擬靜力試驗(yàn)調(diào)研報(bào)告

1、理工大學(xué)國防工程學(xué)院攻讀碩士學(xué)位研究生 讀 書 報(bào) 告學(xué) 號 姓 名 學(xué)科、專業(yè)防災(zāi)減災(zāi)工程與防護(hù)工程研究方向指導(dǎo)教師 1.擬靜力試驗(yàn)應(yīng)用綜述擬靜力試驗(yàn)(quasi-static test) 也稱偽靜力試驗(yàn)或低周反復(fù)加載試驗(yàn)，是結(jié)構(gòu)抗震試驗(yàn)的一種，也是目前結(jié)構(gòu)或構(gòu)件性能研究中應(yīng)用最廣泛的試驗(yàn)方法。這種試驗(yàn)方法是在20世紀(jì)6070年代基于結(jié)構(gòu)非線性地震反應(yīng)分析的要求提的，其根本目的是對結(jié)構(gòu)在荷載作用下的基本性能進(jìn)行深入的研究，進(jìn)而建立恢復(fù)力模型和承載力計(jì)算公式，探討結(jié)構(gòu)的破壞機(jī)制，并改進(jìn)結(jié)構(gòu)的抗震構(gòu)造措施。除擬靜力試驗(yàn)，結(jié)構(gòu)抗震實(shí)驗(yàn)還包括地震模擬振動(dòng)臺實(shí)驗(yàn)、擬動(dòng)力實(shí)驗(yàn)。地震模擬振動(dòng)臺實(shí)驗(yàn)最能真實(shí)

2、再現(xiàn)結(jié)構(gòu)地震動(dòng)和結(jié)構(gòu)反應(yīng),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。但由于臺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,導(dǎo)致地震作用破壞形態(tài)的失真。擬動(dòng)力試驗(yàn)與擬靜力試驗(yàn)實(shí)驗(yàn)設(shè)備相同，但擬動(dòng)力試驗(yàn)中已經(jīng)通過數(shù)值方法考慮了慣性力和阻尼力的影響,試驗(yàn)結(jié)果比較能代表結(jié)構(gòu)的真實(shí)地震反應(yīng)。與以上兩種試驗(yàn)相比，雖然擬靜力試驗(yàn)不能模擬結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)過程但其具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）加載速率較低，由加載速率引起的應(yīng)力、應(yīng)變速率對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響可以忽略；（2）試驗(yàn)過程可以隨時(shí)停下來觀察結(jié)構(gòu)的開裂的破壞狀態(tài)；便于檢驗(yàn)校核試驗(yàn)數(shù)據(jù)和儀器的工作情況，

3、并可按試驗(yàn)需要修正和改變加載歷程；（3）可以最大限度的測試試件在荷載作用下的基本表現(xiàn)，如： 恢復(fù)力模型：通過實(shí)驗(yàn)所得的滯回曲線求得結(jié)構(gòu)的等效阻尼比，衡量結(jié)構(gòu)的耗能能力，同時(shí)還可得到骨架曲線，結(jié)構(gòu)的初始剛度及剛度退化等參數(shù)。 性能判定：判斷試件的強(qiáng)度、剛度、變形、延性等。 破壞機(jī)制：通過實(shí)驗(yàn)研究結(jié)構(gòu)構(gòu)件的破壞機(jī)制及抗震性能。對大型結(jié)構(gòu)來說，足尺試驗(yàn)是必須的，為克服大型結(jié)構(gòu)在室內(nèi)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)的各種我們選取重要的結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行擬靜力試驗(yàn)，以獲取用于計(jì)算機(jī)分析的數(shù)學(xué)模型。2.擬靜力試驗(yàn)系統(tǒng)組成及要求擬靜力試驗(yàn)系統(tǒng)主要用于安裝于反力墻或反力架上，對大型構(gòu)件進(jìn)行加載試驗(yàn)。主要包含作動(dòng)器、液壓泵站、協(xié)調(diào)加載控制

