結(jié)構(gòu)抗震試驗(yàn)方法概述

1、結(jié)構(gòu)抗震試驗(yàn)方法概述嚴(yán)健 南京林業(yè)大學(xué)研究生院 摘要：地震的多發(fā)性和破壞性，使得結(jié)構(gòu)抗震試驗(yàn)研究越來越受到人類的廣泛關(guān)注。目前人類已經(jīng)發(fā)明了很多結(jié)構(gòu)抗震試驗(yàn)研究的方法，本文詳細(xì)介紹了目前結(jié)構(gòu)抗震試驗(yàn)常用的四種方法，分別是（1）擬靜力試驗(yàn)方法；（2）多維擬靜力試驗(yàn)方法；（3）地震模擬振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)方法；（4）擬動(dòng)力試驗(yàn)方法，并對(duì)其各自特點(diǎn)及存在的問題進(jìn)行了概述。關(guān)鍵詞:抗震試驗(yàn)；擬靜力試驗(yàn)；振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)；擬動(dòng)力試驗(yàn)；概述The Summary of the Dynamic Testing Method of StructuresAbstractMore and more people pay more

2、 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

3、method, Dimensional Quasi-Static test methods, seismic simulation shaking table experiment method, Pseudo-dynamic test method.Key wordsdynamic testing; the pseudo-static experiment; shaking table experiment; pseudo-dynamic test; aseismatic design methods; summary0 前言地震是危害人類生命財(cái)產(chǎn)安全最嚴(yán)重的突發(fā)式自然災(zāi)害之一。隨著人類社會(huì)

4、的發(fā)展和人們生活的高度城市化，地震必將對(duì)人們生命和生活設(shè)施及工業(yè)生產(chǎn)體系帶來愈來愈嚴(yán)重的威脅。近十多年來國(guó)內(nèi)外連續(xù)發(fā)生的大地震，如1994年美國(guó)洛杉磯的北嶺(Northridge)6.7級(jí)地震，造成62人死亡，9000多人受傷，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)300億美元；1995年日本阪神(Kobe)7.2級(jí)地震，造成5466人喪生，3萬多人受傷，幾十萬人無家可歸，直接經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)960億美元；1999年8月17日的土耳其伊茲米特(Izmet) 7.4級(jí)地震，造成約17000死亡，45000人受傷，20多萬人無家可歸，經(jīng)濟(jì)損失約120億美元，如圖0.1所示；1999年9月21日發(fā)生在我國(guó)臺(tái)灣的7.6級(jí)集集地震

5、，造成約2470人死亡，11305人受傷，直接經(jīng)濟(jì)損失約118億元；2010年1月12日發(fā)生在加勒比島國(guó)海地的7.0級(jí)地震，造成約22.25萬人遇難，19.6萬人受傷。1 圖0.1 土耳其伊茲米特(Izmet) 7.4級(jí)地震災(zāi)區(qū)震后圖我國(guó)處在歐亞地震帶和環(huán)太平洋地震帶的包圍之中，汶川地震震害教訓(xùn)非常深刻，2008年5月12日發(fā)生在我國(guó)四川的8.0級(jí)汶川地震，造成69227人遇難，人受傷，1792人失蹤，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)8451億元人民幣，圖0.2為汶川地震的災(zāi)區(qū)震后圖；2010年4月14日發(fā)生在我國(guó)青海省玉樹地區(qū)的7.1級(jí)地震，造成約2698人喪生，270人失蹤。圖0.2 汶川地震的災(zāi)區(qū)震后圖地

6、震造成的人員傷亡，經(jīng)濟(jì)損失，在很大程度上都是由結(jié)構(gòu)的破壞引起的，為了防御和減輕地震災(zāi)害，保護(hù)人民生命和財(cái)產(chǎn)安全，必須使建筑物具備足夠的抗震能力及良好的抗震性能。因此，為了避免、減少社會(huì)經(jīng)濟(jì)損失，有必要進(jìn)行抗震理論分析和試驗(yàn)研究，為地震設(shè)防和抗震設(shè)計(jì)提供依據(jù)，提高各類建筑物的抗震能力。但是由于地震機(jī)理和結(jié)構(gòu)抗震性能的復(fù)雜性，僅以理論的手段還不能完全的把握結(jié)構(gòu)在地震作用下的性能、反應(yīng)過程和破壞機(jī)理，還需要通過結(jié)構(gòu)試驗(yàn)?zāi)M地震作用研究結(jié)構(gòu)抗震性能，研究結(jié)構(gòu)在彈性階段的自振周期、振型、能量耗散和阻尼值亦即結(jié)構(gòu)的線性動(dòng)力特性；也可以研究非線性階段的能量耗散、滯回特性、延性性能、破壞機(jī)理亦即結(jié)構(gòu)的非線性性

7、能。1 結(jié)構(gòu)抗震試驗(yàn)方法目前，結(jié)構(gòu)抗震試驗(yàn)方法大體上分為四類，即擬靜力試驗(yàn)、多維擬靜力試驗(yàn)、地震模擬振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)、擬動(dòng)力試驗(yàn)。擬靜力試驗(yàn)是目前在結(jié)構(gòu)工程應(yīng)用最為廣泛的試驗(yàn)方法， 它可以最大限度的獲得結(jié)試件的剛度、承載力、變形、和耗能能力和損傷特征等信息， 但不能模擬結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)過程；地震模擬振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)是最能真實(shí)再現(xiàn)結(jié)構(gòu)地震動(dòng)和結(jié)構(gòu)反應(yīng)的試驗(yàn)方法，但由于臺(tái)面尺寸和承載力的限制，只能進(jìn)行小比例模型的試驗(yàn)，且往往配重不足，不能很好的滿足相似條件，導(dǎo)致地震作用破壞形態(tài)的失真；擬動(dòng)力試驗(yàn)吸取了擬靜力試驗(yàn)和地震模擬振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)兩種試驗(yàn)方法的優(yōu)點(diǎn)，可模擬大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，在抗震試驗(yàn)方面得到廣泛的應(yīng)用。振

