新型结构抗震拟动力试验发展趋势研究

吴文帅，王一鸣，叶宏林，周晓婷

（扬州大学建筑科学与工程学院，江苏 扬州 225127）

1 概述

1．1 背景

在人类历史上，由于地震是自然灾害，人类付出了巨大的代价，人类也获得了宝贵的地震经验。近年来，在全世界人口稠密的地区，破坏性地震仍然频繁发生，例如阪神地震（1995） 、土耳其地震（1999） 、我国台湾集吉地震（1999） 等［1］，我国是地震频发的国家之一，历史上有很多强地震。20 世纪发生了2 600 多次毁灭性地震，包括500多次6 级及以上的毁灭性地震，平均每年5．4 次，9 次8 级及以上的地震。进入21 世纪后，唐山地震、汶川地震和玉树地震都给人民生命财产、国民经济造成了非常严重的损失［2］。尽管对于地震灾害的预报可以减少一定数量的人员伤亡，但最根本的问题是合理设计结构，以提高房屋的抗震能力，避免结构的倒塌和损坏。

抗震设防和抗震设计需要理论分析和实验研究来提供基础，只有这样，我们才有机会提高建筑物的结构抗震能力。尽管随着有限单元分析法等科学技术的发展，抗震结构的理论框架体系已经日渐趋于成熟，并且通过这些方法可以更好地还原复杂建筑结构对于地震波反应。但是，由于地震机理，该结构的地震性能是一个复杂的系统。仅凭目前在理论分析中所取得的成就，我们无法完全掌握框架结构在不同地震波作用下的各项力学性能、变形过程和破坏机理。这要求结构的抗震测试要准确掌握结构的性能。特别是对于一些复杂的超大型结构，远远超过防震设计基本要求的结构框架体系，实验研究已成为评估此类结构系统抗震性能的首选方法。因此，关于结构抗震试验的研究已逐渐进入研究人员的视野。近年来，建筑结构体系的抗震测试取得了很大的进步。建筑结构体系的抗震测试的研究主要体现在两个方面： 一方面是对材料或结构性能的深刻理解；另一方面，验证结构的预期响应。第一点在于开发复杂的、广义的数学模拟模型，通过使用小规模的单个自由度标本以及周期加载方式。后者是利用现有的数学模型对标本或结构进行测试，根据期望的试验来验证响应，主要采用地震模拟振动台试验法和拟动力试验法［3］。

1．2 常用的结构抗震试验方法

地震工程领域常用的试验方法包括： 地震模拟振动台试验、静力试验和拟动力试验、实时试验方法、爆破方法和动力离心机试验等，目前常见的抗震试验方法是拟静力试验、振动台试验及拟动力试验这三种［4－5］。

在研究结构或构件的抗震性领域中，准静态测试是最常见的测试方法。这是通过在控制载荷大小或控制变形大小的条件下低周期反复加载试件，使试件从弹性阶段到破坏阶段，从而获得诸如横向刚度，承载力和耗能性的大小。该组件的程度很大［6］，其最大的问题是它不能得到组件的动态响应，即静态循环测试忽略了惯性力的影响，而不能真正反映结构的动态特性。

振动台测试是获得动态响应的最直接方法之一。通过输入地震波可以准确再现地面运动和结构的真实响应。多自由度地震模拟振动台的研制与开发，为研究结构抗震响应的弹塑性能提出了更为高效的高精度方法。但是，由于诸如振动台的承载能力和尺寸之类的因素，结构或试件的尺寸越大，地震模拟振动台的尺寸越大。这是一个非常昂贵的设备。另外，由于研究的结构和规模太大而又复杂。测试中使用的试件难以达到满刻度模型，通常需要减小刻度。“尺寸效应”对测试结构的精确度影响不可忽略，因此测试规模受到很大的限制，许多大型结构受到地震模拟测试的影响很大。

拟动力试验以拟静力加载和地震模拟振动台两种方法作为试验基础，并结合了在抗震结构分析、计算过程中的优点，可以反映超大建筑体系结构在地震中真实情况。因此自其被广泛应用以来，其作用在建筑工程的各个方面得到了很好的反馈。并且更多的国内外专家对于拟动力试验方法也做了进一步深入的研究。尤其在最近几年，拟动力试验在体系、思维、技术水平和设备质量等许多板块均与刚起步时的情况有了很大的转变。拟动力试验方法是一种新兴的技术，并且在检测结构的抗震情况中发挥着越来越重要的作用。其可以很好地用大重量静力加载装置进行复杂或大尺寸结构试件在地震作用下结构弹塑性测试试验。在进行结构抗震拟动力测试试验的过程中，整个测试体系由模型、抗震强度测试台、反力墙、加载系统、高精度试验数据采集仪器表盘等试验设备构成。试验使用加载仪器宜使用全自动闭环的机械来进行控制，或者使用加载范围不同的液压伺服系统试验机来进行加载控制。当试验系统使用电液伺服来进行控制时，其会有较大的质量比、试件的响应速度也会相应加快、结构的整体刚度提高、整体系统控制十分平稳、试验测试结果精度高等，这就使它在抗震试验中被广泛的使用。纵观对于结构抗震试验方法的研究，其中涉及的方面和角度很广。其中，加强在抗震结构拟动力试验中的网络化，数据的精细化是一个重要的板块。随着抗震结构模拟试验慢慢向着超大化，信息精细化方向发展，加快抗震结构试验平台与网络信息对接和通过网络连接实现实验室设备的单机独立是抗震试验网络化的关键内容。此外，随着对抗震试验台研究的逐步深入，越来越多的新式控制法被用来去增强试验设备的测量精度，这就使得测量到的数据可以十分精确地反映在地震作用下整体建筑的抗震性能。目前国内外对于结构抗震试验的研究也逐渐在朝这方面发展。

