基于試驗軟件的土木本科擬動力試驗教學方法初探

王貞

摘要：土木工程專業(yè)本科擬動力試驗教學具有重要意義，并且具有理論性強、綜合性強、課時少、重概念等特點。針對這些特點，設(shè)計了基于混合試驗軟件HyTest的“課堂講解”—“現(xiàn)場演示”—“模擬操作”一體化教學方案。實踐表明該方案能取得較理想的教學效果。

關(guān)鍵詞：教學方法；土木工程試驗；擬動力試驗；試驗軟件

中圖分類號：G642.423 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）50-0143-03

一、引言

土木建筑結(jié)構(gòu)既是人們?nèi)粘Ｉ睢⑸a(chǎn)的環(huán)境基礎(chǔ)，也是災害中人們生命財產(chǎn)安全的保障。因此，結(jié)構(gòu)的力學性能和工作性能分析是土木工程專業(yè)重要課題之一。土木材料如混凝土、砌塊等具有強非線性，并且結(jié)構(gòu)形式多樣、常常具有大量冗余自由度，使得土木結(jié)構(gòu)的力學性能分析既是非常重要的工作，也是難以完成的工作。鑒于此，土木建筑試驗在整個土木工程學科知識體系中具有重要地位。土木工程試驗，貫穿學生專業(yè)知識學習全程，更是貫穿未來職業(yè)工作的方方面面。

地震是威脅建筑結(jié)構(gòu)安全的重要因素之一，建筑結(jié)構(gòu)抗震試驗方法的教學與知識傳授，對構(gòu)建學生專業(yè)知識體系、培養(yǎng)分析問題能力具有重要意義。作為三大抗震試驗技術(shù)之一的擬動力試驗，具有加載設(shè)備要求低、能直接獲得結(jié)構(gòu)地震響應過程等突出優(yōu)勢，在抗震試驗方法中占據(jù)重要地位。同時，該方法涉及實驗加載設(shè)備、控制技術(shù)、數(shù)值分析方法、數(shù)據(jù)采集等環(huán)節(jié)，完整、全面介紹此類內(nèi)容在當前現(xiàn)有課時安排下無法完成，學生更是無法在短時間內(nèi)接受如此豐富的內(nèi)容。本文借助混合試驗軟件，以概念傳授為本，對該內(nèi)容的教學方法進行了初步探討。

二、擬動力試驗方法的基本原理

擬動力試驗方法是以靜載試驗加載速度實施、以獲取結(jié)構(gòu)地震反應為目的、試驗機和計算機聯(lián)機完成的動載試驗方法，也稱聯(lián)機試驗方法。該方法的理論基礎(chǔ)，是結(jié)構(gòu)地震反應的時程分析法。地震作用下結(jié)構(gòu)的運動微分方程為

其中M、C、R分別為結(jié)構(gòu)質(zhì)量矩陣、阻尼矩陣和恢復力向量；d、v、a分別為結(jié)構(gòu)位移、速度、加速度向量；I是所有元素為1的列向量，ag為地震動。對運動方程（1）進行數(shù)值求解，就可得到結(jié)構(gòu)的地震響應，如結(jié)構(gòu)最大位移、最大加速度等。不過，在數(shù)值求解之前需要建立各部分的數(shù)值模型。由于土木材料具有強非線性，難以建立準確的恢復力模型，也就是說R（d）與真實情況可能差別較大。一種解決辦法是，對質(zhì)量和阻尼部分建立數(shù)值模型，對恢復力部分采用真實試件進行模擬。具體而言，對以二階微分方程描述的數(shù)值部分采用逐步積分算法求解，對真實試驗部分采用液壓伺服控制系統(tǒng)進行加載，如圖1所示。以常用的顯式Newmark法為例，其對應的時間離散運動方程和算法假定可以表示為

其中下標i表示第i次采樣，下標E表示試件，Δt表示積分步長。假設(shè)第i步的位移、速度和加速度均已知，則可根據(jù)公式（3）得到第i+1步的位移；把該位移發(fā)送給作動器進行加載，實現(xiàn)之后采集試件反力，即得RE（di+1）；再聯(lián)立求解公式（2）和（4），即可得第i+1步的速度和加速度，從而完成該步的所有計算。采用顯式Newmark法的擬動力試驗的主要步驟見表1。

三、擬動力試驗教學的特點

由前述擬動力試驗方法的原理可見，擬動力試驗教學具有如下特點：

1.理論性強：擬動力試驗方法以結(jié)構(gòu)地震時程分析為基礎(chǔ)，涉及結(jié)構(gòu)模型簡化、結(jié)構(gòu)建模、數(shù)值分析方法等內(nèi)容。部分內(nèi)容在本科階段僅點到為止，部分內(nèi)容是研究生階段的課程，有些內(nèi)容即使在博士階段也不會講授。

