结构抗震的试验方法_焦秀平

第25卷　第7期2009年4月

甘肃科技

Gansu Science and Technol ogy

V ol.25　N o.7

A pr.　2009结构抗震的试验方法

焦秀平

(兰州航天石化工程公司,甘肃兰州730000)

摘　要:系统的介绍了结构抗震实验方法,即拟静力实验方法、地震模拟振动台实验方法和拟动力实验方法,并对其各自特点及存在的问题进行了评述。

关键词:结构抗震实验;拟静力实验;地震模拟振动台实验;拟动力实验

中图分类号:T U352.11

我国地震发生约占全球的33%,是世界多地震国家之一,历史上曾发生过多次强烈地震。20世纪共发生破坏性地震2600余次:其中6级以上破坏性地震500余次,平均每年5.4次;8级以上地震9次。因此,为了保障人民生命安全,避免、减少社会经济损失,有必要进行抗震理论分析和试验研究,为地震设防和抗震设计提供依据,提高各类建筑物的抗震能力。但是,由于地震机理和结构抗震性能的复杂性,仅以理论的手段还不能完全的把握结构在地震作用下的性能、反应过程和破坏机理,还需要通过结构试验模拟地震作用研究结构抗震性能。

1　结构抗震实验方法

目前,结构抗震实验方法大体上分为三类,即拟静力实验、地震模拟振动台实验、拟动力实验。拟静力实验是目前在结构工程应用最为广泛的实验方法,它可以最大限度的获得结试件的刚度、承载力、变形、和耗能能力和损伤特征等信息,但不能模拟结构的地震反应过程;地震模拟振动台实验是最能真实再现结构地震动和结构反应的试验方法,但由于台面尺寸和承载力的限制,只能进行小比例模型的试验,且往往配重不足,不能很好的满足相似条件,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模拟振动台试验两种试验方法的优点,可模拟大型复杂结构的地震反应,在抗震试验方面得到广泛的应用。

1.1　拟静力实验

20世纪70年代初,美国学者将拟静力实验方法用于获取构件的数学模型,为结构的计算机分析提供构件模型,并通过地震模拟振动台实验对结构模型参数作进一步的修正。拟静力实验(quasi-static testing)又称低周反复加载试验或伪静力试验,它是采用一定的载荷控制或变形控制对试件进行低周反复加载,使试件从弹性阶段直至破坏的一种实验。拟静力实验实质上是用静力加载方式模拟地震作用,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历程。但是加载历程与实际地震作用历程无关,不能反应时应变数率的影响,即拟静力试验只能得到构件或结构在反复荷载下的恢复力滞回特性,不能得到结构地震反应全过程。

拟静力实验的目的是对构件或结构在荷载作用下的基本表现进行深入的研究,进而建立一种可靠的理论分析上的力学或数学模型。而在许多实际工程中,结构或构件的检验性试验也采用此法,目的在于检验现有方法的准确程度和存在不足。拟静力实验包括单调加载和循环加载实验,加载方式有单点加载和多点加载。从试件种类来看,钢结构、钢筋混凝土结构、砖石结构以及组合结构是研究最多的;从试件的类型来看,梁、板、柱、节点、墙、框架和整体结构等都是拟静力加载实验的主要对象。

过去在实验室中,拟静力实验主要采用机械式千斤顶或液压式千斤顶进行加载。这类加载设备主要是手动加载,实验加载过程不容易控制,往往造成数据测量不稳定、不准确,实验结果分析困难。目前许多结构实验室主要采用电液伺服加载系统进行结构的拟静力加载实验。电液伺服作动器与试件和反力装置的连接与固定方式应符合结构物实际的受力条件,所以反力装置和传力装置以及连接与固定方式也都是在拟静力加载实验中必须重视的问题。目前常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。国内外许多实验室都建有大型的、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

进行七层原型房屋结构的抗震实验研究。

目前,常用的拟静力加载实验规则有三种,即位移控制、力控制和力-位移混合控制加载。位移控制加载是以加载过程的位移作为控制量,按照一定的位移增幅进行循环加载。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;力控制加载方式是以每次循环的力幅值作为控制量进行加载,因为试件屈服后难以控制加载的力,所以这种加载方式较少单独使用;力-位移混合控制加载方法,即先以力控制进行加载,当试件达到屈服状态时改用位移控制。

