结构抗震试验方法概述

布局抗震试验方法概述之袁州冬雪创作
严健南京林业大学研究生院
摘要：地震的多发性和破坏性，使得布局抗震试验研究越来越受到人类的广泛关注.今朝人类已经发了然很多布局抗震试验研究的方法，本文详细先容了今朝布局抗震试验常常使用的四种方法，分别是（1）拟静力试验方法；（2）多维拟静力试验方法；（3）地震摹拟振动台试验方法；（4）拟动力试验方法，并对其各自特点及存在的问题停止了概述.
关键词:抗震试验；拟静力试验；振动台试验；拟动力试验；概述
The Summary of the Dynamic Testing Method of Structures Abstract
More and more people pay more attention to the seismic research of structures which due to the multipleand devastating earthquake.Some dynamic test means were developed by human in the recent years. In this paper, four kinds of commonly used structure seismic test methods were describe, including ThePseudoStatic experimentmethod, Dimensional Quasi-Static test methods, seismic simulation shaking table experiment method, Pseudo-dynamic test method.
Key words
dynamic testing; the pseudo-static experiment;shaking
table experiment;pseudo-dynamic test;aseismatic design methods;summary
0前言
地震是危害人类生命财富平安最严重的突发式自然灾害之一.随着人类社会的发展和人们生活的高度城市化，地震势必对人们生命和生活设施及工业生产体系带来愈来愈严重的威胁.
近十多年来国表里持续发生的大地震，如1994年美国洛杉
矶的北岭(Northridge)6.7级地震，造成62人死亡，9000多人
受伤，直接经济损失达300亿美元；1995年日本阪神(Kobe)7.2级地震，造成5466人丧生，3万多人受伤，几十万人无家可归，直接经济损失高达960亿美元；1999年8月17日的土耳其伊兹米特(Izmet) 7.4级地震，造成约17000死亡，45000人受伤，
20多万人无家可归，经济损失约120亿美元，；1999年9月21日发生在我国台湾的7.6级集集地震，造成约2470人死亡，11305人受伤，直接经济损失约118亿元；2010年1月12日发
生在加勒比岛国海地的7.0级地震，造成约22.25万人遇难，19.6万人受伤.[1]
图0.1 土耳其伊兹米特级地震灾区震后图我国处在欧亚地震带和环太平洋地震带的包抄之中，汶川地震震害经历非常深刻，2008年5月12日发生在我国四川的8.0
级汶川地震，造成69227人遇难，374643人受伤，1792人失
踪，直接经济损失达8451亿元人平易近币；2010年4月14日发生在我国青海省玉树地区的7.1级地震，造成约2698人丧生，
270人失踪.
图0.2 汶川地震的灾区震后图
地震造成的人员伤亡，经济损失，在很大程度上都是由布局的破坏引起的，为了防御和减轻地震灾害，呵护人平易近生命和财富平安，必须使建筑物具有足够的抗震才能及杰出的抗震性能.因此，为了防止、减少社会经济损失，有需要停止抗震实际分析和试验研究，为地震设防和抗震设计提供依据，提高各类建筑物的抗震才能.但是由于地震机理和布局抗震性能的复杂性，仅以
实际的手段还不克不及完全的掌控布局在地震作用下的性能、反应过程和破坏机理，还需要通过布局试验摹拟地震作用研究布局抗震性能，研究布局在弹性阶段的自振周期、振型、能量耗散和阻尼值亦即布局的线性动力特性；也可以研究非线性阶段的能量耗散、滞回特性、延性性能、破坏机理亦即布局的非线性性能.
1布局抗震试验方法
今朝，布局抗震试验方法大体上分为四类，即拟静力试验、多维拟静力试验、地震摹拟振动台试验、拟动力试验.拟静力试验是今朝在布局工程应用最为广泛的试验方法，它可以最大限度的获得结试件的刚度、承载力、变形、和耗能才能和损伤特征等信息，但不克不及摹拟布局的地震反应过程；地震摹拟振动台试验是最能真实再现布局地震动和布局反应的试验方法，但由于台面尺寸和承载力的限制，只能停止小比例模子的试验，且往往配重缺乏，不克不及很好的知足相似条件，导致地震作用破坏
形态的失真；拟动力试验吸取了拟静力试验和地震摹拟振动台试验两种试验方法的优点，可摹拟大型复杂布局的地震反应，在抗震试验方面得到广泛的应用.