8、動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)在評(píng)估結(jié)構(gòu)體系抗震性能方面是最為客觀實(shí)際真實(shí)有效的，然而由于其高額的費(fèi)用成本使得常常采用小比例尺振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn); 擬動(dòng)力試驗(yàn)是一種保留了振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)的一些特點(diǎn)的試驗(yàn)方式。然而大多數(shù)的結(jié)構(gòu)構(gòu)件或組件的試驗(yàn)都是采用擬靜力試驗(yàn)方式，亦即低周反復(fù)加載試驗(yàn)。22 擬靜力試驗(yàn)2.1擬靜力試驗(yàn)的簡(jiǎn)介和作用原理20 世紀(jì) 70年代初，美國(guó)學(xué)者將擬靜力試驗(yàn)方法用于獲取構(gòu)件的數(shù)學(xué)模型，為結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)分析提供構(gòu)件模型，并通過地震模擬振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)對(duì)結(jié)構(gòu)模型參數(shù)作進(jìn)一步的修正。擬靜力試驗(yàn) ( quasi-static testing) 又稱低周反復(fù)加載試驗(yàn)或偽靜力試驗(yàn)，它是采用一定的載荷控制或變形控制對(duì)試件進(jìn)行低周反復(fù)

9、加載，使試件從彈性階段直至破壞的一種試驗(yàn)。擬靜力試驗(yàn)實(shí)質(zhì)上是用靜力加載方式模擬地震作用，其優(yōu)點(diǎn)是在試驗(yàn)過程中可以隨時(shí)停下來觀測(cè)試件的開裂和破壞狀態(tài)，并可根據(jù)試驗(yàn)需要改變加載歷程。但是加載歷程與實(shí)際地震作用歷程無關(guān)，不能反應(yīng)時(shí)應(yīng)變數(shù)率的影響，即擬靜力試驗(yàn)只能得到構(gòu)件或結(jié)構(gòu)在反復(fù)荷載下的恢復(fù)力滯回特性，不能得到結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)全過程。擬靜力試驗(yàn)的目的是對(duì)構(gòu)件或結(jié)構(gòu)在荷載作用下的基本表現(xiàn)進(jìn)行深入的研究， 進(jìn)而建立一種可靠的理論分析上的力學(xué)或數(shù)學(xué)模型。而在許多實(shí)際工程中，結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的檢驗(yàn)性試驗(yàn)也采用此法，目的在于檢驗(yàn)現(xiàn)有方法的準(zhǔn)確程度和存在不足。擬靜力試驗(yàn)包括單調(diào)加載和循環(huán)加載試驗(yàn)，加載方式有單點(diǎn)加載和多

10、點(diǎn)加載。從試件種類來看，鋼結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、磚石結(jié)構(gòu)以及組合結(jié)構(gòu)是研究最多的；從試件的類型來看，梁、板、柱、節(jié)點(diǎn)、墻、框架和整體結(jié)構(gòu)等都是擬靜力加載試驗(yàn)的主要對(duì)象。過去在試驗(yàn)室中，擬靜力試驗(yàn)主要采用機(jī)械式千斤頂或液壓式千斤頂進(jìn)行加載。這類加載設(shè)備主要是手動(dòng)加載，試驗(yàn)加載過程不容易控制，往往造成數(shù)據(jù)測(cè)量不穩(wěn)定、不準(zhǔn)確，試驗(yàn)結(jié)果分析困難。2.2擬靜力試驗(yàn)發(fā)展現(xiàn)狀與振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)和擬動(dòng)力試驗(yàn)相比，由于其相對(duì)較低的經(jīng)濟(jì)成本以及其顯著的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，擬靜力試驗(yàn)方法已經(jīng)成為并將繼續(xù)成為結(jié)構(gòu)工程抗震領(lǐng)域的最受歡迎的試驗(yàn)技術(shù)之一。3通過該試驗(yàn)方法技術(shù)可以有效獲得結(jié)構(gòu)構(gòu)件( 組件) 的強(qiáng)度、剛度、變形、耗能等重要可

11、靠信息，從而為建立諸如恢復(fù)力模型、抗剪強(qiáng)度計(jì)算公式和研究破壞機(jī)制等，以及為發(fā)展和改進(jìn)新型的抗震構(gòu)造措施提供強(qiáng)有力的技術(shù)保障。4目前許多結(jié)構(gòu)試驗(yàn)室主要采用電液伺服加載系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)的擬靜力加載試驗(yàn)。電液伺服作動(dòng)器與試件和反力裝置的連接與固定方式應(yīng)符合結(jié)構(gòu)物實(shí)際的受力條件，所以反力裝置和傳力裝置以及連接與固定方式也都是在擬靜力加載試驗(yàn)中必須重視的問題。目前常用的反力裝置主要有反力墻、反力臺(tái)座、門式剛架、反力架和相應(yīng)的各種組合類型。國(guó)內(nèi)外許多試驗(yàn)室都建有大型的、多維的反力墻和臺(tái)座，最大的反力臺(tái)座其長(zhǎng)度達(dá)50m，反力墻高度達(dá) 23m，可以進(jìn)行七層原型房屋結(jié)構(gòu)的抗震試驗(yàn)研究。目前，常用的擬靜力加載試驗(yàn)規(guī)則

