结构抗震试验方法研究初探

林 丽 王燕华，2 杨巍巍

(1.东南大学土木工程学院，江苏 南京 210000； 2.加利福尼亚大学伯克利分校，美国 伯克利 94706)



结构抗震试验方法研究初探

林 丽1王燕华1，2杨巍巍1

(1.东南大学土木工程学院，江苏 南京 210000； 2.加利福尼亚大学伯克利分校，美国 伯克利 94706)

对传统的三种抗震试验方法的利与弊进行了分析，重点进行了抗震试验新方法——混合试验研究，从数值积分方法、加载控制方法和试验时滞及补偿方法三个方面阐述了混合试验的发展。

结构抗震试验方法，混合试验技术，数值积分算法，加载控制，时滞补偿

0 引言

我国是地震多发国家，历史上频发地震灾害，造成人员伤亡惨重，建筑物破坏严重，这也使得分析地震破坏机制、提升建筑物抗震性能的研究迫在眉睫。

1 传统抗震试验方法

1.1 拟静力试验(Quasi-Static Test)

拟静力试验方法是研究当前构件性能或结构受力最为广泛的一种试验方法，该试验对设备要求不高，花较少的钱就能够最大限度获取试件的各种信息。拟静力试验一般加载速率低，可以不考虑应变速率变化的影响，但该方法的一大缺陷是不能再现加载时间和方式在实际地震作用下结构反应的全过程。

1.2 地震模拟振动台试验(Shaking Table Test)

从20世纪60年代末期，美国加州大学伯克利分校建成第一台6.1 m×6.1 m的双向地震模拟振动台开始，振动台试验便陆续被国内外各大学者研究。地震模拟振动台试验能够直观地了解结构破坏机理，呈现结构的抗震性能。但现行振动台尺寸普遍较小，承载力不高，对于许多缩尺模型相似关系难以保证，容易导致地震作用下形态失真。

1.3 拟动力试验(Pseudo-Dynamic Test)

1969年，日本学者高梨(M.Hakuno)等人最早提出基于结构动力方程的拟动力试验方法。该试验方法采用了放慢多倍的地震波时程,可以慢速体现在地震作用下大比例甚至足尺结构从弹性到弹塑性阶段再到倒塌的全过程。但是拟动力试验对与速度相关的材料性能试验还不能反映，其本质还属于静力试验。1992年日本Nakashima等教授提出实时子结构试验方法，来准确反映速度相关型构件的性能。

2 新型试验方法——混合试验技术(Hybrid-Test)

混合试验技术核心是将结构分为两部分，动力特性未知的复杂非线性部分通过振动台进行大比例(甚至足尺)试验，此部分称为试验子结构；将受力特征比较简单、动力特性已知的线性部分用计算机来数值模拟，此部分称为数值子结构，通过与试验子结构相连接的作动器进行模拟。试验示意图如图1所示。

混合试验结合了地震模拟振动台和拟动力试验方法两者的优势，大大减少试验的失真性，其结果比单独做振动台试验或者拟动力试验更为可靠。

2.1 混合试验技术数值积分方法

混合试验的数值积分方法是基于拟动力试验积分方法而来。早期拟动力试验采用线性加速度法来研究，H.Tanaka采用中央差分法替代最开始的线性加速度法。中央差分法在计算结构动力反应时不需要迭代，是适用于子结构拟动力试验的显示数值积分方法。1985年Mahin等人建议利用子结构技术进行分区混合模拟，提出混合隐—显示算法。然而对于多自由度大型结构，运用条件稳定的显示积分方法已经变得不切实际。1987年Thewalt和Mahin开发了第一个无条件稳定的隐式数值积分方法：隐式-α方法。1988年，Nakashima等人提出Operator-Splitting(OS)方法。该方法是无条件稳定的显示算法可以用来计算大型多自由度混合模型的运动方程，能实现多自由度、大刚度子结构拟动力试验。OS方法无需任何平衡迭代就可以获得更好的稳定性。1991年，P.B.Shing等人对Hilber等提出的隐式Alpaha方法进行修正，使它能应用于拟动力试验中，并采用了利用初始刚度迭代的平衡求解算法。2002年，Chang提出无条件稳定的显式积分方法。但是在混合模拟试验中，试验子结构的特性是实时的，与速度、加速度和位移都有关，所以原来用于拟动力的显示算法，在混合试验中变成了隐式算法，虽然哈尔滨工业大学吴斌等人在文献[10]提出了速度公式的向前差分修正，使得Chang方法变成了显示混合模拟试验的算法，但该方法却变为了有条件稳定，精度同样也发生了改变。Zhang等人[11]提出了预测—修正数值积分方法，把经典预测—校正法由隐式变为显示格式，但是无条件稳定也因此丧失。

