结构抗震试验方法概述

结构抗震试验方法概述
严健南京林业大学研究生院
摘要：地震的多发性和破坏性，使得结构抗震试验研究越来越受到人类的广泛关注。

目前人类已经发明了很多结构抗震试验研究的方法，本文详细介绍了目前结构抗震试验常用的四种方法，分别是（1）拟静力试验方法；（2）多维拟静力试验方法；（3）地震模拟振动台试验方法；（4）拟动力试验方法，并对其各自特点及存在的问题进行了概述。

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 multiple and 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 The Pseudo Static experiment method, 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产安全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，地震必将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。

近十多年来国内外连续发生的大地震，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，如图0.1所
示；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(Izmet) 7.4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围之中，汶川地震震害教训非常深刻，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8451亿元人民币，图0.2为汶川地震的灾区震后图；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结构的破坏引起的，为了防御和减轻地震灾害，保护人民生命和财产安全，必须使建筑物具备足够的抗震能力及良好的抗震性能。

因此，为了避免、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，研究
结构在弹性阶段的自振周期、振型、能量耗散和阻尼值亦即结构的线性动力特性；也可以研究非线性阶段的能量耗散、滞回特性、延性性能、破坏机理亦即结构的非线性性能。

1 结构抗震试验方法
目前，结构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、地震模拟振动台试验、拟动力试验。

拟静力试验是目前在结构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；地震模拟振动台试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。

振动台试验在评估结构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用小比例尺振动台试验; 拟动力试验是一种保留了振动台试验的一些特点的试验方式。

然而大多数的结构构件或组件的试验都是采用拟静力试验方式，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年代初，美国学者将拟静力试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试验对结构模型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试验。

拟静力试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。

拟静力试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。

拟静力试验包括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试验的主要对象。

过去在试验室中，拟静力试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，试验加载过程不容易控制，往往造成数据测量不稳定、不准确，试验结果分析困难。

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结构工程抗震领域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结构构件( 组件) 的强度、刚度、变形、耗能等重要可靠信息，从而为建立诸如恢复力模型、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保障。

［4］
目前许多结构试验室主要采用电液伺服加载系统进行结构的拟静力加载试验。

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试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，可以进行七层原型房屋结构的抗震试验研究。

目前，常用的拟静力加载试验规则有三种，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。

[5]
拟静力试验进程中的问题，一是试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；二是在试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试验。

另外，对于多维拟静力试验，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
试验不同于一维拟静力试验。

拟静力试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、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。

2.3拟静力试验发展现状
尽管拟静力试验具有很广阔的应用前景及领域，然而其独有的无法克服的技术劣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可忽略时，如果处理不当，拟静力试验方法会给出不合适的甚至是错误的结果: ①当结构构件或结构体系的超强特性对于结构的反应相当重要和关键时; ②当结构的破坏模式主要由应变率显著控制时，诸如冲击荷载下的结构构件; 而加载制度自然无法考虑应变率的影响。

2) 当结构的总体反应对结构的内力分布模式敏感或结构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不足的信息，这是由于其试验装置的简单性、模型试件的理想简化所致。

这一点目前似乎并不能在加载制度中予以考虑。

3) 当结构的延性和耗能能力很重要时，根据拟静力试验所获得的试验数据是否可以作为一种保守的下限值不得而知。

尽管很多的试验数据表明是可以的，但是对这些退化材料性能的过高估计或过低估计究竟对结构整体的性能影响如何，并没有被有效研究过。

4) 尺寸效应的考虑。

由于实验室的试验能力及场地大小等诸多因素的限制，通常都是采用缩尺比例模型试件，这对于构件或组件的连接节点，可能具有不可忽略的重要影响。

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考虑。

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，只是采用试验进行到试件承载力下降到最大值的85% 或80% 即停止结束，这对于深入研究倒塌问题来说却显得不足。

有必要进行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
目前，多维拟静力试验进行的比较少，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试验设备、设施较少，特别是多维拟静力试验比较复杂，试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，试验加载控制比较困难。

［7］
4 地震模拟振动台试验
4.1 地震模拟振动台试验原理及其适用性
地震模拟振动台试验( 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。