振动台试验在评估布局体系抗震性能方面是最为客观实际真实有效的，然而由于其高额的费用成本使得常常采取小比例尺振动台试验; 拟动力试验是一种保存了振动台试验的一些特点的试验方式.然而大多数的布局构件或组件的试验都是采取拟静力试验方式，亦即低周反复加载试验.［2］
2拟静力试验
2.1拟静力试验的简介和作用原理
20 世纪 70年月初，美国学者将拟静力试验方法用于获取构件的数学模子，为布局的计算机分析提供构件模子，并通过地震摹拟振动台试验对布局模子参数作进一步的修正.拟静力试验( quasi-static testing) 又称低周反复加载试验或伪静力试验，它是采取一定的载荷节制或变形节制对试件停止低周反复加载，使试件从弹性阶段直至破坏的一种试验.拟静力试验实质上是用静力加载方式摹拟地震作用，其优点是在试验过程中可以随时停下来观测试件的开裂和破坏状态，并可根据试验需要改变加载过程.但是加载过程与实际地震作用过程无关，不克不及反应时应变数率的影响，即拟静力试验只能得到构件或布局在反复荷载下的恢复力滞回特性，不克不及得到布局地震反应全过程.
拟静力试验的目标是对构件或布局在荷载作用下的基本表示
停止深入的研究，进而建立一种靠得住的实际分析上的力学或数学模子.而在许多实际工程中，布局或构件的检验性试验也采取此法，目标在于检验现有方法的准确程度和存在缺乏.拟静力试验包含单调加载和循环加载试验，加载方式有单点加载和多点加载.从试件种类来看，钢布局、钢筋混凝土布局、砖石布局以及组合布局是研究最多的；从试件的类型来看，梁、板、柱、节点、墙、框架和整体布局等都是拟静力加载试验的主要对象.
过去在试验室中，拟静力试验主要采取机械式千斤顶或液压式千斤顶停止加载.这类加载设备主要是手动加载，试验加载过程不容易节制，往往造成数据丈量不稳定、不准确，试验成果分析坚苦.
2.2拟静力试验发展现状
与振动台试验和拟动力试验相比，由于其相对较低的经济成本以及其显著的技术优势，拟静力试验方法已经成为并将继续成为布局工程抗震范畴的最受欢迎的试验技术之一.［3］通过该试验方法技术可以有效获得布局构件( 组件) 的强度、刚度、变形、耗能等重要靠得住信息，从而为建立诸如恢复力模子、抗剪强度计算公式和研究破坏机制等，以及为发展和改进新型的抗震构造措施提供强有力的技术包管.［4］
今朝许多布局试验室主要采取电液伺服加载系统停止布局的拟静力加载试验.电液伺服作动器与试件和反力装置的毗连与固定方式应符合布局物实际的受力条件，所以反力装置和传力装置
以及毗连与固定方式也都是在拟静力加载试验中必须重视的问题.今朝常常使用的反力装置主要有反力墙、反力台座、门式刚架、反力架和相应的各种组合类型.国表里许多试验室都建有大型
的、多维的反力墙和台座，最大的反力台座其长度达50m，反力墙高度达 23m，可以停止七层原型房屋布局的抗震试验研究.
今朝，常常使用的拟静力加载试验规则有三种，即位移节制、力节制和力-位移混合节制加载.位移节制加载是以加载过程的位移作为节制量，依照一定的位移增幅停止循环加载.有时是
由小到大变幅值的，有时幅值是恒定的，有时幅值是大小混合的；力节制加载方式是以每次循环的力幅值作为节制量停止加载，因为试件屈服后难以节制加载的力，所以这种加载方式较少单独使用；力-位移混合节制加载方法，即先以力节制停止加
载，当试件达到屈服状态时改用位移节制. 5
拟静力试验过程中的问题，一是试验过程中如何确定开裂荷载，今朝仍然是用人工方法检查，且逐级加载也难以准确地得到开裂荷载和屈服载荷而且今朝还没有一个确定屈服点的统一尺度；二是在试验过程中很难切确确定试件的屈服载荷，仍然是由人的经历断定，有些试件自己没有分明的屈服点，对于这样的试件，应当思索全过程用位移节制完成试验.别的，对于多维拟静
力试验，加载规则也非常多，但是今朝还没有这方面的规范或规程.且节制形式的选择、特别是节制形式的转换条件很难确定多
维拟静力试验分歧于一维拟静力试验.