12、有三種，即位移控制、力控制和力-位移混合控制加載。位移控制加載是以加載過程的位移作為控制量，按照一定的位移增幅進(jìn)行循環(huán)加載。有時(shí)是由小到大變幅值的，有時(shí)幅值是恒定的，有時(shí)幅值是大小混合的；力控制加載方式是以每次循環(huán)的力幅值作為控制量進(jìn)行加載，因?yàn)樵嚰箅y以控制加載的力，所以這種加載方式較少單獨(dú)使用；力-位移混合控制加載方法，即先以力控制進(jìn)行加載，當(dāng)試件達(dá)到屈服狀態(tài)時(shí)改用位移控制。5擬靜力試驗(yàn)進(jìn)程中的問題，一是試驗(yàn)過程中如何確定開裂荷載，目前仍然是用人工方法檢查，且逐級(jí)加載也難以準(zhǔn)確地得到開裂荷載和屈服載荷并且目前還沒有一個(gè)確定屈服點(diǎn)的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)；二是在試驗(yàn)過程中很難精確確定試件的屈服載荷，仍

13、然是由人的經(jīng)驗(yàn)判斷，有些試件本身沒有明顯的屈服點(diǎn)，對(duì)于這樣的試件，應(yīng)當(dāng)考慮全過程用位移控制完成試驗(yàn)。另外，對(duì)于多維擬靜力試驗(yàn)，加載規(guī)則也非常多，但是目前還沒有這方面的規(guī)范或規(guī)程。且控制模式的選擇、特別是控制模式的轉(zhuǎn)換條件很難確定多維擬靜力試驗(yàn)不同于一維擬靜力試驗(yàn)。擬靜力試驗(yàn)過程需要通過測(cè)量?jī)x器對(duì)試件的變化進(jìn)行量測(cè)，擬靜力加載試驗(yàn)中最關(guān)心的有試件的應(yīng)力、應(yīng)變、力和變形，因此力傳感器、位移傳感器和應(yīng)變計(jì)是常用的量測(cè)傳感器。將這些量測(cè)傳感器合理地布置和組合，可以量測(cè)試件的力、位移、應(yīng)變、矩和曲率等。過去常用的機(jī)械式和電子式的量測(cè)儀器正在被自動(dòng)化和智能化的量測(cè)儀器所取代。2.3擬靜力試驗(yàn)發(fā)展現(xiàn)狀盡管擬

14、靜力試驗(yàn)具有很廣闊的應(yīng)用前景及領(lǐng)域，然而其獨(dú)有的無法克服的技術(shù)劣勢(shì)或缺陷也是顯而易見的。這些缺陷從某種程度上講，也即是加載制度所存在的。1) 當(dāng)?shù)卣鹱饔孟聭?yīng)變速率的影響不可忽略時(shí)，如果處理不當(dāng)，擬靜力試驗(yàn)方法會(huì)給出不合適的甚至是錯(cuò)誤的結(jié)果: 當(dāng)結(jié)構(gòu)構(gòu)件或結(jié)構(gòu)體系的超強(qiáng)特性對(duì)于結(jié)構(gòu)的反應(yīng)相當(dāng)重要和關(guān)鍵時(shí); 當(dāng)結(jié)構(gòu)的破壞模式主要由應(yīng)變率顯著控制時(shí)，諸如沖擊荷載下的結(jié)構(gòu)構(gòu)件; 而加載制度自然無法考慮應(yīng)變率的影響。2) 當(dāng)結(jié)構(gòu)的總體反應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布模式敏感或結(jié)構(gòu)構(gòu)件性能對(duì)彎剪比或彎壓比敏感時(shí)，擬靜力試驗(yàn)技術(shù)就只能給出有限甚至是不足的信息，這是由于其試驗(yàn)裝置的簡(jiǎn)單性、模型試件的理想簡(jiǎn)化所致。這一點(diǎn)目

15、前似乎并不能在加載制度中予以考慮。3) 當(dāng)結(jié)構(gòu)的延性和耗能能力很重要時(shí)，根據(jù)擬靜力試驗(yàn)所獲得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)是否可以作為一種保守的下限值不得而知。盡管很多的試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明是可以的，但是對(duì)這些退化材料性能的過高估計(jì)或過低估計(jì)究竟對(duì)結(jié)構(gòu)整體的性能影響如何，并沒有被有效研究過。4) 尺寸效應(yīng)的考慮。由于實(shí)驗(yàn)室的試驗(yàn)?zāi)芰皥?chǎng)地大小等諸多因素的限制，通常都是采用縮尺比例模型試件，這對(duì)于構(gòu)件或組件的連接節(jié)點(diǎn)，可能具有不可忽略的重要影響。5) 近場(chǎng)遠(yuǎn)場(chǎng)地震特性的影響。尤其是軟土地震波的持時(shí)效應(yīng)在加載制度中的考慮。6) 加載制度中的最大幅值的規(guī)定。大多數(shù)加載制度并沒有給出最大幅值的規(guī)定，只是采用試驗(yàn)進(jìn)行到試件承載力下

