或構件的模型試驗，也適用于橋梁工程中結構或構件的模型試驗，因此，在各個領域中應用均十分廣泛。試件的類型可以是梁式試件、柱式試件、節點及框架組合件試件、剪力墻及墻體試件等，試驗模型應根據實際結構的研究目的、對象以及試驗條件等各種因素綜合考慮后進行選取。

結構模型試驗在比較、鑒定結構的抗震性能、制定規范、探索抗震性能、驗證理論、研究破壞機理和破壞特性、評定結構的抗震性能和抗震能力以及驗證抗震措施和加固措施等方面都是不可或缺的有效而經濟可行的試驗方法。

2 結構模型試驗的局限性

結構模型抗震試驗是一種有效的試驗方法，但同時又由于結構模型內因或外因與實際不符，使其又具有一定的局限性，其局限性主要表現為以下幾個方面。

2.1 誤差

1)試件尺寸誤差。試件尺寸誤差分為試件外形尺寸誤差和鋼筋位置偏差。前者主要由于鋼筋混凝土構件無法做到與設計尺寸一致、砌體構件尺寸受施工砌筑及材料本身尺寸的影響以及鋼結構構件中鋼板、型鋼尺寸偏差等引起。后者主要由于主筋、箍筋綁扎時的偏差以及振搗混凝土時造成的骨架變形引起。這些誤差無法避免，使結構模型無法反映原結構的全部特性，造成了模型試驗的局限性。為減小這些誤差的影響，在試驗前量測試件的尺寸，試驗后敲開混凝土，量測保護層實際厚度和鋼筋的準確位置，在理論分析中采用實測尺寸。2)材料強度誤差。試件的實際材料強度與名義強度(標準試件確定)之間的差別所產生的誤差。減小這些誤差的方法為：對混凝土要求試塊和試件具有同一性，即要求相同的混凝土、相同的外模、相同的振搗條件、相同的拆模時間、相同的養護狀況以及相同的試驗時刻;對砌體材料保持試塊和試件同一性的方法為每批試塊和試件采取分批流水作業［4］，減少因砌筑者水平不同引起的差異。3)試件安裝誤差。這類誤差由以下原因引起的：試件劃線誤差;支座、加力點與劃線不準的誤差;支座長度方向不平或試件底部不平引起的試件扭轉或出平面變形;支座太緊、摩擦力抵消一部分作用力等。這種誤差可以通過提高施工安裝技術來減小。4)試驗設備誤差。這類誤差主要指：材料試驗機的精度和實驗者的讀數誤差;試驗加載裝置的精度和實驗者的讀數誤差;傳感器精度和實驗者讀數誤差;數據采集和記錄設備內部元件引起的誤差。5)制作的精確度、試驗環境以及試驗荷載、試驗量測的影響誤差。模板的支座和模板材料對尺寸都有一定的影響，澆搗混凝土對鋼筋位置會產生影響，從而產生一定的誤差。有些材料(如：有機玻璃等)對溫度的變化很敏感，混凝土模型也很容易由于溫度變化引起收縮和溫度應力，因此，模型試驗的荷載必須仔細校正，特別當模型的比例較小時，完全模擬實際荷載情況有困難時，應改用明確的集中荷載，否則會產生很大的誤差。一些試驗的量測設備也會致使結構產生誤差。

2.2 各種模型材料的局限性

1)彈性模型材料。塑料(環氧樹脂、有機玻璃等)力學性能受應變影響，彈性模量隨時間、溫度變化，徐變大，泊松比大。有機玻璃能產生較大的變形，但延性差，無破壞前兆;硝酸一基σ—ε曲線與鋼材相似，但無硬化段;環氧樹脂、聚酯樹脂在配置時為滿足材料相似性要求需要改變固化劑的用量，或摻入不同填充料調整其性能。石膏抗拉強度低，要獲得均勻和準確的彈性特性比較困難;純石膏彈性模量很高，很脆，加工時凝結太快;金屬的試驗荷載大，加工困難。

2)強度模型材料。微粒混凝土需要縮小模型的比例，還要注意它的強度、保護層厚度、和易性以及與模型鋼筋的粘結性能。模型鋼筋一般采用盤狀細鋼筋拉直而成，當需要模擬鋼筋與混凝土的粘結時，鋼筋表面需要冷加工，這樣產生了冷作硬化效應，因此需要進行熱處理。

2.3 模型相似產生的局限性

結構模型試驗一般是將原結構按照一定的相似關系設計而成的模型進行試驗。要使模型能夠準確反映原結構的全部特性，則必須滿足嚴格的全相似關系，然而實際的相似條件太多，且往往有矛盾沖突，無法使其全部滿足相似，從而使模型試驗不能準確地反映實際結構的全部特性，所以，具有一定的局限性。

彈性模型是為獲得原型結構在彈性階段資料而設計的模型。它無法做到與原型結構完全相似，除非是足尺模型試驗，由于它是用于獲取彈性階段資料的，而不是預計非線性性能，所以應盡量使彈性性能相似，忽略掉非線性相似。對強度模型，它主要用于預計原型的極限強度，以及各級荷載直至破壞荷載性能，所以，可以與彈性模型側重點相反。

2.4 尺寸效應和加載速率產生的局限性

在模型的相似條件中，沒有考慮到尺寸效應和加載速率對材料力學性能的影響。結構模型試驗中，模型做的越小就越經濟，但材料強度常常隨試件尺寸減小將逐漸提高，且小尺寸使得構造要求很難滿足。材料強度、剛度會隨荷載頻率的提高而增加。這些都會使模型試驗產生一定的局限性。

2.5 試驗設備的局限性

由于技術上的問題，現有的試驗加載設備無法完全模擬地震作用時的實際狀況，特別是那些高頻、大位移的非周期振動更是很難模擬，而且設備中存在有很大的誤差成分，使得加載不那么準確。各種傳感器也使測量結果產生很大的誤差。這些都使得結構模型試驗產生了一些局限性。

3 結語

結構模型抗震試驗在結構抗震性能評價上具有重要的意義。其有效性主要體現在可以比較、鑒定結構的抗震性能;為制定規范條文積累科學數據;探索抗震性能、驗證理論、研究破壞機理和破壞特性;且其適用于各種結構及構件。同時，由于結構模型試驗無法完全模擬實際結構的真實地震響應狀態，存在著各種局限性，但我們可以根據自己的試驗目的、試驗條件考慮主要矛盾，忽略次要矛盾，選擇最合適的試驗模型和試驗方式，這樣還是可以很好地反映結構的特性，是一種十分經濟有效的試驗方法。

［1］ 呂西林，盧文勝，施衛星.超限高層建筑的抗震安全性評定與動力特性現場實測［A］.工程安全及耐久性——中國土木工程學會第九屆年會論文集［C］.2000：55-58.

［2］ 吳萬新，顧金鈞，梁傳玨.九江大橋引橋墩體抗震模型試驗研究［J］.橋梁建設，1982(3)：98-100.

［3］ 朱伯龍.結構抗震試驗［M］.北京：地震出版社，1989.

［4］ 鄭山鎖，薛建陽，王 斌.砌體結構抗震［M］.北京：建材工業出版社，2010.