4、系統(tǒng)。加載過去在實(shí)驗(yàn)室中,擬靜力實(shí)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,實(shí)驗(yàn)加載過程不容易控制,往往造成數(shù)據(jù)測量不穩(wěn)定、不準(zhǔn)確,實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析困難?，F(xiàn)在多采用電液伺服加載系統(tǒng)進(jìn)行構(gòu)件的加載。伺服控制系統(tǒng)是物體的方位、狀態(tài)等輸出被控制量能跟隨輸入值的變化而變化的自動(dòng)控制系統(tǒng)。而伺服加載系統(tǒng)一方面以計(jì)算機(jī)發(fā)出的電信號指令為標(biāo)準(zhǔn)，控制伺服閥；另一方面，由傳感器檢測出的試件的某一力學(xué)參量轉(zhuǎn)換為電信號，與設(shè)定的電參量比較，將得出的差值信號放大后控制電液伺服閥；兩方面共同作用控制油源的輸出油量從而實(shí)現(xiàn)對作動(dòng)器的控制。完成擬靜力加載試驗(yàn)的作動(dòng)器的工作頻率一般小于5Hz，最大

5、靜載可達(dá)1000k或500kN。作動(dòng)器兩端安裝旋轉(zhuǎn)支座，通過支座球形支承及予負(fù)荷調(diào)節(jié)機(jī)以消除間隙，減少摩擦，而不影響其自由度。在作動(dòng)器中安裝有力傳感器和位移傳感器，能精確測量活塞施加荷載及其位移?？刂葡到y(tǒng)實(shí)驗(yàn)過程中數(shù)據(jù)采集發(fā)展趨勢是自動(dòng)化和智能化, 計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集已經(jīng)成為主流, 這不僅提高了實(shí)驗(yàn)的精度, 而且在實(shí)驗(yàn)過程中可以實(shí)時(shí)處理有關(guān)量測數(shù)據(jù)?？刂葡到y(tǒng)控制加載主要有三種方式：l 位移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。常以屈服位移或最大層間位移的某一百分比來控制加載，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，該控制方式是

6、目前抗震恢復(fù)特性實(shí)驗(yàn)中使用最普遍的一種加載方控制方案。當(dāng)實(shí)驗(yàn)對象具有明確屈服點(diǎn)時(shí)，一般都以屈服位移的倍數(shù)為控制值。當(dāng)沒有明確的屈服點(diǎn)（如軸力大的柱）或無屈服點(diǎn)時(shí)（如無筋砌體），則由研究者主觀制定一個(gè)認(rèn)為恰當(dāng)?shù)奈灰茦?biāo)準(zhǔn)值來控制實(shí)驗(yàn)加載。l 力控制加載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, 由于必須事先對實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)的承載力進(jìn)行估算，根據(jù)估算的承載力分級控制加載量，又試件屈服后難以控制加載的力, 所以這種加載方式較少單獨(dú)使用。l 力-位移混合控制加載力- 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。建筑抗震試驗(yàn)方法規(guī)程規(guī)定：試件屈服前，應(yīng)采用荷載控

7、制并分級加載，接近開裂和屈服荷載前宜減小級差加載；試件屈服后應(yīng)采用變形控制，變形值應(yīng)取屈服時(shí)試件的最大位移值，并以該位移的倍數(shù)為級差進(jìn)行控制加載；施加反復(fù)荷載的次數(shù)應(yīng)根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康拇_定，屈服前每級可反復(fù)一次，屈服后宜反復(fù)三次。 液壓泵站液壓泵站是試驗(yàn)動(dòng)力的提供者，主要由油泵電機(jī)組，油箱，油源冷卻裝置，電控系統(tǒng)，液壓附件和子站及管路組成。液壓能源的壓力和流量應(yīng)滿足系統(tǒng)負(fù)載所需要的壓力和流量，同時(shí)又不能造成能量及設(shè)備的浪費(fèi)。當(dāng)液壓能源的壓力-流量特性曲線完全包圍負(fù)載壓力-流量曲線并留有一定余量時(shí)，能源裝置選擇就是合理的。根據(jù)作動(dòng)器最大靜載及數(shù)量，該液壓泵站應(yīng)具備五組油泵電機(jī)組，由柔性聯(lián)軸節(jié)與電機(jī)連接

