结构检验 第七章.ppt

1、第七章 存在的问题与展望 赵均海 教授 结构抗震实验方法经过几十年的发展，取得 了重要的成就，促进了结构抗震理论的发展。 但是结构抗震实验方法仍然处于发展中，这 种发展具有两重意思，一个是实验方法自身 的不断发展和完善，另一个是实验方法向其 它研究领域的应用拓展。 这方面存在着许多问题有待于进一步考虑、 研究和解决。从目前发展来看，抗震实验方 法还远没有达到完善的程度。 7.1 拟静力实验的加载规则问题 拟静力实验方法的核心问题是加载规则的 选择和实验结果的描述，虽然我国已经发 布了建筑抗震试验方法规程 1，许多 问题仍然没有解决。 在进行拟静力实验时，一般的作法是试件 屈服前采用力控制，试件

2、屈服后则采用位 移控制。可是如何判断试件的屈服或确定 屈服点到目前还没有完全解决，更不用说 有些试件根本就不存在屈服点。 事实上，屈服点是实验之后根据某种等效 原则确定的，所以实验过程中无法根据屈 服点加载以及转换控制模式。目前进行的 拟静力实验还是采用人工的方式来近似判 断试件是否屈服，这种判断是经验性的和 模糊的，无法让计算机执行。 拟静力实验按什么样的加载规则进行以及 在每一级加载时循环多少圈仍然存在疑问， 例如每一级的加载循环三圈还是循环二圈 还缺乏充分的实验根据和比较研究，因为 循环三圈得到的实验结果与循环二圈得到 的实验结果无法直接比较，至少目前是这 样。 关于二维拟静力加载实验，

3、虽然已经有了 多种加载规则，但是选择哪一种加载规则 进行实验是很困难的事情，我们甚至不清 楚几种二维加载规则之间有什么差异。在 这种情况下进行二维拟静力加载实验，其 结果的可比性和一般性就可想而知了，所 幸的是二维地震加载实验可以模拟结构的 实际破坏状态。 斯坦福大学的H. Krawinkler针对循环加 载的拟静力实验方法提出了如下的两个 问题2： (1)循环多少圈，加多大的变形幅值，什 么样的循环序列可以用于评价结构的地 震表现? (2)从预定加载历程下的实验结果能否推 出相同试件在不同加载历程下的响应? 他在文章中根据累积损伤模型详细讨论 了加载规则问题，但是答案并不是唯一 的，首先要针

4、对具体试件和实验所关心 的主要内容。 尽管拟静力实验的加载规则还存在问题， 屈服点的确定还有待于研究，但是目前 进行拟静力实验的加载设备已经可以完 全实现自动化的实验控制，包括力控制 模式与位移控制模式的实时平滑转换， 只要研究人员能够确定出实验加载规则， 因为这类控制功能已经被包括在实验软 件中。 7.2 实验方法与抗震设计之间的关系 无论是地震模拟振动台实验还是拟动力实 验方法，都与目前的结构抗震设计方法和 设计规范缺乏直接的联系，一个重要原因 是实验输入的地震波只是设计的一个特例， 不能代表结构设计的全部内容。 像EL-Centro地震波和Taft地震波无论是在 时域还是在频域两者都没有

5、共同之处，它 们只是处于设计反应谱的某一段区间内； 如果采用人工地震波，它也只是设计反应 谱的一个样本，而且不能认为是再现了任 何一次实际地震。 所以单一地震记录不能代表地震动的一般 特征，而且结构本身和基础之间的相互作 用也将改变地震动的输入。因此，地震模 拟振动台实验和拟动力实验的输入地震波 选择具有很大的随意性。 对于刚度大的多自由度结构，选择简单 的位移分布或荷载分布进行拟静力实验 也是非常困难的，如果位移模式一定， 则各自由度之间的耦合将导致虚假的荷 载分布；如果荷载模式一定且接近某个 振动模态，则可能丢失高阶模态的重要 影响。 虽然地震模拟振动台实验和拟动力实验方 法能够使结构自由

6、地选择位移分布和荷载 分布，并与结构的损伤过程相联系，但是 输入地震波的随意性仍然存在。 子结构拟动力实验技术可以在很大程度 上解决刚度大的多自由度结构问题，因 为计算子结构之间的耦合问题可以通过 高精度的数值计算来保证，而实验子结 构的自由度已经很少了，它与计算子结 构之间的耦合很容易保证。 美国学者F. Seible3等人提出一种称之为 广义序列位移GSD(Generated Sequential Displacement)的实验方法，这是向结构 抗震设计靠拢的一种实验方法。这种方 法的根本出发点是直接从反应谱入手。 具体作法是首先从不同的地震记录中选 择不同的小区段(一般是l2s的持时)

7、；然 后重新组合，即用这些小区段乘上一个 放大系数组成一个子记录，每个子记录 中包含来自不同地震波的小区段(36个)， 但 最 大 加 速 度 峰 值 按 顺 序 提 高 ； 最后将这些子记录合成为不同持时的地震 子记录，每个地震子记录不代表任何一个 实际地震，但是要求它的形状接近设计反 应谱的形状，根据反应谱的大小将地震子 记录按由小到大的顺序连接就形成了一个 GSD实验用的输入地震波；这样的实验结 果至少是在接近结构设计反应谱的情况下 得到的地震反应。 G. M. Calvi和G. R. Kingsley 4 在详细比较 了拟静力实验方法、拟动力实验方法和地 震模拟振动台实验方法之后得出的