在20 世纪60 年代后期，日本学者中岛等人［7］提出了一种准动态测试方法。其结合了准静态载荷试验和地震模拟振动台试验两种方法的长处，同时灵活地使用结构。在计算理论数值的方面有机地结合了计算机的计算、控制和实验。在测试过程中，通过求解指定惯性和阻尼参数的动力学方程，获得建筑体系在地震波作用下的位移变化，并使用执行器通过静载荷作用在试件上，用于下一步分析和计算。测得的结构弹性与振动台试验相比，尺寸因子对方法的影响较小，可以更真实地反映地震作用下结构的动力响应。因此，自问世以来，它已被广泛应用于结构工程中。同时，伪动态测试方法本身的研究也取得了长足的进步，特别是近年来，其概念、方法、技术和设备与伪动态测试的初始阶段大相径庭。

2 结构抗震试验的有效性和局限性

2．1 有效性

结构抗震试验的有效性主要体现在实用性、规范性和适用性这三方面。

进行抗震结构试验能够大大节约成本。同时，测试可以重复多次，重要数据也可以大量积累，并且该测试不受室内和室外环境的限制。在良好的试验室条件下，可以识别结构稳定性。特别是近年来，需要通过地震测试来识别实际工程中使用的耗能部件和减震系统，这在地震测试的开发中越来越引起人们的关注。

由于过去技术的不发达，该规范的抗震规定存在许多缺陷和不足，特别是在钢筋混凝土结构、柱箍筋的设置以及钢筋重叠的要求等领域。这还需要通过大量连续的结构抗震测试，需要更多的科学数据来逐步积累规范性规定。

抗震试验适用于局部模型测试以及结构和桥梁项目中结构或组件的模型测试。因此，结构模型测试已广泛应用于各个领域。试件类型的选择也多种多样，可以根据研究目的、对象和试验的实际结构选择梁试件、柱、接缝、结构组合试件等。在条件和其他因素的影响下，可以综合考虑选择测试模型［8］。

2．2 局限性

尽管建筑结构地震测试是较高效的测试手段，但是由于各种内部和外部因素，实际情况始终与测试的结构模型不一致，这使测试结果具有一定的误差性。其局限性主要受到材料、设备、环境等方面的影响。研究人员需要在保持有效性的基础上减少由局限性引起的错误，从而大大提高实验的准确性。

结构抗震试验局限性主要包括试件尺寸误差，主要分为构件在外表形状的不同和主要定位上的偏差这两种，在结构模型试验中，虽然模型的尺寸越小消耗的成本越小，但相对的，结构的承载能力往往会随试件整体外形尺寸的变小将逐渐提高，由于小构件在加工过程对工艺要求过高。只有严格符合相关规范条件，才能更精确地反映结构模型的真实情况，然而实际情况是，由于相似条件太多，并且这些条件往往都有矛盾冲突，因此无法使所有条件都保持一致。

由于信息技术上存在一定的问题，地震的真实反映变化在目前的试验条件下是无法进行完全精确地模拟的，而对于那些高频、不稳定、无规律的振动，模拟的难度更是不言而喻，而且设备随着时间推移，肯定会出现破损需要进行维修，这就意味着试验过程中不可避免的会产生很大的偏差，从而通过加载获得的数据就不那么准确。各种传感器的功能不一也使测量的数据带来了很大的误差。

3 拟动力试验的新发展

在研究结构抗震的领域中，建筑结构拟动力试验方法也称为拟动力试验或计算机装载机在线试验，是一种相对较新的抗震试验方法。作为一种先进的抗震试验方法，它可以使用大比例模型或足尺寸结构，可缓慢地还原各种不同结构建筑构件在不同地震波作用下的真实反应，目前这种方法具有广泛发展前途。随着网络信息计算理论和实验室科研技术水平的提高，拟动力在抗震结构试验研究领域又涌现了一些新方向。