拟静力试验过程需要通过丈量仪器对试件的变更停止量测，
拟静力加载试验中最关心的有试件的应力、应变、力和变形，因
此力传感器、位移传感器和应变计是常常使用的量测传感器.将
这些量测传感器合理地安插和组合，可以量测试件的力、位移、
应变、矩和曲率等.过去常常使用的机械式和电子式的量测仪器
正在被自动化和智能化的量测仪器所取代.
拟静力试验发展现状
虽然拟静力试验具有很广阔的应用前景及范畴，然而其独有
的无法降服的技术优势或缺陷也是显而易见的.这些缺陷从某种
程度上讲，也即是加载制度所存在的.
1) 当地震作用下应变速率的影响不成忽略时，如果处理不当，拟静力试验方法会给出分歧适的甚至是错误的成果: ①当布
局构件或布局体系的超强特性对于布局的反应相当重要和关键时;
②当布局的破坏形式主要由应变率显著节制时，诸如冲击荷载下
的布局构件; 而加载制度自然无法思索应变率的影响.
2) 当布局的总体反应对布局的内力分布形式敏感或布局构
件性能对弯剪比或弯压比敏感时，拟静力试验技术就只能给出有
限甚至是缺乏的信息，这是由于其试验装置的简单性、模子试件
的抱负简化所致.这一点今朝似乎其实不克不及在加载制度中予
以思索.
3) 当布局的延性和耗能才能很重要时，根据拟静力试验所
获得的试验数据是否可以作为一种守旧的下限值不得而知.虽然很多的试验数据标明是可以的，但是对这些退化资料性能的过高估计或过低估计毕竟对布局整体的性能影响如何，并没有被有效研究过.
4) 尺寸效应的思索.由于实验室的试验才能及场地大小等诸多因素的限制，通常都是采取缩尺比例模子试件，这对于构件或组件的毗连节点，可以具有不成忽略的重要影响.
5) 近场远场地震特性的影响.尤其是软土地震波的持时效应在加载制度中的思索.
6) 加载制度中的最大幅值的规定.大多数加载制度并没有给出最大幅值的规定，只是采取试验停止到试件承载力下降到最大值的85% 或80% 即停止竣事，这对于深入研究倒塌问题来讲却显得缺乏.有需要停止足够大的幅值循环以使试件承载力下降更多诸如70%，从而获得更为全面的加载制度.[6]
3多维拟静力试验
今朝，多维拟静力试验停止的比较少，一种原因是多维实际方面的研究工作停顿比较缓慢；另外一种原因是多维拟静力试验设备、设施较少，特别是多维拟静力试验比较复杂，试验节制与布局的几何模子、力学模子、物理特征、作动器的加载位置、传感器的丈量位置等均有紧密亲密关系，试验加载节制比较坚苦.［7］
4地震摹拟振动台试验
4.1 地震摹拟振动台试验原理及其适用性
地震摹拟振动台试验 ( shaking table testing)可以很好的再现地震过程和停止人工地震波的试验，它可以真实的再现地震过程，是今朝研究布局抗震性能最准确的试验方法.主要用于检验布局抗震设计实际、方法和计算模子的正确与否，还可以用于研究布局动力特性、设备抗震性能以及检验布局抗震措施等内容.不过，地震摹拟振动台也有其局限性，一般振动台试验都是模子试验，比例较小，容易发生尺寸效应，难以摹拟布局构造.且由于台面尺寸和承载才能的限制，只能停止小比例模子的试验，往往配重缺乏，不克不及很好知足相似条件，特别是进入弹塑性阶段工作时，更是如此，导致地震作用形态失真.