拟静力实验进程中的问题,一是实验过程中如何确定开裂荷载,目前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并且目前还没有一个确定屈服点的统一标准;二是在实验过程中很难精确确定试件的屈服载荷,仍然是由人的经验判断,有些试件本身没有明显的屈服点,对于这样的试件,应当考虑全过程用位移控制完成实验。另外,对于多维拟静力实验,加载规则也非常多,但是目前还没有这方面的规范或规程。且控制模式的选择、特别是控制模式的转换条件很难确定多维拟静力实验不同于一维拟静力实验。

拟静力实验过程需要通过测量仪器对试件的变化进行量测,拟静力加载实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用的量测传感器。将这些量测传感器合理地布置和组合,可以量测试件的力、位移、应变、弯矩和曲率等。过去常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。

目前,多维拟静力实验进行的比较少,一种原因是多维理论方面的研究工作进展比较缓慢;另一种原因是多维拟静力实验设备、设施较少,特别是多维拟静力实验比较复杂,实验控制与结构的几何模型、力学模型、物理特征、作动器的加载位置、传感器的测量位置等均有密切关系,实验加载控制比较困难。

1.2　地震模拟振动台实验

地震模拟振动台实验(shaking table testing)可以很好的再现地震过程和进行人工地震波的试验,它可以真实的再现地震过程,是目前研究结构抗震性能最准确的试验方法。主要用于检验结构抗震设计理论、方法和计算模型的正确与否,还可以用于研究结构动力特性、设备抗震性能以及检验结构抗震措施等内容。不过,地震模拟振动台也有其局限性,一般振动台试验都是模型试验,比例较小,容易产生尺寸效应,难以模拟结构构造。且由于台面尺寸和承载能力的限制,只能进行小比例模型的试验,往往配重不足,不能很好满足相似条件,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。

地震模拟振动台系统主要由台面和基础、高压油源和管路系统、电液伺服加载器、模拟控制系统、计算机系统和数据采集处理系统组成。振动台的台面是有一定尺寸的平板结构。台体自重和台身结构与承载的试件质量以及使用频率范围有关。振动台必须安装在质量很大的基础上,这样可以改善系统的高频特性,并减小对周围建筑和其他设备的影响。

据最近的不完全统计,国际上已经建成了近百座地震模拟振动台,最近中国建筑科学研究院和成都核动力研究院分别建成了国内最大的6×6m的三向六自由度地震模拟振动台。而重庆交通科学研究院也建成了两个3×6m的地震模拟振动台阵,需要的时候还可以合并成一个6×6m的振动台。根据地震模拟振动台的承载能力和台面尺寸,振动台基本上可以分成三种规模,即小型的承载力为10t 以下,台面尺寸在2×2m之内;中型的一般承载力在20t左右,台面尺寸在6×6m之内;而大型地震模拟振动台的承载力可达数百吨以上。多数地震模拟振动台的规模属于中型的,即台面尺寸在2×2m ～6×6m之间。

振动台的主要技术参数是激振力和使用频率范围。这些参数在很大程度上取决于加载器的工作性能。工程结构的原材料特性和构造要求决定模型试验的几何相似比Sl不宜过小,一般不小于十分之一。根据模型的相似比要求,振动台的再现加速度和实际加速度之比为Sa=1。目前多数振动台的使用频率范围是0～50HZ,有特殊要求的在100HZ以上。从激振方向来看单向的和双向的较多,但近来三向的地震模拟振动台不断增多,其中一部分是将原有的单向或两向振动台改造成三向。振动台的位移幅值一般在±100mm以内,速度在800mm/Ps之内,加速度可达2g。

评价振动台的性能有许多技术指标,对于单水平向的地震模拟振动台应着重考虑如下几项: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均匀度、横向加速度分量、背景噪声和地震波再现能力。地震波的再现能力是振动台的一项重要技术指标,但它在概念上比较笼统,没有具体的标准,一般是通过台面再现的波形和期望的波形进行比较

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第7期 焦秀平:结构抗震的试验方法