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，并使试验对象随之产生类似地震作用下的振动，这就是地震模拟振动台试验的基本原理。

以目前普遍使用的电液伺服地震模拟振动台为例，系统主要由液压源系统、激振器、伺服模拟控制器、台面、计算机控制系统组成，如图4.1、4.2、4.3所示。

其中伺服模拟控制器是以电液伺服阀为核心的模拟控制器，其性能的好坏对整个系统起着决定性作用，是整个控制系统的核心部分。

液压源系统主要是提供动力，包括液压泵站、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，为了节省能源，目前都是设置大容量的蓄能器组来提供作系统设有冷却器。

地震模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，承载能力要求足够大。

目前地震模拟振动台的台面采用的材质可分为三大类，钢筋混凝土结构台面、钢焊结构台面、铝合金或镁铝合金铸造结构台面。

由于钢焊结构台面具有重量轻，台面弯曲频率高等优点，所以大部分的地震模拟振动台都采用钢焊结构台面。

[8]
图4.1 地震模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来判断的。

液压驱动系统给振动台以巨大的推力，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 方向上产生相位受控的正弦运动或随机运动，实现地震模拟和波形再现的要求。

为了克服地震模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模拟振动台,即振动台的大型化。

通过加大振动台的台面尺寸，提高振动台的承载能力，以进行大比例模型试验，甚至原型模型试验,克服模型尺寸效应的影响。

振动台大型化的一个最典型的代表是日本科学技术厅( STA)和国立防灾科学技术研究所(N IED) 1998年开始建造的世界上最大的地震模拟振动台(图4.4)。

[8][9]计划于2005年初建成，拥有进行三向六自由度试验的能力，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进行了解。

我国建筑科学研究院新建成的6m×6m的三向六自由度地震模拟振动台，为国内最大的地震模拟振动台,也可以看作是大型化的一个例子
图4.4 日本1200t原型试验振动台
4.2 地震模拟振动台试验技术标准
目前地震模拟振动台的数字控制基本都是采用数字迭代法。

它是一种开环控制方法。

数字迭代控制方法是每次驱动振动台之后，将台面再现结果与预期信号进行比较，根据二者的差异对驱动信号进行修正后再次驱动振动台，再比较台面再现结果与期望信号，直到台面再现结果满足要求为止。

这个具体的过程分三个步骤完成: 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。

振动台试验中采集数据需要许多传感器和测试仪器，常用的传感器有加速度计(测加速度响应)、位移传感器(测相对或绝对位移)、应变片(测应变响应)。

数据的采集系统将反应的时间历程记录下来，经过模数转换送到数字计算机存储，进行分析处理。

振动台的数据处理比较容易进行，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，然后根据结果分析画图。

[10]地震模拟振动台试验的加载过程包括结构动力特性、地震动力反应试验和量测结构不同工作阶段自振特性变化等试验内容。

对于结构动力特性试验，在模型安装振动台前后均可采用自由振动法或脉动法进行试验量测。

也可以用正弦波输入的连续扫频，通过共振法测得模型的动力特性。

根据试验目的不同，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，连续地记录位移、速度、加速度、应变等动力反应，并观察裂缝的形成和发展过程用以，研究结构在弹性、弹塑性和破坏阶段的各种性能。

特点是可以连续模拟结构在一次强烈地震中的整个表现和反应，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，没有足够经验的情况下很少采用这种加载方法；多次加载，目前，在地震模拟振动台试验中，大多数的研究者均采用此种方法进行试验。

一般情况为: 动力特性试验；振动台台面输入运动，使结构产生微裂缝；加大台面输入运动，使结构产生中等程度的开裂；加大台面输入加速度幅值，结构振动使其主要部位产生破坏，但结构还有一定的承载能力；继续加大台面运动，使结构变为机动体系，稍加荷载就会发生破坏倒塌。

4.3 地震模拟振动台试验优点
振动台模型试验是目前所有试验方中最为直接的试验方法，在试验中能详细地了解结构在大震作用下的抗震性能，对构件的破坏机理有直观的了解。