8、结论是： 虽然现在研究人员可以选择的实验方法比 较多，但是不存在单一的某种实验方法能 够全面满足结构抗震研究的需要，选择哪 种实验方法需要根据期望的结果和实验的 内容来决定，这样才能避免时间和金钱的 浪费。 7.3 拟动力实验方法的拓展问题 本书比较全面地介绍和讨论了拟动力实验 方法的应用和发展情况，着重于实验方法 的发展过程以及概念、原理和技术，同时 给出了详细的数值计算方法和具体的实验 细节。 上述拟动力实验在各个方面的发展和应用 结果表明，拟动力实验方法可以在工程结 构抗震的许多研究领域发挥重要的作用； 尽管拟动力实验方法本身还有许多方面正 在不断地发展和完善，但是在模拟大型复 杂结构地

9、震反应的实验研究中，拟动力实 验方法是目前最强有力的实验方法。 拟动力实验方法在结构抗震研究中取得了 巨大成功，但是它的思路和方法并不是仅 仅局限于结构工程领域，这种思路和方法 可以拓展到众多的工程领域。 拟动力实验方法的应用领域非常广泛，拟 动力实验方法不仅适用于一般的建筑结构， 也适用于大跨结构、桥梁工程、岩土工程、 水工结构和海洋结构工程等领域，在机械、 电力和汽车工业等领域也具有广泛的应用 前景。 拟动力实验所模拟的激励荷载也应是多种 类型的，除了地震荷载之外，像风、海浪、 海冰、水流等对结构的作用也可以在一定 条件下模拟，而冲击、撞击、爆炸荷载也 需要进一步考虑。 结构模型相似理论需

10、要有较大的突破，虽 然它并不是抗震实验本身的问题，但是它 的发展无疑会对结构抗震实验提供重要的 基础，因为实验室规模和设备的能力对试 件尺寸的限制永远都会存在的。 对于弹性模型，目前的静力相似和动力相 似理论基本能够满足实验的要求；但是对 于抗震实验，结构模型往往是进行破坏性 实验，如何将模型实验结果推广到原型结 构上去是一项关键内容，它涉及到实验结 果对实际结构的指导意义和评价功能，所 以需要发展非线性的动力相似理论。 另外，拟动力实验通用软件的开发工作已 经受到重视，MTS公司已经基于-方法开 发出一种结构拟动力实验软件5,6, 其它的 有关设备公司也正在进行相关软件的开发 工作。相信，将

11、来的结构抗震实验自动化 程度会非常高，研究人员会越来越方便。 7.4 关于实验研究人员和实验室问题 实验研究人员是实验方法和实验技术发展 中最关键的因素。由于现代实验设备都是 由电子技术、机械和液压等组成的高技术 产品，所以要求实验技术研究人员的知识 构成具有多学科、多领域的综合知识， 同时他们也肩负着相关技术领域的融合 与沟通，对其它领域进行宣传和推广的 任务。实验研究人员之间的广泛交流和 密切合作，尤其是国际间的交流与合作 是促进实验方法和实验技术发展的源泉。 目前国内许多大型结构实验室的现状难 以令人满意，实验设备的闲置情况比较 严重。这固然有一些客观因素，但是实 验技术研究人员缺乏、现

12、有实验室人员 没有积极性则是主要的原因。 另外，购置设备时一次性投资很大，可 是日后的设备维护和更新方面经费短缺， 无形中加速了设备的损耗和贬值。虽然 这种情况正在不断改变，但是距真正解 决问题、扭转这种局面还有一定距离。 随着国家211工程的进行，国内开始了新 一轮的结构实验室建设和大型实验设备 的购置，建立一支稳定的高水平的实验 技术队伍是最基本的前提。 但是，如何能够充分发挥大型实验设备 的功能，为土木工程的科学研究和工程 建设服务是目前实验工作中最大的问题。 过去的经验和教训都需要很好地总结， 以便为今后的工作提供借鉴。 参考文献参考文献 1 中华人民共和国行业标准, 建筑抗震试验方法

13、规程, JGJ 10l96, 中国 建筑工业出版社, 1997. 2 H. Krawinkler, Cyclic Loading Histories for Seismic Experimention on Components of Structures, Proceedings of U. S. / P. R. C. , Workshop on Experimental Methods in Earthquake Engineering, Shanghai, P. R. C. , November 10-12, 1992. 3 F. Seible, G. A. Hegemier, A. I

14、garashi and G. R. Kingsley, Simulated Seismic-load Tests on Full-scale Five-story Masonry Building, Journal of Structural Engineering, ASCE, Vol. 120, No. 3, March 1994. 4 G. M. Calvi and G. R. Kingsley, Problems and Centainties in the Experimental Simulated of the Seismic Response of MDOF Structures, Engineering Strutures, Vol. 18, No. 3, 1996. 5 TestStarTM 4. OB Program for Pseudodynamic Testing, MTS Systems Corporation, 1997. 6 FlexTestTM IIm Program for Pseudodynamic Testing, MTS Systems Corporation, 1999.