數值仿真技術在結構抗震試驗教學中的應用

顧冬生

（江南大學環境與土木工程學院，江蘇無錫 214122）

在我國的高等教育中，土木工程是比較重要的專業類別，每年都有大批土木工程的本科和碩士畢業生投入國家建設中。在未來的幾十年內，土木工程仍將發揮重要作用，影響著我國基礎建設的發展與進步。隨著科學技術的快速發展與土木行業的不斷革新，土木行業與高校對畢業生的要求也越來越高，除了要有扎實的理論基礎，還要有較強的實踐能力和專業技能。

土木工程結構試驗教學是土木工程一門重要的基礎課程，可以培養學生掌握基本實驗方法、提高動手能力與創新能力[1]，有利于學生綜合能力提高。結構抗震試驗作為土木工程結構試驗課程重要組成部分，對于其教學也要引起足夠重視。結構抗震試驗教學旨在通過實踐來培養學生對結構抗震性能的理解，提高結構設計綜合能力。但由于教學條件制約等原因，目前高校試驗教學水平參差不齊，還達不到理想的教學效果。

1 結構抗震試驗教學現狀與存在的問題

結構抗震試驗操作成本高，如一般的振動臺試驗，一根柱成本就上千，一系列試驗做下來代價很高，這對一些高校和實驗室來說負擔太大，甚至有些高校缺少條件開展相關試驗。另外，實驗試件安裝定位比較復雜、儀器設備造價高以及試驗對安全性要求比較高，使得抗震試驗開展非常困難[2-3]，這樣學生很難掌握抗震試驗的核心思想，對抗震性能評價參數也沒有直觀認識。結構抗震試驗一般難度較大，需要試驗人員具有扎實的理論基礎和操作技能，還要有處理突發事件的應變能力，大部分學生還不具備這些條件。大部分結構抗震試驗可視化程度不夠，試驗過程中各種數據的變化不能直觀地顯示出來，影響試驗教學效果。

很多高校有開展試驗教學，但因為抗震試驗難度較大，對試驗指導人員要求也比較高，所以開展這方面試驗積極性不高。這些造成長期以來對抗震試驗教學重視不夠，也缺乏鼓勵措施[4]。

2 數值仿真技術的意義

隨著科技的進步尤其是計算機技術的發展，數值仿真技術已經趨于成熟，目前已經成功應用到了包括結構、機械等多個領域。在土木工程行業，市面上流行的商業有限元軟件就是數值仿真技術應用的成果。有限元軟件能對結構進行模擬，并對結構進行分析，把分析結果和相關參數可視化。把數值仿真技術應用到結構抗震試驗教學中，為試驗教學開辟一條新道路，彌補了傳統試驗教學對設備要求高，試驗比較復雜的不足。數值仿真技術的靈活性和開放性為試驗教學增添了無數可能，通過改變模擬試驗參數，學生可以方便地得到運行結果，這激發了學生學習的興趣，也能培養學生的創新能力。

通過數值仿真試驗和真實試驗相結合，學生可以在真實試驗前進行預試驗，提高了試驗的成功率，增加了學生的積極性，而且，數值仿真試驗一般能在短時間內得到試驗結果，并具有較高的可靠度。數值仿真試驗可以增加學生對理論知識的理解與運用，通過學習使用有限元軟件，在一次次建模與分析的過程中，學生對理論知識的理解與記憶也越來越深。而且，數值仿真試驗教學促進學生的學習，培養學生的動手能力，為學生打下軟件基礎，有利于學生的就業發展。

數值仿真技術目前已經趨于成熟，有限元軟件也越來越完善。目前流行的商業有限元軟件有ABAQUS、ANSYS、MSC、OpenSees 等。

3 數值仿真試驗教學案例

框架結構在水平地震作用下，柱子是主要受力構件，抵抗地震作用產生的力和彎矩作用。為研究框架柱抗震性能，有必要進行框架柱抗傾覆試驗，試驗教學能加深學生對柱結構的認識。我們通過理論學習已經對柱子在水平力作用下受力模式有了一定的了解，但對柱子的內力與變形缺少感性的認識。在試驗教學之前，對框架柱進行抗傾覆的數值仿真試驗，加強學生對試驗的理解與認識。

鋼筋混凝土框架柱抗傾覆試驗如圖1 所示，通過對柱頂施加低周往復荷載，控制柱頂的位移，來得到試驗柱的力與位移關系，研究框架柱的抗傾覆性能。采用有限元軟件OpenSees 進行數值仿真試驗，OpenSees 是一個以美國加州大學伯克利分校為主導開發的開放性程序軟件體系，主要適用與土木工程結構、巖土和抗震分析。該軟件開發以來經過多次升級更新，目前已經廣泛用于鋼筋混凝土結構、橋梁、巖土工程在內眾多的實際工程和振動臺試驗項目，經驗證明其具有較好的非線性數值模擬精度。

圖1 鋼筋混凝土框架柱抗傾覆試驗

進行數值仿真試驗時，先用OpenSees 軟件對柱子的截面和材料進行模擬，根據試件的實際參數定義截面的尺寸、配筋、材料，框架柱的數值仿真計算模型如圖2 所示，可以讓學生直觀地看到試件的配件情況和鋼筋布置。對試件柱施加約束條件，對柱底3 個自由度進行約束，對柱頂施加軸壓力，在側向施加水平位移，完全模擬真實試驗時的邊界條件，進行同樣的抗傾覆分析。

圖2 框架柱數值仿真試驗模型

模擬計算結果和結論與實際試驗結果對比，可以驗證數值仿真試驗的可靠性。試驗結果對比如圖3 所示。可以看出，數值仿真試驗的結果和實際試驗吻合很好，具有較高的精度。對試驗結果進行分析，鋼筋混凝土框架柱承受低周往復荷載時，隨著位移增加，側向承載力逐漸減小，構件的剛度也逐漸減小。這表明構件在模擬的地震作用下，不斷發生損傷和破壞，直至破壞。隨著側向變形的增加，構件表現出較好的耗能能力和延性，這些參數可以用來評估構件的抗震性能。在計算分析時，學生可以通過改變截面參數或荷載來得到不同的分析結果，可以提高學生對框架柱抗傾覆性能理解，建立比較定量的認識。再結合一定量的現有的試驗過程的錄像資料，可以進一步讓學生了解構件的破壞過程，如混凝土的開裂和剝離等，這樣學生就能對抗震性能有了比較全面的認識。

圖3 試驗結果對比

4 結語

將數值仿真技術應用到土木工程結構抗震試驗教學中，給試驗教學帶來一條新思路，也帶來諸多便利。目前高校土木工程的試驗教學水平參差不齊，有必要加大對數值仿真試驗教學的推廣，提高教學質量。另外，數值分析軟件的開發與改進也是現在的重點工作，應加大力度擴大軟件的應用領域，開發新的應用模塊，增強軟件的穩定性與實用性。