結構抗震試驗方法綜述★

孫柏濤 姜 琪 閆培雷

(1.中國地震局工程力學研究所，黑龍江 哈爾濱 150080； 2.中國地震局地震工程與工程振動重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150080)

1 概述

結構抗震試驗大致分四個階段：籌劃、準備、加載、分析整理，籌劃階段是根據試驗目標來確定方法，準備階段是確定加載方式和加載制度，加載階段即測點布置和采集數據，分析整理階段即數據的常規和特殊分析。

目前常用的結構抗震試驗方法有：偽靜力試驗、擬動力試驗、地震模擬振動臺試驗，本文將對這三種方法進行分析比對。

2 常用結構試驗方法

結構試驗的任務是在試驗對象上使用各種儀器設備，在荷載作用下，通過測量與結構工作性能有關的各種參數(變形、撓度、頻率、振幅等)，從強度、剛度、抗裂性以及實際破壞形態來判斷結構的實際承載能力。

2.1 偽靜力試驗方法

偽靜力試驗是通過提前設計的荷載或位移模式對試驗對象進行往復的加載，以此來得到試驗對象的荷載—變形曲線的試驗，它也稱作低周往復加載試驗，是結構抗震性能研究中應用最廣泛的一種實驗方法。優點是對設備的要求低、成本低，但是它根本缺點是不能反映地震時材料應變速率的影響。

2.1.1試件和傳力設備

偽靜力試驗的對象多為單獨的構件，如柱、墻、梁等，也可以是梁柱節點、簡單的整體結構等。試件的尺寸要根據試驗要求、試驗設備規模和試驗成本來確定；試件的設置條件要與該構件在實際情況下的邊界條件、受力狀態和布置形式盡可能吻合。傳力設備一般包括反力墻、反力地板、加載架等，根據試驗的具體情況還需附加一些傳力桿件等。傳力設備應具備足夠的強度、剛度和整體穩定性，同時還要具備滿足試驗要求的輸出能力。

圖1為偽靜力試驗中某墻體的設置方式，墻體通過千斤頂施加豎向荷載，在門架梁和千斤頂之間應設置滾動導軌，其摩擦系數不應大于0.01。

2.1.2加載制度和加載方式

試驗加載制度指的就是試驗運行時，荷載和加載時間的相互控制關系。對這種相互關系有影響的參數包括：加載速度、加載時間步長、分級荷載和加、卸載循環次數等。

單向往復加載試驗的加載制度：變位移控制加載、變荷載控制加載和變荷載—變位移混合控制加載等方式。一般，通常采用變位移控制的加載制度，雙向往復的加載制度比單項往復復雜，但有時為了精確模擬實際受力狀態往往會采用雙向同時加載。

試驗正式開始前，預先施加反復荷載調試兩次，例如：對混凝土結構和砌體結構試體，預先施加荷載值不應當超過開裂荷載值的30%和20%。試驗正式開始時，施加荷載的方法要綜合考慮試驗目標和試件特點確定。首先應當施加預估開裂荷載值的40%～60%，重復此過程2次～3次，然后逐級加載，直至預估開裂荷載值。驗證試件承載能力和破壞特征時，首先對試件施加荷載，直到極限荷載的下降段，以混凝土結構試件為例，下降值應控制在最大荷載的85%以內。試件屈服前，采用荷載控制并分級加載，試體屈服后應采用變形控制，以屈服時的最大變形值為級差進行控制加載。反復荷載次數在試體屈服前每級可一次，試體屈服后每級宜3次。

2.1.3試驗結果分析

偽靜力試驗的典型試驗結果是試體的滯回曲線，它反映了試體的剛度、強度、變形以及耗能特性，是確定結構本構關系和進行結構地震反應分析的依據。滯回曲線是復雜和離散的，應根據多個構件的試驗結果確定其滯回曲線的性狀，并用定量參數予以描述。

2.2 擬動力試驗

擬動力試驗是一種混合了加載、量測、數值計算等手段的試驗方法。

2.2.1擬動力試驗的原理

擬動力試驗的基本思想是基于結構動力方程的數值計算過程。結構被簡化為離散多自由度的，每個自由度的位移在試驗中由一個作動器控制，其動力平衡微分方程為：

Ma+Cv+Kd=-M{I}ag。

其中,M,C,K分別為結構的質量矩陣、阻尼矩陣、剛度矩陣；a,v,d分別為結構運動的加速度向量、速度向量、位移向量；{I}為單位向量；ag為地面水平地震加速度。

首先建立結構的離散模型，其次在試驗進程當中采用逐步積分法求解其運動微分方程，并應當預先確定結構質量和粘滯阻尼；剛度在試驗中是根據時間步長來實時測定的。對應時間間隔Δt，采用逐步積分法求得各個自由度的位移，然后通過作動器將對應自由度的位移施加于試件，試件因變形產生的恢復力由力傳感器測得，根據這些參數確定剛度K，并循環往復直至地震動結束。具體原理流程圖見圖2。

2.2.2圖例及試驗裝置

圖3為兩層混凝土框架模型試驗，通過千斤頂施加豎向荷載，在門架加載梁和千斤頂之間應設置滾動導軌，其摩擦系數不應大于0.01。伺服液壓往復作動器一端球鉸與反力墻相連，另一端球鉸通過拉桿、壓梁與試體相連，同時用錨桿把試體與反力地板相連。

2.3 地震模擬振動臺試驗

振動臺試驗是利用振動臺裝置進行的結構強迫振動試驗的一種。2005年日本建成的15 m×20 m、承載能力1 200 t的振動臺(E-Defence)是當今世界最大規模的地震模擬振動臺。

通過地震模擬試驗，可以測得不同結構的動力特性、地震響應、震害特征、破壞機理，可以驗證結構本構關系、健康診斷技術、抗震加固技術等，為結構控制、地震工程、賑災應急等的理論研究、工程應用和實際應用提供了豐富的試驗數據。

舉例說明典型的電液伺服式地震模擬振動臺，其基本構成如圖4所示。基本上由七大系統組成，即臺面及支承導向系統、激振系統、控制系統、液壓源系統、供電系統、量測系統和基礎。各部分視地震模擬振動臺建造成幾個自由度而決定其所包含的組成內容。

3 結語

結構抗震試驗是研究結構破壞的重要組成部分，它的特點是可以清晰直觀的看到結構破壞的過程，并為理論模擬分析提供試驗數據支撐，是當今土木工程領域重要的研究方法。