16、降到最大值的85% 或80% 即停止結(jié)束，這對(duì)于深入研究倒塌問題來說卻顯得不足。有必要進(jìn)行足夠大的幅值循環(huán)以使試件承載力下降更多諸如70%，從而獲得更為全面的加載制度。63 多維擬靜力試驗(yàn)?zāi)壳?，多維擬靜力試驗(yàn)進(jìn)行的比較少，一種原因是多維理論方面的研究工作進(jìn)展比較緩慢；另一種原因是多維擬靜力試驗(yàn)設(shè)備、設(shè)施較少，特別是多維擬靜力試驗(yàn)比較復(fù)雜，試驗(yàn)控制與結(jié)構(gòu)的幾何模型、力學(xué)模型、物理特征、作動(dòng)器的加載位置、傳感器的測(cè)量位置等均有密切關(guān)系，試驗(yàn)加載控制比較困難。74 地震模擬振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)4.1 地震模擬振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)原理及其適用性地震模擬振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn) ( shaking table testing)可以很好的

17、再現(xiàn)地震過程和進(jìn)行人工地震波的試驗(yàn)，它可以真實(shí)的再現(xiàn)地震過程，是目前研究結(jié)構(gòu)抗震性能最準(zhǔn)確的試驗(yàn)方法。主要用于檢驗(yàn)結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)理論、方法和計(jì)算模型的正確與否，還可以用于研究結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性、設(shè)備抗震性能以及檢驗(yàn)結(jié)構(gòu)抗震措施等內(nèi)容。不過，地震模擬振動(dòng)臺(tái)也有其局限性，一般振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)都是模型試驗(yàn)，比例較小，容易產(chǎn)生尺寸效應(yīng)，難以模擬結(jié)構(gòu)構(gòu)造。且由于臺(tái)面尺寸和承載能力的限制，只能進(jìn)行小比例模型的試驗(yàn)，往往配重不足，不能很好滿足相似條件，特別是進(jìn)入彈塑性階段工作時(shí)， 更是如此， 導(dǎo)致地震作用形態(tài)失真。將試驗(yàn)對(duì)象放在一個(gè)足夠剛性的臺(tái)面上，通過動(dòng)力加載設(shè)備使臺(tái)面再現(xiàn)各種類型地震波，并使試驗(yàn)對(duì)象隨之產(chǎn)生類似地震作

18、用下的振動(dòng)，這就是地震模擬振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)的基本原理。以目前普遍使用的電液伺服地震模擬振動(dòng)臺(tái)為例，系統(tǒng)主要由液壓源系統(tǒng)、激振器、伺服模擬控制器、臺(tái)面、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)組成，如圖4.1、4.2、4.3所示。其中伺服模擬控制器是以電液伺服閥為核心的模擬控制器，其性能的好壞對(duì)整個(gè)系統(tǒng)起著決定性作用，是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心部分。液壓源系統(tǒng)主要是提供動(dòng)力，包括液壓泵站、蓄能器組、冷卻系統(tǒng)等，液壓泵的流量是根據(jù)地震波的最大速度值來設(shè)計(jì)的，為了節(jié)省能源，目前都是設(shè)置大容量的蓄能器組來提供作系統(tǒng)設(shè)有冷卻器。地震模擬振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面是試驗(yàn)的平臺(tái)，臺(tái)面的基本要求是要有足夠的剛度，承載能力要求足夠大。目前地震模擬振動(dòng)臺(tái)的臺(tái)面采用的

19、材質(zhì)可分為三大類，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)臺(tái)面、鋼焊結(jié)構(gòu)臺(tái)面、鋁合金或鎂鋁合金鑄造結(jié)構(gòu)臺(tái)面。由于鋼焊結(jié)構(gòu)臺(tái)面具有重量輕，臺(tái)面彎曲頻率高等優(yōu)點(diǎn)，所以大部分的地震模擬振動(dòng)臺(tái)都采用鋼焊結(jié)構(gòu)臺(tái)面。8 圖4.1 地震模擬振動(dòng)臺(tái)系統(tǒng)示意圖 圖4.2 振動(dòng)臺(tái)基本構(gòu)造 圖4.3 振動(dòng)臺(tái)受力示意圖評(píng)價(jià)振動(dòng)臺(tái)的性能有許多技術(shù)指標(biāo)，對(duì)于單水平向的地震模擬振動(dòng)臺(tái)應(yīng)著重考慮如下幾項(xiàng): 加速度波形失真、加速度豎向分量、臺(tái)面主振方向的加速度不均勻度、橫向加速度分量、背景噪聲和地震波再現(xiàn)能力。地震波的再現(xiàn)能力是振動(dòng)臺(tái)的一項(xiàng)重要技術(shù)指標(biāo)，但它在概念上比較籠統(tǒng)，沒有具體的標(biāo)準(zhǔn)，一般是通過臺(tái)面再現(xiàn)的波形和期望的波形進(jìn)行比較來判斷的。液壓驅(qū)動(dòng)

20、系統(tǒng)給振動(dòng)臺(tái)以巨大的推力，由電液伺服系統(tǒng)來驅(qū)動(dòng)液壓加載器，推動(dòng)臺(tái)面能在垂直軸或水平軸的 X和 Y 方向上產(chǎn)生相位受控的正弦運(yùn)動(dòng)或隨機(jī)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)地震模擬和波形再現(xiàn)的要求。為了克服地震模擬振動(dòng)臺(tái)的這些限制,振動(dòng)臺(tái)出現(xiàn)了2種發(fā)展趨勢(shì)。一種趨勢(shì)是建造超大型的地震模擬振動(dòng)臺(tái),即振動(dòng)臺(tái)的大型化。通過加大振動(dòng)臺(tái)的臺(tái)面尺寸，提高振動(dòng)臺(tái)的承載能力，以進(jìn)行大比例模型試驗(yàn)，甚至原型模型試驗(yàn),克服模型尺寸效應(yīng)的影響。振動(dòng)臺(tái)大型化的一個(gè)最典型的代表是日本科學(xué)技術(shù)廳( STA)和國(guó)立防災(zāi)科學(xué)技術(shù)研究所(N IED) 1998年開始建造的世界上最大的地震模擬振動(dòng)臺(tái)(圖4.4)。89計(jì)劃于2005年初建成，擁有進(jìn)行三向六自由