2.綜合性強：擬動力試驗涉及模型相似、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、液壓伺服加載等內(nèi)容，是其他章節(jié)內(nèi)容的大演練、大綜合。而液壓伺服加載系統(tǒng)相關(guān)內(nèi)容，在其他試驗方法中很少涉及。

3.課時少：教學改革不斷壓縮教學課時，使得《建筑結(jié)構(gòu)試驗》課程本身的課時有限，能分給擬動力試驗部分內(nèi)容的課時更少。我們能夠分配給該部分內(nèi)容的課時通常是2課時課堂教學和1課時演示試驗。

4.重概念：前三個特點決定了本部分內(nèi)容的教學效果更強調(diào)原理、概念和基礎(chǔ)知識，而不對細節(jié)面面俱到。

鑒于該部分課程的特點，如何在有限的課時內(nèi)充分吸引學生注意力，快速傳授相關(guān)知識和概念，并為感興趣的同學提供進一步提高的機會，是本部分內(nèi)容教學亟待解決的問題。

四、混合試驗軟件HyTest

混合試驗軟件HyTest是一款用于土木工程領(lǐng)域混合試驗的軟件，支持全結(jié)構(gòu)擬動力試驗、基于靜力子結(jié)構(gòu)的混合試驗，既能完成本地混合試驗也能完成網(wǎng)絡(luò)混合試驗。為了實現(xiàn)與常用的MTS加載系統(tǒng)通信，HyTest采用VB COM對控制軟件進行二次開發(fā)，具備發(fā)送命令、保存數(shù)據(jù)、坐標變換、網(wǎng)絡(luò)通信等功能。HyTest主要包括三大組成部分（如圖2所示）——協(xié)調(diào)器、試驗控制系統(tǒng)接口程序Connector和數(shù)值模擬接口。協(xié)調(diào)器用于求解結(jié)構(gòu)運動方程，協(xié)調(diào)與同步各部分的信息，控制試驗進程。Connector負責把協(xié)調(diào)器求解的位移發(fā)送給MTS控制系統(tǒng)進行加載，并把加載之后獲得的試件反力反饋給協(xié)調(diào)器。在不連接MTS控制系統(tǒng)時，Connector還能根據(jù)設(shè)定的試件剛度計算試件反力，從而能夠與協(xié)調(diào)器一起模擬擬動力試驗過程。數(shù)值接口程序既可完成層剪切型結(jié)構(gòu)模型反力計算，也可用于與有限元軟件OpenSEES、ABAQUS通信。

五、擬動力試驗教學方法初探

鑒于擬動力試驗教學的特點，在實踐中以混合試驗軟件HyTest為載體，采用“課堂講解”—“現(xiàn)場演示”—“模擬操作”相結(jié)合的教學方法。具體而言，在課堂上介紹擬動力試驗方法的基本原理、基本步驟及數(shù)據(jù)處理，并介紹HyTest的架構(gòu)及操作。在實驗室中，以鋼結(jié)構(gòu)柱的擬動力試驗（見圖3）為例，介紹整個試驗系統(tǒng)，包括試驗軟件HyTest、MTS控制軟件、作動器、油源、水箱、分油器、傳感器、采集系統(tǒng)等，并現(xiàn)場操作HyTest軟件，完成建模、剛度模擬、擬動力試驗整個過程。課后作業(yè)是“單自由度結(jié)構(gòu)地震分析擬動力試驗HyTest模擬”，即采用HyTest軟件在不連接MTS加載系統(tǒng)的情況下模擬試驗過程。

該部分內(nèi)容的教學設(shè)計，拋棄了空洞說教，使理論和方法變成了摸得著看得見的實物，并且能夠親自操作，親身感受，其教學效果理應更加理想。從學生反饋來看，該方法實施后學生積極性提高了，教學效率也提高了，收到了較理想的成效。

六、總結(jié)

結(jié)合本科擬動力試驗內(nèi)容教學的特點，設(shè)計了基于混合試驗軟件HyTest的“課堂講解”—“現(xiàn)場演示”—“模擬操作”一體化教學方案。實踐表明該方法能取得較理想的教學效果。

Abstract：Teaching of pseudo-dynamic tests is of great importance to undergraduates majored in civil engineering. This teaching is characterized by strong sense of theory，strong comprehensiveness，limited teaching hours and emphasizing concepts. For these features，this paper designs an integrated teaching plan based on hybrid testing software – HyTest，namely classroom explanation，live demo and simulated operation. Practice shows that this method is relatively effective.

Key words：teaching method；civil engineering experiment；pseudo-dynamic test；testing softwareendprint