浅谈结构拟动力试验

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摘要: 拟动力试验方法是进行结构抗震试验十分有力且适用面广的方法。本文介绍了拟动力试验的基本原理与实现过程，对国内外拟动力试验的研究现状进行了评述，最后对该抗震试验方法的发展进行了展望。

关键词: 抗震试验；拟动力试验；远程协同试验

中图分类号： TU973+.31 文献标识码： A 文章编号：

前言

我国是世界上多地震国家之一，历史上曾发生多次强烈地震。中国这7%的国土上承受了全球33%的大陆强震，是世界上大陆强震最多的国家[1]。例如1976年的唐山地震、2008年的汶川地震，波及范围之广、遭受损失之大、人员伤亡之多在世界上也是少有的。这些地震给人民生命财产和国民经济造成了十分严重的损失。因此，提高建筑物的抗震能力，保障人民生命财产安全是广大工程技术人员的当务之急。

由于地震机制和结构抗震性能的复杂性，人们仅以理论分析的手段尚不能完全把握结构在地震作用下的性能、反应过程和破坏机理，需要通过结构抗震试验，才能准确地把握结构的抗震性能 特别是对大型复杂结构、超出抗震设计规范规定的结构和新型结构体系，必须进行抗震试验。目前，拟静力试验、振动台试验和拟动力试验[2]是三种主要的结构抗震试验方法。拟动力试验方法吸收了前2种试验方法的优点，也吸收了结构理论分析和计算的优点，可进行大比例模型或足尺结构抗震试验，可慢速再现结构在地震作用下的弹性-弹塑性-倒塌全过程反应，自开发成功以来，在抗震试验方面得到了广泛应用。

本文首先简单介绍了拟动力试验的研究进展，阐述了拟动力试验的基本原理、试验过程并给出了不同的拟动力试验分类及拟动力试验限制，对该方法在国内的实际应用及有关研究成果进行了评述。

一、拟动力试验的研究进展

为了能够真实地模拟地震对结构的作用，日本学者M.Hakuno等人[3]最早于1969年由提出将计算机与做动器联机求解动力方程，这种方法后来被称为拟动力试验。在1977、1978年日本就分别开展了第一个钢筋混凝土结构、第一个单层单跨钢框架的拟动力试验。80年代中期到90年代中期，子结构技术的出现、各种数值计算方法的发展及快速拟动力试验方法的提出推动了拟动力试验的实际应用。

我国在拟动力试验方面的研究工作开展稍晚，大约在20世纪80年代才开始。 目前国内已有许多单位开展了此项工作的研究和应用，主要有中国建筑科学研究院、清华大学、哈尔滨工业大学、湖南大学、西安建筑科技大学等单位，研究对象、加载方式和数值积分方法多种多样且都达到了很高的水平。

二、拟动力试验的基本原理

拟动力试验的原理是：根据数值化的典型地震加速度记录时程曲线，取某一时刻的地震加速度值和试验中前一时刻加载后实测的结构恢复力，用逐步积分振动方程的动力反应分析方法计算出该时刻结构试体的地震反应位移，并对结构试体施加此位移，实现该时刻结构试体的地震反应；实测此时的结构恢复力，按地震过程取下一时刻的地震加速度值，进行该时刻结构试体地震反应位移计算，再将位移施加到结构试体上。如此逐时刻反复实现计算位移——施加位移——实测结构恢复力——再计算位移……的循环过程，即模拟了结构试体在地震中的实际动态反应过程。

结构拟动力试验是通过计算机和控制装置伺服作动器联合实现的，所以，又将其称为计算机——作动器联机试验，结构拟动力试验的主要部分仍是计算机模拟计算，模拟计算时，可根据具体问题、具体方法采用不同的数值积分方法。