21、度試驗(yàn)的能力，振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面尺寸為15m 20m，最大的載重量為1 200 t，更詳細(xì)的情況可以登陸網(wǎng)站http: / /www. bosai. go. jp / sougou / sanjigen /3De / index. htm進(jìn)行了解。我國(guó)建筑科學(xué)研究院新建成的6m6m的三向六自由度地震模擬振動(dòng)臺(tái)，為國(guó)內(nèi)最大的地震模擬振動(dòng)臺(tái),也可以看作是大型化的一個(gè)例子 圖4.4 日本1200t原型試驗(yàn)振動(dòng)臺(tái)4.2 地震模擬振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)目前地震模擬振動(dòng)臺(tái)的數(shù)字控制基本都是采用數(shù)字迭代法。它是一種開環(huán)控制方法。數(shù)字迭代控制方法是每次驅(qū)動(dòng)振動(dòng)臺(tái)之后，將臺(tái)面再現(xiàn)結(jié)果與預(yù)期信號(hào)進(jìn)行比較，根據(jù)二者的差異對(duì)驅(qū)動(dòng)

22、信號(hào)進(jìn)行修正后再次驅(qū)動(dòng)振動(dòng)臺(tái)，再比較臺(tái)面再現(xiàn)結(jié)果與期望信號(hào)， 直到臺(tái)面再現(xiàn)結(jié)果滿足要求為止。這個(gè)具體的過程分三個(gè)步驟完成: 首先通過輸入、輸出信號(hào)建立系統(tǒng)的傳遞函數(shù)；其次由期望信號(hào)和傳遞函數(shù)重新計(jì)算輸入信號(hào)；第三重新檢驗(yàn)臺(tái)面的再現(xiàn)情況。振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)中采集數(shù)據(jù)需要許多傳感器和測(cè)試儀器，常用的傳感器有加速度計(jì) (測(cè)加速度響應(yīng) )、位移傳感器 (測(cè)相對(duì)或絕對(duì)位移 )、應(yīng)變片 (測(cè)應(yīng)變響應(yīng) )。數(shù)據(jù)的采集系統(tǒng)將反應(yīng)的時(shí)間歷程記錄下來，經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換送到數(shù)字計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)，進(jìn)行分析處理。振動(dòng)臺(tái)的數(shù)據(jù)處理比較容易進(jìn)行，因?yàn)楝F(xiàn)在振動(dòng)信號(hào)處理軟件必較多，可以應(yīng)用軟件方便的求出試件響應(yīng)的頻譜、均值、方差等，然后根據(jù)結(jié)果

23、分析畫圖。10地震模擬振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)的加載過程包括結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性、地震動(dòng)力反應(yīng)試驗(yàn)和量測(cè)結(jié)構(gòu)不同工作階段自振特性變化等試驗(yàn)內(nèi)容。對(duì)于結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性試驗(yàn)，在模型安裝振動(dòng)臺(tái)前后均可采用自由振動(dòng)法或脈動(dòng)法進(jìn)行試驗(yàn)量測(cè)。也可以用正弦波輸入的連續(xù)掃頻，通過共振法測(cè)得模型的動(dòng)力特性。根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康牟煌?，在選擇和設(shè)計(jì)振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面輸入加速度時(shí)程曲線后，試驗(yàn)的加載過程有一次加載和多次加載。一次加載，輸入一個(gè)適當(dāng)?shù)牡卣鹩涗洠B續(xù)地記錄位移、速度、加速度、應(yīng)變等動(dòng)力反應(yīng)，并觀察裂縫的形成和發(fā)展過程用以，研究結(jié)構(gòu)在彈性、彈塑性和破壞階段的各種性能。特點(diǎn)是可以連續(xù)模擬結(jié)構(gòu)在一次強(qiáng)烈地震中的整個(gè)表現(xiàn)和反應(yīng)，但對(duì)試驗(yàn)過程中的量測(cè)和觀察

24、要求過高，破壞階段的觀測(cè)比較危險(xiǎn)。因此，沒有足夠經(jīng)驗(yàn)的情況下很少采用這種加載方法；多次加載，目前，在地震模擬振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)中，大多數(shù)的研究者均采用此種方法進(jìn)行試驗(yàn)。一般情況為: 動(dòng)力特性試驗(yàn)；振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面輸入運(yùn)動(dòng)，使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生微裂縫；加大臺(tái)面輸入運(yùn)動(dòng)，使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生中等程度的開裂；加大臺(tái)面輸入加速度幅值，結(jié)構(gòu)振動(dòng)使其主要部位產(chǎn)生破壞，但結(jié)構(gòu)還有一定的承載能力；繼續(xù)加大臺(tái)面運(yùn)動(dòng)，使結(jié)構(gòu)變?yōu)闄C(jī)動(dòng)體系，稍加荷載就會(huì)發(fā)生破壞倒塌。4.3 地震模擬振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)優(yōu)點(diǎn)振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)是目前所有試驗(yàn)方中最為直接的試驗(yàn)方法，在試驗(yàn)中能詳細(xì)地了解結(jié)構(gòu)在大震作用下的抗震性能，對(duì)構(gòu)件的破壞機(jī)理有直觀的了解。另外，振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)往往是