3．1 子结构拟动力试验法

20 世纪80 年代中期，所谓的子结构拟动力试验研究方法逐渐被应用到抗震结构试验中来，在这种学习模型中，仅仅主要研究结构会出现非线性形变的局部位置，而对于结构剩余部分，由于其变形不是特别明显，可以忽略不计，则用单一方法来进行模拟，并配合拟动力方法需要进行设计试验。通过这种方法，确实使一些困难得到了很好的解决，其中包括两个最主要的方面，首先，使试样的大小和比例在试验中大大降低，从而节省了测试的成本，同时大型结构测试不再受到实验室的空间大小限制，在任何形式的实验室都可以进行该试验；第二个是由于需要测试整体结构，因此，即使多个自由度的结构，也没有使用过大的负荷给致动器，这就大大降低了测试设备的需求的数量。但是这种方法依然有较多的缺陷，体现在三个方面：与基本原理有关的局限性、与数值有关的局限性以及与试验硬件有关的局限性［9］。由于试验主要针对结构会出现非线性形变的局部位置，运用的基本原理分析方法并不全面，由于分析方法的不全面，就造成了数值测量结果的不准确，同时由于各个实验室条件不一，测量的结果和数据分析的准确性都会有一定的偏差。

3．2 实时子结构试验法

在20 世纪90 年代，伴随着抗震结构拟动力子试验的研究逐渐深入，抗震实时子结构试验也逐渐崭露头角，实时，顾名思义，就是在加载的荷载与加载的时间具有一致性。因为测试是以实际的负载率加载的，这意味着每个步骤必须以极其快的速度完成（精确到几毫秒） 。同时，计算、处理和执行机构也必须很快的完成，这对相关设备和测试操作人员提出了很高的要求。虽然企业的数据实时抗震子结构设计试验在20 世纪80 年代就有了，但是由于科研工作条件的限制，直到1992 年，Nakashima等才首次发表了实时子结构的试验方法的操作流程。

实时子结构试验方法，不仅可以模拟实际的地震荷载，而且可以进行全面或大规模的模型试验。在结构地震试验方法研究领域，它可能成为未来一个很有前途的研究方向。然而，这种方法尚处于起步阶段，目前研究该种方法并没有被用于一些大型试验。进行大型的抗震结构设计试验，还存在许多技术难题需要去攻克，如数值分析模型的计算工作时间、多个作动器的相互促进作用、在多自由度条件下结构连接的稳定性发展以及作动器延时补偿等问题，这些都需要通过进一步深入学习研究［10］。

3．3 网络化的拟动力试验方法

虽然结构试验在一些国家已经取得了一定的进展，但大部分国家的模拟地震的结构实验的设备数量仍然不足，目前首要问题就是解决结构实验室目前所面临的这些困难。网络信息技术的出现为我们带来了新的想法，从仪器设备角度考虑，将各地实验室的器材设备信息数据通过企业云端网络来进行分析整合与协同处理，从而创建一个系统化的试验数据搜集处理中心； 从试件数量角度考虑：可以将主要超大结构试件通过子结构拆分技术得到若干个单元试件，从而使得每单元试件能够在不同的条件下的实验室顺利进行抗震结构试验，整个实验过程利用互联网传输，云端储存控制，大大消除了空间地理距离的隔阂，从而使各地区的实验室之间可以更好更快地分享数据资源，提高工作效率，各个子结构实验通过网络化的方法集成为整体结构［11］。

网络拟动力试验的需求日益增长，主要是在拟动力试验过程中，需要考虑试件加工过程中的状态以及加工后的材料性能来为下一步的试验进行铺垫，从而求得试验所需的期望值。在拟动力试验过程中，经常会出现一些大型结构建筑，实验室的作业条件过于单调，并不能够满足我们这些数据结构的要求；除此之外，在成熟的子结构信息技术和高速发展网络技术的推动下，信息化的高精度抗震结构试验研究逐渐拥有了较好的科技手段作为支撑。

4 结语

随着建筑行业的不断发展，越来越多的造型奇特的庞大建筑结构不断涌现。虽然目前的动力试验方法由于资金和技术这些因素的影响，复杂结构进行抗震试验并不能顺利的进行，但随着对抗震试验研究的不断深人、试验设备和技术的不断升级以及工程实践的需要，在结构抗震试验研究领域必将有更多新的成果不断涌现出来，尤其在以下方面：

1） 监测地震试验仪器的超大化和繁多化： 超大的试验设备或多种小型款式设备形成的振动台均能进行足尺抗震结构试验，同时振动台设备还会涉及到地基运动的不规则，必将把人们对结构抗震的认识水平提升到另一个更高的层次。

2） 子结构实验的实时化： 检测实时的子结构抗震性能的试验只需对建筑结构的主要区域进行试验，同时将抗震试验设备与抗震结构试验的优点保持下去，使其既能完整反映实际地震所受荷载情况，又能精确进行合适尺寸的抗震结构试验，在未来的科研试验中，这种方法将会越来越多的被用到。

3） 试验设备的信息化： 在进行试验通过网络计算机将数据实时反馈给用户，这可以大大完善试验室仪器条件，提高试验过程中的测量效率，更快实现网络数据资源的云端共享，提升结构抗震试验的条件。