MTS土木結構試驗系統在結構靜力試驗中的應用

王紅偉

摘 要：通過對目前常用的土木結構抗震試驗方法之一擬靜力試驗方法的介紹，結合MTS土木結構試驗系統的一些常用功能，論述了該系統無論硬件系統還是軟件操作系統都能夠滿足抗震試驗的要求。同時也介紹了《建筑抗震試驗方法規程》（JGJ 101-96）對加載制度做出得規定和基本原則，有針對性的說明了土木抗震試驗中常用的加載制度和試驗控制的方法。最后介紹了試驗所得的試驗數據通過東華測試公司的DH3817動靜態測試系統采集，以及試驗數據的處理。

關鍵詞：MTS 電液伺服加載系統 土木結構 抗震試驗驗 擬靜力試驗 加載制度

中圖分類號：TU317 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）08（a）-0140-02

有史以來，地震對人類建造的工程結構無論是破壞力還是是破壞的影響都是最大的，為了研究如何能最大程度的減小地震的影響，人類進行了大量的探索，其中擬靜力試驗是一種很有效的模擬地震破壞的一種方法。

目前研究結構或構件性能中應用最多的試驗方法是擬靜力試驗方法。這種試驗可以提供構件的各種基本信息：承載力、剛度、變形能力、耗能能力和損傷特征等。該試驗方法采用一定的載荷控制或變形控制對試件進行低周反復加載，使試件從彈性階段直至破壞的一種試驗。該方法的加載速率很低，因此由于加載速率而引起的應力、應變的變化速率對于試驗結果的影響很小，可以忽略不計。

通過試驗所得的滯回曲線和曲線所包圍的面積求得結構的等效阻尼比，衡量結構的耗能能力，同時還可得到骨架曲線，結構的初始剛度及剛度退化等參數是進行結構擬靜力試驗的主要目的，建立結構在地震作用下的恢復力特性，確定結構構件恢復力的計算模型。由此可以進一步從強度、變形和能量等三個方面判斷和鑒定結構的抗震性能。最后可以通過試驗研究結構構件的破壞機制，為改進現行結構抗震設計方法及改進結構設計的構造措施提供依據。

根據試驗目的的不同以及結構性能的差別，加載制度也有區別。例如，鋼筋混凝土橋墩，在試驗中由于種種原因限制，低周反復加載過程中，達到同樣大小的位移，正負向作用力不相等，如果在橋墩屈服之前就利用荷載控制加載，往往會出現橋墩零位的偏移，就是和橋墩處是安裝的中心位置（零點）偏移，試驗得出的滯回曲線不能封閉，很難判斷橋墩的屈服點，如果一開始就用位移來控制加載，很好的解決了這個問題，也方便對試驗數據進行處理。當很難確定明顯的屈服點，這時，只能采用較小的級差，逐步達到最大荷載。又例如，為了研究不規則的地震運動導致的結構損傷積累，可以采用混合變幅加載制度。

1 設備的特性和功能

在結構靜力試驗中，我們試驗室現有的MTS土木測試系統和上海東華測試有限公司的3817動靜態采集系統相配合很好的進行了擬靜力試驗。（見圖1、圖2）

MTS土木結構試驗系統主要有：電液伺服作動器、模擬控制器、液壓源、液壓管路和測量儀器（力傳感器、位移傳感器）。電液伺服作動器是整個試驗系統的執行者，接到加載命令后，把電信號轉化為活塞桿的運動，從而達到對試件的推進和拉伸。模擬控制器只對電液伺服做動器提供命令信號，指揮做動器完成需要的相應動作。液壓源為整個試驗系統提供動力支持，對于MTS這種高精度的儀器，對液壓源提出了很高的要求，液壓油的壓力和流量的穩定，用油的潔凈度以及油溫都有要求，為了達到合適的工作油溫，MTS配有自動冷卻水系統和高溫預警系統。（見圖3）

2 加載制度

目前常用的擬靜力加載試驗規則主要有三種：位移控制加載、力控制加載、力-位移混合控制加載。

（1）位移控制加載是以位移作為控制量，按照設定的位移增幅進行循環加載，有時是由小到大變幅值的，有時幅值是恒定的，有時幅值是可以變化的；

（2）采用力控制加載是以每次循環的力幅值作為控制量進行加載的，試件屈服后難以采用力控制，只能采用位移來控制，所以這種加載方式較少單獨使用；

（3）力-位移混合控制加載方法首先是以力控制進行加載，當試件達到屈服時改用位移控制。

為了統一建筑抗震試驗，我國《建筑抗震試驗方法規程》JGJl01-96中規定：試件屈服前，應采用荷載控制并分級加載，接近開裂和屈服荷載前宜減小級差加載；試件屈服后應采用變形控制，變形值應取屈服時試件的最大位移值，并以該位移的倍數為級差進行控制加載；施加反復荷載的次數應根據試驗目的確定，屈服前每級荷載可反復一次，屈服以后宜反復三次。