25、評(píng)估新型結(jié)構(gòu)、超限結(jié)構(gòu)以及具有隔震、減震裝置結(jié)構(gòu)等抗震性能的重要手段。對(duì)于大跨橋梁、大跨建筑物及管道線還需要用振動(dòng)臺(tái)臺(tái)陣來研究基于多點(diǎn)地震波輸入下的抗震性能。振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)是目前并可能在將來的一段時(shí)間內(nèi)解決結(jié)構(gòu)在地震作用下的非線性反應(yīng)和倒塌機(jī)理比較有效的手段。115 擬動(dòng)力試驗(yàn)擬動(dòng)力試驗(yàn) ( pseudo- dynam ic testing) 又稱計(jì)算機(jī)-加載器聯(lián)機(jī)試驗(yàn)， 是將計(jì)算機(jī)的計(jì)算和控制與結(jié)構(gòu)有機(jī)的結(jié)合在一起的試驗(yàn)方法， 即用試驗(yàn)方法和數(shù)值積分方法相結(jié)合的方式進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗震試驗(yàn)。5.1擬動(dòng)力試驗(yàn)原理及其適用范圍擬動(dòng)力試驗(yàn)適用于混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)、砌體結(jié)構(gòu)、組合結(jié)構(gòu)的模型試體在靜力試驗(yàn)臺(tái)上，模

26、擬實(shí)施地震動(dòng)力反應(yīng)的抗震性能試驗(yàn)。擬動(dòng)力試驗(yàn)的原理是:根據(jù)數(shù)值化的典型地震加速度記錄時(shí)程曲線，取某一時(shí)刻的地震加速度值和試驗(yàn)中前一時(shí)刻加載后實(shí)測(cè)的結(jié)構(gòu)恢復(fù)力，用逐步積分振動(dòng)方程的動(dòng)力反應(yīng)分析方法計(jì)算出該時(shí)刻結(jié)構(gòu)試體的地震反應(yīng)位移，并對(duì)結(jié)構(gòu)試體施加此位移，實(shí)現(xiàn)該時(shí)刻結(jié)構(gòu)試體的地震反應(yīng)；實(shí)測(cè)此時(shí)的結(jié)構(gòu)恢復(fù)力，按地震過程取下一時(shí)刻的地震加速度值，進(jìn)行該時(shí)刻結(jié)構(gòu)試體地震反應(yīng)位移計(jì)算，再將位移施加到結(jié)構(gòu)試體上。如此逐時(shí)刻反復(fù)實(shí)現(xiàn)計(jì)算位移一施加位移一實(shí)測(cè)結(jié)構(gòu)恢復(fù)力一再計(jì)算位移的循環(huán)過程，即模擬了結(jié)構(gòu)試體在地震中的實(shí)際動(dòng)態(tài)反應(yīng)過程如圖5.1。12 圖5.1 擬動(dòng)力試驗(yàn)原理圖擬動(dòng)力試驗(yàn)的目的是希望能夠真實(shí)的模

27、擬地震動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)的作用， 此法的關(guān)鍵是結(jié)構(gòu)的恢復(fù)力特性不再來自數(shù)學(xué)模型， 而是直接從被試驗(yàn)結(jié)構(gòu)上實(shí)時(shí)測(cè)取。擬動(dòng)力試驗(yàn)按照試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷淖杂啥?，分為單自由度、等效單自由度、有限自由度體系擬動(dòng)力試驗(yàn)；擬動(dòng)力試驗(yàn)研究的對(duì)象有構(gòu)件、子結(jié)構(gòu)體系和整體結(jié)構(gòu)，對(duì)原結(jié)構(gòu)或原結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行的擬動(dòng)力試驗(yàn)稱為全結(jié)構(gòu)擬動(dòng)力試驗(yàn)，對(duì)部分結(jié)構(gòu)或部分結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行的擬動(dòng)力試驗(yàn)稱為子結(jié)構(gòu)擬動(dòng)力試驗(yàn)； 擬動(dòng)力試驗(yàn)方法主要包括: 多質(zhì)點(diǎn)試驗(yàn)、等效單質(zhì)點(diǎn)試驗(yàn)和子結(jié)構(gòu)試驗(yàn)。由于儀表等待度的限制，采用多質(zhì)點(diǎn)試驗(yàn)方法進(jìn)行試驗(yàn)， 則難度較大；至于子結(jié)構(gòu)試驗(yàn)，目前試驗(yàn)條件尚不成熟; 加載方式有單自由度體系、等效單自由度和多自由度體系; 采用數(shù)值積分方

28、法有線性加速度法、中央差分法、隱式無條件穩(wěn)定的方法。結(jié)構(gòu)擬動(dòng)力試驗(yàn)可以進(jìn)行大規(guī)模、大比例模型，甚至是結(jié)構(gòu)原型的抗震試驗(yàn).同時(shí)，由于試驗(yàn)過程中加載是逐步進(jìn)行的，這樣可詳細(xì)地觀察結(jié)構(gòu)的破壞過程。與振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)相比，擬動(dòng)力試驗(yàn)的缺點(diǎn)是不能真實(shí)地反映出結(jié)構(gòu)動(dòng)力反應(yīng)的時(shí)間效應(yīng)，因?yàn)閿M動(dòng)力試驗(yàn)中所得到的速度和加速度是計(jì)算出來的，而不是實(shí)測(cè)的。按試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷淖杂啥?，將結(jié)構(gòu)擬動(dòng)力試驗(yàn)分為單自由度、等效單自由度和有限自由度體系擬動(dòng)力試驗(yàn)。對(duì)原結(jié)構(gòu)或原結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行的擬動(dòng)力試驗(yàn)稱為全結(jié)構(gòu)擬動(dòng)力試驗(yàn)；對(duì)部分結(jié)構(gòu)或部分結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行的擬動(dòng)力試驗(yàn)稱為子結(jié)構(gòu)擬動(dòng)力試驗(yàn)。結(jié)構(gòu)在地震作用下將產(chǎn)生破壞，但破壞往往只發(fā)生在結(jié)構(gòu)的某些部位