另外，振动台模型试验往往是评估新型结构、超限结构以及具有隔震、减震装置结构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。

振动台试验是目前并可能在将来的一段时间内解决结构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控制与结构有机的结合在一起的试验方法，即用试验方法和数值积分方法相
结合的方式进行结构抗震试验。

5.1拟动力试验原理及其适用范围
拟动力试验适用于混凝土结构、钢结构、砌体结构、组合结构的模型试体在静力试验台上，模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结构恢复力，用逐步积分振动方程的动力反应分析方法计算出该时刻结构试体的地震反应位移，并对结构试体施加此位移，实现该时刻结构试体的地震反应；实测此时的结构恢复力，按地震过程取下一时刻的地震加速度值，进行该时刻结构试体地震反应位移计算，再将位移施加到结构试体上。

如此逐时刻反复实现计算位移一施加位移一实测结构恢复力一再计算位移的循环过程，即模拟了结构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
拟动力试验的目的是希望能够真实的模拟地震动对结构的作用，此法的关键是结构的恢复力特性不再来自数学模型，而是直接从被试验结构上实时测取。

拟动力试验按照试验模型的自由度，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、子结构体系和整体结构，对原结构或原结构模型进行的拟动力试验称为全结构拟动力试验，对部分结构或部分结构模型进行的拟动力试验称为子结构拟动力试验；拟动力试验方法主要包括: 多质点试验、等效单质点试验和子结构试验。

由于仪表等待度的限制，采用多质点试验方法进行试验，则难度较大；至于子结构试验，目前试验条件尚不成熟; 加载方式有单自由度体系、等效单自由度和多自由度体系; 采用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。

结构拟动力试验可以进行大规模、大比例模型，甚至是结构原型的抗震试验.同时，由于试验过程中加载是逐步进行的，这样可详细地观察结构的破坏过程。

与振动台试验相比，拟动力试验的缺点是不能真实地反映出结构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。

按试验模型的自由度，将结构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。

对原结构或原结构模型进行的拟动力试验称为全结构拟动力试验；对部分结构或部分结构模型进行的拟动力试验称为子结构拟动力试验。

结构在地震作用下将产生破坏，但破坏往往只发生在结构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结构进行试验，而其余处于线弹性状态的结构部分用计算机进行计算模拟，被试验的结构部分和计算机模拟部分在一个整体结构动力方程中得到统一。

用于试验的结构部分称为试验子结构，其余由计算机模拟的结构部分称为计算子结构，整体结构由试验子结构和计算子结构两部分组成，它们共同形成整体结构的动力方程。

由于试验子结构的恢复力呈复杂的非线性特征，理论上难以处理，因此直接由试验获得；而计算子结构处于线弹性范围，恢复力呈简单的线性特征，因此由计算机进行模拟。

按试验控制方法，又将结构拟动力试验分为位移控制拟动力试验和力控制拟动力试验。

位移控制拟动力试验方法比较成熟，采用较多。

对于刚度大、位移反应小的试验模型多采用力控制方法。

在试验模型进入恢复力特性曲线的下降段之前，两种控制方法无本质区别，但进入下降段之后，采用力控制方式进力试验无法实现。

[13]
5.2 拟动力试验优点
拟动力抗震试验方法优点如下:
1)在试验过程中结构的恢复力为实测值，能够比较准确地反映结构在地震作用下的真实受力和变形状态，缓慢地再现地震时的结构反应，并可细致地观察地震作用下引起结构破坏的全过程。

2)由于拟动力试验相对降低了对作动筒油速的要求，能进行大比例模型或足尺结构试验，从而能较好的模拟结构的细部构造。

3)拟动力子结构技术的出现，使大型结构的抗震试验更加经济合理:从震害的角度看，结构在地震作用下的破坏往往都是局部的，结构的倒塌也是由于局部的严重破坏引起的，最需要研究的也就是发生破坏的局部，这样我们就可以将结构中最容易破坏的部分进行试验，其余基本完好的结构部分由计算机模拟。

[14]
5.3 拟动力试验缺点
尽管拟动力试验方法本身还有许多方面正在不断发展和完善, 诸如:只适用可作离。