結構抗震靜力試驗方法

宋亞磊

(揚州大學 江蘇 揚州 225000)

結構抗震靜力試驗方法

宋亞磊

(揚州大學 江蘇 揚州 225000)

結構抗震實驗包括動力試驗與靜力試驗，其中靜力試驗分為偽靜力試驗和擬動力試驗，本文主要介紹工程實踐中最常用的兩種結構抗震靜力試驗方法。

結構抗震靜力試驗；偽靜力試驗；擬動力試驗

引言

直到上世紀初，人們對建筑的抗震研究依然沒有得到重視，這導致了因地震對建筑物的破壞造成大量生命和財產損失。1906年發生在美國舊金山的地震對舊金山造成了嚴重的破壞，死亡人數在3000人以上。1924年日本關東地區地震則造成15萬人喪生。這兩次大地震之后,結構抗震實驗研究得到了重視。1933年美國開始進行強震觀測,取得了大量的地震動記錄和結構地震反應記錄,為直接將實際地震記錄輸入到結構中進行數值分析提供了先決條件[1]，此后人們對建筑物的抗震試驗與理論研究迅速發展。

對建筑結構進行抗震試驗，可以對建筑結構的抗震性能進行評價，從而可以為人們建筑抗震設計提供依據。我國很大一部分地區處在亞歐板塊與太平洋板塊、印度洋板塊的交界處，曾經發生的唐山地震、汶川地震等震害教訓非常深刻，為了預防可能發生的地震災害對人民生命財產造成嚴重損失，有必要進行抗震實驗研究來發展抗震技術，這樣才能使建筑物具備良好的抗震性能。

1 概述

工程結構抗震試驗可分為兩大類，即結構抗震動力試驗與抗震靜力試驗[2]。工程抗震動力試驗通常指震動臺模擬試驗，即利用振動臺模擬地震作用。建筑結構震動臺模擬試驗可以真實的再現地震過程，但地震模擬振動臺試驗有很大的局限性，振動臺試驗裝置成本非常高，國內只有少數高校及研究所擁有5米以上的大尺寸振動臺。由于試驗條件的限制往往只能進行小比例縮尺模型的試件進行試驗,這容易產生尺寸效應,不能很好的滿足相似條件,以至于產生地震作用破壞形態的偏差。

在試驗室經常進行的工程抗震靜力試驗方法包括擬靜力試驗和擬動力試驗。與抗震動力試驗方法相比，抗震靜力試驗因其具有經濟、實用等優點，在抗震試驗研究中更為常用。

2 擬靜力試驗

擬靜力試驗又稱低周反復荷載試驗，是指對結構或結構構件施加多次往復循環作用的靜力試驗，是使結構或結構構件在正反兩個方向重復加載和卸載的過程，用以模擬地震時結構在往復振動中的受力特點和變形特點。這種方法是用靜力方法求得結構振動時的效果，因此稱為擬靜力試驗，或偽靜力試驗。結構的擬靜力試驗是目前研究結構或結構構件受力及變形性能時應用最廣泛的方法之一。這種試驗方法是在20世紀中期基于結構非線性地震反應分析的要求提出的,應用該試驗方法可以最大限度地利用試件提供的各種信息[3]。它采用一定的荷載控制或位移控制對試件進行低周反復循環的加載方法，使試件從開始受力到破壞的一種試驗方法，由此獲得結構或結構構件非彈性的荷載—變形特性，因此又稱為恢復力特性試驗。

擬靜力試驗有以下加載規則：(1)力控制加載。力控制加載方式就是以每次循環加載的力的大小作為控制量進行加載的一種方式。當試驗對象具有明確屈服點時，一般都以屈服位移的倍數做為控制值；當試件沒有明確屈服點時由試驗研究者根據經驗規定一個合適的位移值來控制試驗的加載。(2)位移控制加載。位移控制加載就是在試件加載過程中以位移作為控制量,按照一定的位移增幅進行循環加載。(3)力—位移混合控制加載。這種方法先以力的控制進行加載,當試件達到屈服狀態時改用位移控制加載，直到試件破壞。規程[4]規定：試件屈服前應采用力控制加載，而在試件屈服后應采用位移控制加載。

擬靜力試驗具有設備要求不高,成本低、可操作性強等優點，在工程抗震試驗中被廣泛應用。應用該試驗方法可以最大限度地利用試件提供的各種信息，對建立恢復力模型和承載力計算公式有很大幫助。

3 擬動力試驗

擬動力試驗方法最早于1969年由日本學者M.Hakuno等人提出[5]，擬動力試驗是一種聯機試驗，通過計算機控制加載模擬地震過程。擬動力試驗方法即結合了擬靜力加載試驗和地震模擬振動臺試驗兩種方法的優點，同時又考慮了結構理論分析和計算的特色，可以做到模擬大型復雜結構的地震反應，擬動力試驗在工程結構抗震試驗方面得到了廣泛的應用。

3.1 擬動力試驗方法

擬動力試驗技術把電液伺服試驗裝置與計算機控制系統結合起來,通過加載試驗給出結構恢復力的實際數據,利用計算機數據分析技術給出加載試驗的逐步控制數據。與理論計算相比，擬動力試驗無需對工程結構作任何假定就能獲得結構體系的真實地震反應特征；而與擬靜力試驗和地震模擬振動臺試驗相比，它既有擬靜力試驗那樣經濟方便的特點，又具有振動臺那樣真實模擬地震作用的能力。擬動力試驗周期縮短,并且由于采用地震動時程作為加載制度,因此,試驗結果能夠良好地指示結構的地震反應過程。

3.2 子結構技術

上世紀80年代到90年代中期，擬動力試驗方法有了突破性的發展，其中最有代表的進展就是子結構技術的應用[6]。從震害的角度來看,結構在地震作用下的破壞往往都是局部的,結構的倒塌也是由于局部的嚴重破壞引起的。如果將結構中最容易破壞的部分進行實驗,而其余結構部分由計算機模擬是最為經濟合理的方案，子結構擬動力實驗方法就是為了實現這一目標而提出的。子結構方法把結構劃分為試驗子結構和計算子結構，將易破壞具有復雜非線性特性的部分作為試驗子結構進行試驗，其余線性部分作為計算子結構由計算機進行仿真模擬。子結構技術在一定程度上解決了工程結構大型化和試驗設備和經費規模有限的矛盾。

結論

結構抗震靜力試驗是結構抗震試驗的重要組成部分,它的最大特點是試驗設備較簡單、試驗周期短、可操作性強，且在逐步加載中可以讓試驗人員有機會看清破壞的過程，研究結構抗震靜力試驗對抗震設計的發展具有重要作用。

[1] 趙榮國,李衛平.世界地震災害損失的統計[J].國際地震動態,1996.12.

[2] 朱伯龍.結構抗震試驗[M].北京:地震出版社,1989.

[3] 王墩,趙海瓊,呂西林.建筑結構擬靜力試驗方法的加載制度[J].四川建筑科學研究,2014.06.

[4] 吳世英.《建筑抗震試驗方法規程》(JGJ101-96)簡介.工程抗震[J],1997.12.

[5] 田石柱,趙桐.抗震擬動力試驗技術研究.世界地震工程[J],2001.12.

[6] 李玉順,單煒.子結構法擬動力試驗技術研究.土木工程學報[J].2010.03.

TU317

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1672-5832(2016)07-0266-01