8、，并根據(jù)作動(dòng)器數(shù)量和試驗(yàn)要求選擇開啟的數(shù)量。油源可以直接選擇500L/min的較高供油壓力，好處是:在相同的輸出功率時(shí)，由于壓力高，流量小，可以減小部件的尺寸和重量，使液壓裝置結(jié)構(gòu)緊湊，有利于提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，也可以選擇選擇較200L/min的低供油壓力需要結(jié)合蓄能器進(jìn)行運(yùn)作。 蓄能器是液壓系統(tǒng)中的常用輔助元件，其主要作用是：l 作為輔助動(dòng)力源，常在間歇性操作工況的液壓系統(tǒng)中采用。 當(dāng)液壓泵的供給流量大于系統(tǒng)的需要而有富余時(shí)，蓄能器把多余的油液暫時(shí)儲存起來，當(dāng)液壓泵的供油不足以維持系統(tǒng)需要時(shí)，蓄能器和液壓泵共同向系統(tǒng)供油，以滿足系統(tǒng)流量所需，從而實(shí)現(xiàn)降低液壓泵的驅(qū)動(dòng)功率，降低設(shè)備運(yùn)行成本，降

9、低噪聲。另一方面，用于提高液壓系統(tǒng)的安全性和可靠性，一旦發(fā)生故障或停電時(shí)還 可以作為應(yīng)急動(dòng)力源，避免事故發(fā)生。l 保持恒壓，當(dāng)實(shí)驗(yàn)要求壓力長時(shí)間保持不變，直接用液壓泵來保持恒壓是不經(jīng)濟(jì)的，需要蓄能器提供能量保持恒壓；當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生內(nèi)漏時(shí)，蓄能器也可以補(bǔ)充供油，保持壓力穩(wěn)定。面對當(dāng)今越來越高的試驗(yàn)要求，采用蓄能器作為輔助油源是有必要的。除以上要求，液壓泵站有以下注意事項(xiàng)：l 系統(tǒng)需要嚴(yán)格控制油液溫度保持在20-50，因此需要安裝冷卻裝置；l 為保證裝置使用年限，需要強(qiáng)化油源的污染控制及污染耐受度；l 電控系統(tǒng)需要有完善的過載、溫度過限、管道阻塞報(bào)警及停機(jī)保護(hù)功能。 浙江大學(xué)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室擬靜力加載設(shè)備為

10、保證主設(shè)備正常工作，用來冷卻油源的冷卻塔放在屋頂，通過管道接入地下室，控制室位于一樓大廳遠(yuǎn)離反力墻的地方。油源設(shè)備較大，東南大學(xué)、西南交通大學(xué)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室將油源放置在地下室，在反力墻附近開洞由軟管輸出能量。圖1 西南交通大學(xué)油源圖2 東南大學(xué)油管口3.擬靜力試驗(yàn)加載方式擬靜力試驗(yàn)加載裝置應(yīng)滿足不同結(jié)構(gòu)試件的試驗(yàn)要求，提供與實(shí)際結(jié)構(gòu)受力情況盡可能一致的模擬邊界條件。幾種比較典型的加載方式如下：梁式構(gòu)件試驗(yàn)裝置梁式受彎構(gòu)件在低周反復(fù)荷載試驗(yàn)后，塑性鉸一般出現(xiàn)在荷載作用點(diǎn)的左右兩側(cè)。因此結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)裝置需要滿足支座上下簡支，左右可實(shí)現(xiàn)縱向變形，因此采用一端鉸接，一端滾動(dòng)。一臺作動(dòng)器在梁中央施加反復(fù)荷載。如