上述規定在實際應用上存在具體問題，一是目前仍然是用人工方法檢查和確定開裂荷載，逐級加載也難以準確地得到開裂荷載；另一個問題是沒有一個確定屈服點的統一標準。

在試驗過程中很難精確確定試件的屈服載荷和屈服位移，由人的經驗判斷，所以試驗中判斷試件屈服與否只是一個不精確的概念。

另外，有些試件本身沒有明顯的屈服點，對于這樣的試件，應當考慮用位移控制完成試驗。

擬靜力試驗的主要對象是試驗構件，試驗裝置是否滿足試件在整個試驗過程的加載條件和邊界條件是試驗成敗的一個關鍵問題。

由于擬靜力試驗類型復雜，目前還沒沒有專門的軟件對擬靜力試驗進行有效控制，試件的屈服點的出現很難做出準確判斷，僅由試驗者憑經驗判別，相應的誤差也比較大，主觀性強。

擬靜力試驗是多維試驗，結構多維理論的研究進展比較緩慢，同時多維擬靜力試驗設備、設施較少，試驗加載控制比較困難，也缺乏相應的多維加載控制軟件，具體實施起來，難度較大。特別是加載規則隨意性很大，且還沒有規范或規程。另外是控制模式的選擇以及轉換條件很難確定。

MTS土木結構試驗系統為結構的擬靜力加載試驗提供了良好的基礎，該系統包括：主控計算機、控制系統FlexFest GT、1450KN做動缸（拉960KN，壓1450N）位移傳感器（±250mm）；496KN做動缸（拉291KN，壓496KN）；252.25G-01伺服閥（流量15gPm）；位移傳感器（±250mm）；油泵505.60（壓力21MPa，流量200LPm）；控制系統FlexFest GT；蓄能器293.12（191 LPm）；主控計算機。油泵505.60（壓力21MPa，流量200LPm）、A/D和D/A轉換器、模擬控制器、傳感器等。上述各項指標完全可以滿足結構工程試驗中的動態、靜態加載控制和數據采集的要求。A/D、D/A轉換器的驅動程序可以采用匯編語言等編寫；對于結構工程研究人員來說，整個試驗過程采用高級語言編寫軟件進行控制比較方便，采用自帶的Basic TestWare， and MultiPurpose TestWare軟件，也很方便的對做動器進行操作。

在位移變幅加載情況下，首先考慮變幅位移控制加載規則；需要特別強調的是，加載規則中的位移控制和力控制與電液伺服加載系統中的位移控制模式和力控制模式是兩個不同的概念，電液伺服加載系統的控制模式是指整個閉環控制系統的控制方式，位移控制模式是指加載系統的命令信號是位移指令，而且反饋信號也是位移量測值；力控制模式是指加載系統的命令信號是力指令，而且反饋信號也是力的量測值，整個系統是一個力控制閉環。加載規則是針對試件的控制參量而言，系統控制模式是針對試驗設備而言的。

由于采用的是變幅位移控制加載規則，所以試驗系統采用位移控制模式進行加載；控制軟件除滿足加載規則外，還要考慮以下幾點。

（1）在試驗的過程中，需要中斷（暫停）功能，根據試驗進程，為觀察試件的破壞情況，比如開裂等現象，觀察后，再繼續進行試驗。（MultiPurpose TestWare軟件可以滿足）

（2）在試驗過程中可以隨時修改有關加載參數，以滿足試驗的要求。

（3）實時監測和記錄數據的功能。（3817測試系統可以很完美的和MTS系統相配套）

4 試驗數據處理

試驗數據通過東華測試公司的DH3817動靜態測試系統采集，DH3817通過采集卡和MTS控制系統相連接，實時采集到力、位移、應變等信號并存盤。在試驗過程中，隨時調出滯回曲線等信息，及時判斷試件是否進入屈服狀態，隨時調整試驗方案。試驗完畢，試驗結果將以圖表和電子表格的形式輸出，直觀而且易于處理，得到了良好的效果。（見圖4）

參考文獻

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