将试验对象放在一个足够刚性的台面上，通过动力加载设备使台面再现各种类型地震波，并使试验对象随之发生近似地震作用下的振动，这就是地震摹拟振动台试验的基来历根基理.以今朝普遍使用的电液伺服地震摹拟振动台为例，系统主要由液压源系统、激振器、伺服摹拟节制器、台面、计算机节制系统组成，如图4.1、4.2、4.3所示.其中伺服摹拟节制器是以电液伺服阀为核心的摹拟节制器，其性能的好坏对整个系统起着决议性作用，是整个节制系统的核心部分.液压源系统主要是提供动力，包含液压泵站、蓄能器组、冷却系统等，液压泵的流量是根据地震波的最大速度值来设计的，为了节俭动力，今朝都是设置大容量的蓄能器组来提供作系统设有冷却器.地震摹拟振动台台面是
试验的平台，台面的基本要求是要有足够的刚度，承载才能要求足够大.今朝地震摹拟振动台的台面采取的材质可分为三大类，
钢筋混凝土布局台面、钢焊布局台面、铝合金或镁铝合金铸造布局台面.由于钢焊布局台面具有重量轻，台面弯曲频率高等优
点，所以大部分的地震摹拟振动台都采取钢焊布局台面. 8
图4.1 地震摹拟振动台系统示意图
图4.2 振动台基本构造
图4.3 振动台受力示意图
评价振动台的性能有许多技术指标，对于单水平向的地震摹拟振动台应着重思索如下几项: 加速度波形失真、加速度竖向分量、台面主振方向的加速度不平均度、横向加速度分量、布景噪声和地震波再现才能.地震波的再现才能是振动台的一项重要技
术指标，但它在概念上比较笼统，没有详细的尺度，一般是通过台面再现的波形和期望的波形停止比较来断定的.液压驱动系统
给振动台以宏大的推力，由电液伺服系统来驱动液压加载器，推动台面能在垂直轴或水平轴的 X和 Y 方向上发生相位受控的正弦运动或随机运动，实现地震摹拟和波形再现的要求.
为了降服地震摹拟振动台的这些限制,振动台出现了2种发
展趋势.一种趋势是建造超大型的地震摹拟振动台,即振动台的大型化.通过加大振动台的台面尺寸，提高振动台的承载才能，以
停止大比例模子试验，甚至原型模子试验,降服模子尺寸效应的
影响.振动台大型化的一个最典型的代表是日本迷信技术厅( STA)
和国立防灾迷信技术研究所(N IED) 1998年开端建造的世界上最大的地震摹拟振动台(图).[8[9计划于2005年头建成，拥有停止三向六自由度试验的才能，振动台台面尺寸为15m ×20m，最大的载重量为1 200 t，更详细的情况可以登陆网站http: / /www. bosai. go. jp / sougou / sanjigen /3De / index. htm停止懂得.我国建筑迷信研究院新建成的6m×6m的三向六自由度地震摹拟振动台，为国内最大的地震摹拟振动台,也可以看做是大型化的一个例子
图4.4 日本1200t原型试验振动台
地震摹拟振动台试验技术尺度
今朝地震摹拟振动台的数字节制基本都是采取数字迭代法.它是一种开环节制方法.数字迭代节制方法是每次驱动振动台之后，将台面再现成果与预期信号停止比较，根据二者的差别对驱动信号停止修正后再次驱动振动台，再比较台面再现成果与期望信号，直到台面再现成果知足要求为止.这个详细的过程分三个步调完成: 首先通过输入、输出信号建立系统的传递函数；其次由期望信号和传递函数重新计算输入信号；第三重新检验台面的再现情况.
振动台试验中收集数据需要许多传感器和测试仪器，常常使用的传感器有加速度计 (测加速度响应 )、位移传感器 (测相对或相对位移 )、应变片 (测应变响应 ).数据的收集系统将反应
的时间过程记录下来，颠末模数转换送到数字计算机存储，停止分析处理.振动台的数据处理比较容易停止，因为现在振动信号处理软件必较多，可以应用软件方便的求出试件响应的频谱、均值、方差等，然后根据成果分析画图. 10
地震摹拟振动台试验的加载过程包含布局动力特性、地震动力反应试验和量测布局分歧工作阶段自振特性变更等试验内容.对于布局动力特性试验，在模子装置振动台前后都可采取自由振动法或脉动法停止试验量测.也可以用正弦波输入的持续扫频，通过共振法测得模子的动力特性.根据试验目标分歧，在选择和设计振动台台面输入加速度时程曲线后，试验的加载过程有一次加载和多次加载.一次加载，输入一个适当的地震记录，持续地记录位移、速度、加速度、应变等动力反应，并观察裂痕的形成和发展过程用以，研究布局在弹性、弹塑性和破坏阶段的各种性能.特点是可以持续摹拟布局在一次强烈地震中的整个表示和反应，但对试验过程中的量测和观察要求过高，破坏阶段的观测比较危险.因此，没有足够经历的情况下很少采取这种加载方法；多次加载，今朝，在地震摹拟振动台试验中，大多数的研究者均采取此种方法停止试验.一般情况为: 动力特性试验；振动台台面输入运动，使布局发生微裂痕；加大台面输入运动，使布局发生中等程度的开裂；加大台面输入加速度幅值，布局振动使其主要部位发生破坏，但布局还有一定的承载才能；继续加大台面运动，使布局变成机动体系，稍加荷载就会发生破坏倒塌.