11、圖3圖3墻體構(gòu)件實(shí)驗(yàn)裝置受彎剪墻體在承受荷載過程中只在頂部產(chǎn)生水平位移而不產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)，由傳力桿控制荷載傳遞，底部采用剛接以實(shí)現(xiàn)邊界條件。墻體上部采用千斤頂與分配梁共同作用實(shí)現(xiàn)加載。圖4 圖4墻體均布荷載及側(cè)向荷載也可同時(shí)由L型鋼梁實(shí)現(xiàn)，如圖5：圖5柱構(gòu)件實(shí)驗(yàn)裝置水平向采用L型鋼梁，始終保持橫梁保持水平狀態(tài)，作動(dòng)器作用在L型梁短邊，試件的1/2高度處，進(jìn)一步傳遞至柱頂?？蚣苤隙瞬话l(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，反彎點(diǎn)位于框架柱的中點(diǎn)。此裝置常用于進(jìn)行考慮剪切效應(yīng)的框架柱擬靜力試驗(yàn)。圖6圖6該裝置能較好的模擬出真實(shí)的剪切受力狀態(tài)，但也存在一系列問題：行四邊形連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)在整個(gè)裝置中很重要，目前大部分試驗(yàn)裝置的平行四邊

12、形連桿機(jī)構(gòu)要求安裝在L型鋼梁和靜力臺座中的槽道上，這使杠桿水平尺寸較長，相應(yīng)也需要較大的地面場地；平行四邊形連桿機(jī)構(gòu)的尺寸也很大，連桿剛度要求較高，連接鉸間隙和摩擦問題也較突出；連桿機(jī)構(gòu)的拆卸工作也較麻煩。針對這一系列問題，西安建筑科技大學(xué)結(jié)構(gòu)與抗震重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室張興虎等在壓彎試驗(yàn)裝置的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種套多功能擬靜力試驗(yàn)裝置，如圖7所示：圖7該裝置重新布置平行四邊形連桿裝置，使得該擬靜力試驗(yàn)裝置安裝簡單，靈活性強(qiáng)，不再額外占用試驗(yàn)場地；可以自由拆卸、組裝，可以選擇安裝或不安裝，且其可水平或豎向安裝，以滿足不同試驗(yàn)要求，達(dá)到輕松、便捷地實(shí)現(xiàn)剪切型試驗(yàn)裝置與壓彎型試驗(yàn)裝置的轉(zhuǎn)換。框架節(jié)點(diǎn)及梁柱節(jié)點(diǎn)裝置

13、I柱上下兩端安裝有鉸支座，柱頂有液壓加載器加載軸向荷載，不能產(chǎn)生水平位移，但能自由轉(zhuǎn)動(dòng)，模擬結(jié)構(gòu)柱的反彎點(diǎn)；梁端反彎點(diǎn)為自由端，在梁端施加低周反對稱反復(fù)荷載，需要兩個(gè)或四個(gè)作動(dòng)器同時(shí)作用。圖8圖8結(jié)構(gòu)變形如圖9所示：圖9框架節(jié)點(diǎn)及梁柱節(jié)點(diǎn)裝置II柱上端可以產(chǎn)生水平位移也可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)柱上端產(chǎn)生水平位移時(shí)，安裝在柱上端的千斤頂施加豎向力對柱產(chǎn)生附加彎矩（即結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和分析中的二階效應(yīng)）；節(jié)點(diǎn)兩側(cè)梁的反彎點(diǎn)均為水平可移動(dòng)的鉸；試驗(yàn)時(shí)，對試驗(yàn)架施加低周反復(fù)水平荷載，僅需一臺作動(dòng)器。圖9圖10結(jié)構(gòu)變形如圖11所示：圖11在以上加載模型中，無論是壓彎型構(gòu)件還是剪切型構(gòu)件，均需要對其施加豎向荷載以模擬現(xiàn)實(shí)

14、存在的軸向力。通常情況下，所施加的豎向荷載要求恒定不變且可以隨著試件的側(cè)移而側(cè)移，即豎向加載裝置不能和試件頂部發(fā)生相對滑移。國內(nèi)有一些科研機(jī)構(gòu)采用液壓伺豎向加載系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)豎向力恒定的目標(biāo)，但也存在較大問題。首先，液壓伺服系統(tǒng)要求長期開放能量源且試驗(yàn)過程中不能中斷，這就造成了大量的電力損耗。其次，液壓伺服系統(tǒng)的豎向力施加方式主要采用荷載控制，荷載控制在試件處于彈性階段表現(xiàn)較好，而一旦試件處于彈塑性階段尤其是接近破壞時(shí)，荷載步幅將難以控制，很容易出現(xiàn)豎向力失控，加速試件的破壞，造成失真的試驗(yàn)結(jié)果。西安建筑科技大學(xué)結(jié)構(gòu)與抗震重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室張興虎等根據(jù)豎向荷載施加的目標(biāo)，自行設(shè)計(jì)、加工了一套豎向