显示算法虽然不需迭代，但它条件稳定，对于多自由度的大型结构，难以满足稳定性要求，相比于显示算法，隐式算法的数值稳定和能量耗散较好，其缺点在于需要迭代计算，这对路径要求高的弹塑性试件是不适宜使用的[12]，如何将显示算法的计算效率与隐式算法的精度、稳定性有效结合起来是混合试验研究的重要方向。

2.2 混合试验技术加载控制方法

混合试验根据作动器的加载方式不同可以分为三大类：位移控制加载、力控制加载、力与位移混合控制加载。位移控制加载方式，以作动器位移为控制，作动器反馈的力用来下一步积分计算，但对于多自由度、大刚度结构，位移反应较小，控制精度难以掌握；力控制加载方式是液压伺服作动器用力来控制，模拟数值子结构对试验子结构的水平力，下一步积分是以作动器的位移来反馈，力控制加载只能用于结构恢复力曲线前段，恢复力曲线下降段是不适用的；力与位移混合控制加载即在恢复力曲线下降之前由力控制，进入下降段后由位移控制，该控制方法可以反映多自由度、大刚度结构在弹性、弹塑性以及破坏阶段的全过程，是目前最为常用的加载方式。

2.3 混合试验技术时滞问题及补偿方法

一般实时实验都存在作动器滞后，Horiuchi等人[13]认为时滞的影响表现在结构所附加的负阻尼大于结构自身的阻尼，试验稳定性不足，导致实验发散。为了解决这类问题，Horiuchi等人[13]开发了利用多项式外推法执行器响应预测的作动器延迟补偿技术,即在作动器执行命令前预先加入补偿值，使执行命令值大于目标值。田石柱在文献[14]中分析产生整个控制系统时滞的主要原因是作动器产生的时滞，提出了三种主动控制时滞的补偿方法：移相法、泰勒级数展开法和预估状态法，其中预估状态法更容易应用到控制系统中，为主动控制系统研究奠定基础。王倩颖等人在文献[15]中以OS法和中心差分法分析了作动器时滞和补偿产生的影响，分析结果表明，三阶外插补偿可以提高试验稳定性。

如何解决时滞补偿问题，使设备有效地协同工作是混合试验的又一大技术问题，值得更深入研究。

3 混合试验技术有待提高

混合模拟的关键在于两个问题：数值积分方法和实验加载系统的研究。隐式算法无条件稳定，但需要迭代，对于大体量的多自由度复杂结构，计算机数值模拟的运算量和存储量迅速增加。显示算法可以直接逐步积分，大大提高了运算效率，但它是条件稳定的，如何将显示算法的效率性和隐式算法稳定性、高精度有效结合起来是未来混合试验研究的一大方向。第二，混合试验中，数值子结构对试验子结构的力通过作动器来施加，如何利用有限的作动器模拟多自由度连接边界，实现子结构间的拼装，解决子结构相互作用也是需要重点研究的问题。第三，混合试验每一步加载都依赖于上一步的试验结果，如何协调振动台与作动器的同步准确实现驱动命令，保证试验顺利进行也是值得深入研究的。

4 结语

混合试验方法将地震模拟振动台试验方法和拟动力试验方法相结合，与传统的抗震试验方法相比，混合试验方法可以提高振动台模型试验的比例，甚至可以做到足尺试验，减少结构的破坏失真，提高试验的精确度，另外也大大降低了总体试验的成本，为研究复杂结构新型结构抗震性能提供了行之有效的方法。但是混合试验技术研究正处于初始阶段，试验技术与方法还不成熟，试验的关键技术还未得到有效解决，需要做更深入的研究。

[1]邱法维.结构抗震试验方法进展.土木工程学报,2004,37(10):19-27.

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[15]王倩颖,吴 斌,欧进萍.考虑作动器时滞及其补偿的实时子结构实验稳定性分析.工程力学,2007,24(2):9-14.

Preliminary study on seismic test methods of structures

Lin Li1Wang Yanhua1，2Yang Weiwei1

(1.SchoolofCivilEngineering,SoutheastUniversity,Nanjing210000,China;2.UniversityofCaliforniaBerkeley,Berkeley94706,America)

Pros and cons of three methods of seismic analysis are introduced firstly, then the new seismic test method-hybrid test is presented in detail. Hybrid test is described from three parts: numerical integration methods, load control method, actuator delay and compensation.

seismic test methods, hybrid test technologies, numerical integration algorithm, load control, time delay and compensation

1009-6825(2015)18-0029-02

2015-04-18

林 丽(1991- )，女，在读硕士； 王燕华(1977- )，女，硕士生导师，高级工程师； 杨巍巍(1992- )，男，在读硕士

TU352

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