4.3地震摹拟振动台试验优点
振动台模子试验是今朝所有试验方中最为直接的试验方法，在试验中能详细地懂得布局在大震作用下的抗震性能，对构件的破坏机理有直观的懂得.别的，振动台模子试验往往是评估新型布局、超限布局以及具有隔震、减震装置布局等抗震性能的重要手段.对于大跨桥梁、大跨建筑物及管道线还需要用振动台台阵来研究基于多点地震波输入下的抗震性能.振动台试验是今朝并可以在将来的一段时间内处理布局在地震作用下的非线性反应和倒塌机理比较有效的手段. 11
5 拟动力试验
拟动力试验 ( pseudo- dynam ic testing) 又称计算机-加载器联机试验，是将计算机的计算和节制与布局有机的连系在一起的试验方法，即用试验方法和数值积分方法相连系的方式停止布局抗震试验.
拟动力试验原理及其适用范围
拟动力试验适用于混凝土布局、钢布局、砌体布局、组合布局的模子试体在静力试验台上，摹拟实施地震动力反应的抗震性能试验.拟动力试验的原理是:根据数值化的典型地震加速度记录时程曲线，取某一时刻的地震加速度值和试验中前一时刻加载后实测的布局恢复力，用逐步积分振动方程的动力反应分析方法计算出该时刻布局试体的地震反应位移，并对布局试体施加此位移，实现该时刻布局试体的地震反应；实测此时的布局恢复力，
按地震过程取下一时刻的地震加速度值，停止该时刻布局试体地震反应位移计算，再将位移施加到布局试体上.如此逐时刻反复实现计算位移一施加位移一实测布局恢复力一再计算位移的循环过程，即摹拟了布局试体在地震中的实际动态反应过程如图
5.1. 12
图5.1 拟动力试验原理图
拟动力试验的目标是希望可以真实的摹拟地震动对布局的作用，此法的关键是布局的恢复力特性不再来自数学模子，而是直接从被试验布局上实时测取.
拟动力试验依照试验模子的自由度，分为单自由度、等效单自由度、有限自由度体系拟动力试验；拟动力试验研究的对象有构件、子布局体系和整体布局，对原布局或原布局模子停止的拟动力试验称为全布局拟动力试验，对部分布局或部分布局模子停止的拟动力试验称为子布局拟动力试验；拟动力试验方法主要包含: 多质点试验、等效单质点试验和子布局试验.由于仪表等待度的限制，采取多质点试验方法停止试验，则难度较大；至于子布局试验，今朝试验条件尚不成熟; 加载方式有单自由度体系、等效单自由度和多自由度体系; 采取数值积分方法有线性加速度法、中央差分法、隐式无条件稳定的方法.
布局拟动力试验可以停止大规模、大比例模子，甚至是布局原型的抗震试验.同时，由于试验过程中加载是逐步停止的，这样可详细地观察布局的破坏过程.与振动台试验相比，拟动力试
验的缺点是不克不及真实地反映出布局动力反应的时间效应，因为拟动力试验中所得到的速度和加速度是计算出来的，而不是实测的.
按试验模子的自由度，将布局拟动力试验分为单自由度、等效单自由度和有限自由度体系拟动力试验.
对原布局或原布局模子停止的拟动力试验称为全布局拟动力试验；对部分布局或部分布局模子停止的拟动力试验称为子布局拟动力试验.布局在地震作用下将发生破坏，但破坏往往只发生在布局的某些部位或构件上，其它部分仍处于完好或基本完好状态，所以将容易破坏的具有复杂非线性特性的这部分布局停止试验，而其余处于线弹性状态的布部分分用计算机停止计算摹拟，被试验的布部分分和计算机摹拟部分在一个整体布局动力方程中得到统一.用于试验的布部分分称为试验子布局，其余由计算机摹拟的布部分分称为计算子布局，整体布局由试验子布局和计算子布局两部分组成，它们共同形成整体布局的动力方程.由于试验子布局的恢复力呈复杂的非线性特征，实际上难以处理，因此直接由试验获得；而计算子布局处于线弹性范围，恢复力呈简单的线性特征，因此由计算机停止摹拟.
按试验节制方法，又将布局拟动力试验分为位移节制拟动力试验和力节制拟动力试验.位移节制拟动力试验方法比较成熟，采取较多.对于刚度大、位移反应小的试验模子多采取力节制方法.在试验模子进入恢复力特性曲线的下降段之前，两种节制方。