15、穩(wěn)壓加載系統(tǒng)。該系統(tǒng)的豎向加載由液壓千斤頂來完成，千斤頂頂部自帶有球鉸，通過水平滾動(dòng)支座與反力梁相連，確保試驗(yàn)過程中試件頂部既能產(chǎn)坐水平位移，同時(shí)又能自由轉(zhuǎn)動(dòng)，保持相對均勻的軸壓，利用滾動(dòng)支座實(shí)現(xiàn)約2%的穩(wěn)定摩擦系數(shù)。液壓千斤頂?shù)膬?yōu)點(diǎn)是節(jié)約能源、操作方便，但相對于液壓伺服加載系統(tǒng)精度稍低。荷載穩(wěn)定控制采用杠桿放大式穩(wěn)壓試驗(yàn)裝置，如圖所示，實(shí)際試驗(yàn)時(shí)油管連接試驗(yàn)千斤頂和試件。該裝置利用杠桿放大及等壓原理，并設(shè)計(jì)了杠桿和油壓的兩級放大。圖12圖124.當(dāng)前面臨的主要問題及擬解決辦法 現(xiàn)有擬靜力試驗(yàn)的加載主要是單點(diǎn)或多點(diǎn)一維、二維平面加載，試驗(yàn)系統(tǒng)在加載方式多樣化、多維加載的相應(yīng)理論及具體操作方面仍

16、有亟待改進(jìn)和發(fā)展的地方。如果能夠較好的解決平面加載的問題，對結(jié)構(gòu)在爆炸沖擊荷載作用下結(jié)構(gòu)構(gòu)件基本性能研究，恢復(fù)力模型、承載力計(jì)算公式建立，結(jié)構(gòu)的破壞機(jī)制探討，都會產(chǎn)生積極作用。 多維擬靜力實(shí)驗(yàn)比較復(fù)雜，一方面多維理論方面的研究工作進(jìn)展比較緩慢，另一方面實(shí)驗(yàn)設(shè)備、設(shè)施較少，加載規(guī)則非常多，實(shí)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)器的加載位置難以確定；并且控制模式的選擇、特別是控制模式的轉(zhuǎn)換條件很難確定；測量結(jié)果與傳感器的測量位置等均有密切關(guān)系，實(shí)驗(yàn)加載控制比較困難。因此，多維擬靜力實(shí)驗(yàn)進(jìn)行的比較少。多為擬靜力試驗(yàn)也是需要研究與努力的方向。 混凝土受彎構(gòu)件抗剪性能研究絕大多數(shù)采用簡支梁集中加載或均布加載的 方案，這與在水平荷載下混凝土受彎構(gòu)件受力性能不一致，因此類似在加載過程中，模擬構(gòu)件在結(jié)構(gòu)中受力狀態(tài)也需要進(jìn)一步研究。5.小結(jié)綜上所述，擬靜力試驗(yàn)系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展的比較成熟，是各大高校常備試驗(yàn)系統(tǒng)，雖然其已經(jīng)在抗震試驗(yàn)及設(shè)計(jì)改進(jìn)方面發(fā)揮了巨大作用，但仍有很大發(fā)展改進(jìn)空間。后續(xù)的研究工作將集中在解決平面加載的實(shí)現(xiàn)問題，尋求較為合適的加載方案，希望能夠獲得較好的模擬效果。參考文獻(xiàn):1 周明華，土木工程結(jié)構(gòu)試驗(yàn)與檢測M.南京：東南大學(xué)出版社，2002.2 焦秀平，結(jié)構(gòu)抗震的試驗(yàn)方法，甘肅科技，20