29、或構(gòu)件上，其它部分仍處于完好或基本完好狀態(tài)，所以將容易破壞的具有復(fù)雜非線性特性的這部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行試驗(yàn)，而其余處于線彈性狀態(tài)的結(jié)構(gòu)部分用計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算模擬，被試驗(yàn)的結(jié)構(gòu)部分和計(jì)算機(jī)模擬部分在一個(gè)整體結(jié)構(gòu)動(dòng)力方程中得到統(tǒng)一。用于試驗(yàn)的結(jié)構(gòu)部分稱為試驗(yàn)子結(jié)構(gòu)，其余由計(jì)算機(jī)模擬的結(jié)構(gòu)部分稱為計(jì)算子結(jié)構(gòu)，整體結(jié)構(gòu)由試驗(yàn)子結(jié)構(gòu)和計(jì)算子結(jié)構(gòu)兩部分組成，它們共同形成整體結(jié)構(gòu)的動(dòng)力方程。由于試驗(yàn)子結(jié)構(gòu)的恢復(fù)力呈復(fù)雜的非線性特征，理論上難以處理，因此直接由試驗(yàn)獲得；而計(jì)算子結(jié)構(gòu)處于線彈性范圍，恢復(fù)力呈簡(jiǎn)單的線性特征，因此由計(jì)算機(jī)進(jìn)行模擬。按試驗(yàn)控制方法，又將結(jié)構(gòu)擬動(dòng)力試驗(yàn)分為位移控制擬動(dòng)力試驗(yàn)和力控制擬動(dòng)力試驗(yàn)。位

30、移控制擬動(dòng)力試驗(yàn)方法比較成熟，采用較多。對(duì)于剛度大、位移反應(yīng)小的試驗(yàn)?zāi)Ｐ投嗖捎昧刂品椒āＴ谠囼?yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)入恢復(fù)力特性曲線的下降段之前，兩種控制方法無本質(zhì)區(qū)別，但進(jìn)入下降段之后，采用力控制方式進(jìn)力試驗(yàn)無法實(shí)現(xiàn)。135.2 擬動(dòng)力試驗(yàn)優(yōu)點(diǎn)擬動(dòng)力抗震試驗(yàn)方法優(yōu)點(diǎn)如下:1)在試驗(yàn)過程中結(jié)構(gòu)的恢復(fù)力為實(shí)測(cè)值，能夠比較準(zhǔn)確地反映結(jié)構(gòu)在地震作用下的真實(shí)受力和變形狀態(tài)，緩慢地再現(xiàn)地震時(shí)的結(jié)構(gòu)反應(yīng)，并可細(xì)致地觀察地震作用下引起結(jié)構(gòu)破壞的全過程。2)由于擬動(dòng)力試驗(yàn)相對(duì)降低了對(duì)作動(dòng)筒油速的要求，能進(jìn)行大比例模型或足尺結(jié)構(gòu)試驗(yàn)，從而能較好的模擬結(jié)構(gòu)的細(xì)部構(gòu)造。3)擬動(dòng)力子結(jié)構(gòu)技術(shù)的出現(xiàn)，使大型結(jié)構(gòu)的抗震試驗(yàn)更加經(jīng)濟(jì)合理

31、:從震害的角度看，結(jié)構(gòu)在地震作用下的破壞往往都是局部的，結(jié)構(gòu)的倒塌也是由于局部的嚴(yán)重破壞引起的，最需要研究的也就是發(fā)生破壞的局部，這樣我們就可以將結(jié)構(gòu)中最容易破壞的部分進(jìn)行試驗(yàn)，其余基本完好的結(jié)構(gòu)部分由計(jì)算機(jī)模擬。145.3 擬動(dòng)力試驗(yàn)缺點(diǎn)盡管擬動(dòng)力試驗(yàn)方法本身還有許多方面正在不斷發(fā)展和完善, 諸如:只適用可作離散質(zhì)量分布假定的結(jié)構(gòu);地震波的選擇對(duì)試驗(yàn)結(jié)果有較大影響;準(zhǔn)靜態(tài)的試驗(yàn)方式;多自由度體系試驗(yàn)中不同作動(dòng)器相互間的影響, 模型結(jié)構(gòu)剛度的耦合造成的誤差等。但是到目前為止的研究表明, 擬動(dòng)力試驗(yàn)方法是進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗震試驗(yàn)十分有力且適用面廣的方法。日本、美國(guó)及其他地方的驗(yàn)證性試驗(yàn)已證明, 擬動(dòng)力試

32、驗(yàn)方法是可靠的, 并可獲得準(zhǔn)確的結(jié)果, 在模擬大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的試驗(yàn)研究中, 擬動(dòng)力試驗(yàn)方法是當(dāng)前最強(qiáng)有力的試驗(yàn)方法, 而且隱式數(shù)值積分方法與子結(jié)構(gòu)的結(jié)合使擬動(dòng)力試驗(yàn)的應(yīng)用領(lǐng)域從最初的研究結(jié)構(gòu)本身擴(kuò)展到研究土-結(jié)構(gòu)相互作用、土層地震反應(yīng)分析、橋梁結(jié)構(gòu)、多維多點(diǎn)地震輸入和設(shè)備抗震等方面。146 試驗(yàn)對(duì)象抗震性能及抗震能力的評(píng)定抗震能力是指結(jié)構(gòu)抵抗地震的能力，抗震性能的研究側(cè)重于不同構(gòu)件間性能的比較。根據(jù)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范，建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)具有“小震不壞、中震可修、大震不倒”的抗震能力。通過結(jié)構(gòu)抗震試驗(yàn)可獲得一系列的指標(biāo)，這些指標(biāo)可用來評(píng)定結(jié)構(gòu)的抗震性能、抗震能力的優(yōu)劣，現(xiàn)以擬靜力試驗(yàn)為例來說明這些指標(biāo)的

33、應(yīng)用。（1）強(qiáng)度把擬靜力試驗(yàn)的p-曲線（荷載-位移曲線）每次循環(huán)的峰點(diǎn)（開始卸載點(diǎn)）連接起來即得構(gòu)件的骨架曲線。從骨架曲線上可以獲得試驗(yàn)對(duì)象的開裂強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、極限強(qiáng)度。建筑結(jié)構(gòu)的抗震強(qiáng)度高表明其具有較高的吸收能量和耗散能量的能力。（2）剛度結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)將隨著結(jié)構(gòu)剛度的變化而變化，從擬靜力試驗(yàn)的p-曲線中可以看到，隨著位移的加大和加載周次的增加，試驗(yàn)對(duì)象的剛度不斷退化。在試驗(yàn)對(duì)象的p-曲線上可獲得加載剛度、卸載剛度、反向加載剛度和卸載剛度以及重復(fù)加載剛度等指標(biāo)。（3）滯回曲線形狀通過擬靜力試驗(yàn)確定的各種構(gòu)件的恢復(fù)力特性中，我們可以獲知構(gòu)件的滯回環(huán)大致可分為四種：梭形圖6.1(a)、弓形圖6

34、.1(b)、反S形圖6.1(c)和Z形圖6.1(d)。不同的滯回環(huán)形狀對(duì)應(yīng)不同的破壞類型。受彎構(gòu)件、偏壓構(gòu)件、壓彎構(gòu)件的滯回環(huán)形狀為梭形。彎剪構(gòu)件和偏壓剪構(gòu)件的滯回環(huán)形狀為弓形，反映了主筋在混凝土中一定的滑移影響。梁柱節(jié)點(diǎn)和剪力墻的滯回環(huán)形狀為反S 形，反映了較多滑移的影響。錨固鋼筋有較大滑移的構(gòu)件的滯回環(huán)形狀為Z 形，反映了大量滑移的影響。圖6.1 滯回環(huán)形狀（4）能量耗散進(jìn)行擬靜力試驗(yàn)可獲取試驗(yàn)對(duì)象的滯回曲線，滯回曲線包圍的滯回環(huán)面積和其形狀可用來衡量試驗(yàn)對(duì)象吸收能量的好壞。（5）延性系數(shù)構(gòu)件在破壞階段的變形能力稱為延性， 延性是衡量結(jié)構(gòu)抗震性能、抗震能力的重要指標(biāo)，對(duì)于抗震結(jié)構(gòu)來說，延性

35、好的結(jié)構(gòu)進(jìn)入塑性變形階段后，可以減緩地震響應(yīng)。變形能力的大小一般用延性系數(shù)來表示，見下式。= uy。其中：u為極限位移，y為屈服位移。（6）退化率退化率是指對(duì)試驗(yàn)對(duì)象的位移進(jìn)行控制進(jìn)行低周等幅反復(fù)加載時(shí)，每施加一周荷載后強(qiáng)度或剛度降低的速率。退化率較小時(shí)表明試驗(yàn)對(duì)象承受反復(fù)作用的能力較強(qiáng)， 亦即試驗(yàn)對(duì)象具有較大的耗能能力。7 結(jié)語近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，結(jié)構(gòu)抗震試驗(yàn)方法也得到了很大的發(fā)展，在傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)抗震試驗(yàn)方法的基礎(chǔ)上，出現(xiàn)了一些新的試驗(yàn)方式和方法。(1)擬靜力試驗(yàn)：結(jié)構(gòu)抗震靜力試驗(yàn)是結(jié)構(gòu)抗震試驗(yàn)的重要組成部分，它的最大特點(diǎn)是設(shè)備比較簡(jiǎn)單，在逐步加載中可以讓試驗(yàn)人員有機(jī)會(huì)看清破壞的過程。對(duì)于那些要求不高的結(jié)構(gòu)來說，結(jié)構(gòu)抗震靜力試驗(yàn)已經(jīng)能夠達(dá)到所要的精度。在很長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)，結(jié)構(gòu)抗震靜力試驗(yàn)還是人們研究結(jié)構(gòu)抗震性能的主要試驗(yàn)手段。(2) 地震模擬振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn):大型的振動(dòng)臺(tái)設(shè)備或多臺(tái)中小型振動(dòng)臺(tái)形成的振動(dòng)臺(tái)臺(tái)陣都可以進(jìn)行原型或大比例模型試驗(yàn)，同時(shí)振動(dòng)臺(tái)陣還可以考慮地面的不均勻運(yùn)動(dòng)的影響，必將大大提高人們對(duì)結(jié)構(gòu)抗震性能的認(rèn)識(shí)水平。(3)擬動(dòng)力試驗(yàn)：上述各個(gè)方面的討論表明，擬動(dòng)力試驗(yàn)方法正在不斷地發(fā)展和完善，但是在模擬大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的試驗(yàn)研究