拟动力试验系统由试体、试验台、反力墙、加载设备和装置、计算机及数据采集仪器仪表组成。试件按相似理论和结构试验的目的进行设计；试验台和反力墙应具有足够大的质量、强度和刚度以及便于安装加载设备和连接其它反力装置的轨道、孔洞。加载设备宜采用闭环自动控制的机械或液压伺服系统试验机。田石柱等[4]给出了拟动力加载试验系统应满足的具体硬件要求。

拟动力试验适用于混凝土结构、钢结构、砌体结构、组合结构的模型试体在静力试验台上，模拟实际地震动力反应的抗震性能试验。拟动力试验方法结合了拟静力试验和振动台试验两者的优点，当然它也有自身特定的限制，主要有：(1)结构的刚度不能太大；(2)试验系统误差(特别是控制误差)需要被严格限制；(3)不适用于分布质量很大的结构(包括混凝土水坝)；(4)如果结构的响应对粘滞阻尼特性非常敏感，而且很难准确地识别，拟动力试验方法就不适用；(5)无法对用应变速率敏感的材料制成的试件进行试验。

三、拟动力试验在国内的实际应用及研究

中国建筑科学研究院关于拟动力试验的研究有：(1)1982年，在电液伺服结构试验机上实现的结构拟动力试验；(2)1985年，用计算机-试验机联机系统进行结构拟动力试验的方法；(3)1990年，建筑结构双向拟动力实验程序的控制；(4)l990年，框架柱双向地震反应的研究；(5)1990年，高层大开问预应力板墙结构模型试验研究。

清华大学于2O世纪8O年代末至90年代初期完成了一批拟动力试验。这些试验包括：(1)2层钢结构框架的单自由度拟动力试验；(2)双跨2层钢结构框架的双自由度弹塑性拟动力试验；(3)双跨2层带斜撑钢结构框架的双自由度弹塑性拟动力实验；(4)单跨2层双自由度钢筋混凝土框架结构拟动力试验；(5)偏心支撑钢框架的拟动力试验；(6)双自由度带填充墙钢筋混凝土框架的拟动力式验。

吕西林等[5]对一个单层、单跨、三榀、采用橡胶垫螺栓连接梁柱节点的装配式预制混凝土框架结构1/2缩尺模型进行拟动力试验，研究该结构在地震作用下的破坏模式、变形、滞回、耗能、强度、刚度等抗震性能。分析了此类结构的抗震性能及抗震薄弱部位并给出了一些工程建议。

拟动力实验方法目前在大型结构抗震实验中应用比较多且取得了很大进展，但是在很多特殊的方面研究和应用都比较少，邱法维等[6]对子结构拟动力实验方法、结构的多维多点地震输入问题、土与结构相互作用问题、土层地震反应分析的概念和思想做了一些讨论。

四、结论与展望

到目前为止的研究表明，拟动力试验方法是进行结构抗震试验十分有力且适用面广的方法。日本、美国及其他地方的验证性试验已证明，拟动力试验方法是可靠的，并可获得准确的结果，在模拟大型复杂结构地震反应的试验研究中，拟动力试验方法是当前最强有力的试验方法, 而且隐式数值积分方法与子结构的结合使拟动力试验的应用领域从最初的研究结构本身扩展到研究土与结构相互作用、土层地震反应分析、桥梁结构、多维多点地震输入和设备抗震等方面。

计算机网络的日益普及和网络速度的逐步提高为各个学科领域构建协同科学研究环境提供了技术基础，土木工程结构试验也有向网络化发展的趋势。结构远程协同试验研究，特别是子结构拟动力试验将会是地震作用研究的一个重要方面。

参考文献：

[1]中国主要地震带及历史震中分布图(组图)[EB/OL].[2008-06-11]. /a/20100113/002640.htm

[2]邱法维，钱稼茹，陈志鹏．结构抗震实验方法[M]．北京：科学出版社，2O00．

[3]Hakuno M，Shidowara M，Hara T．Dynamic Destrutive Test of a Cantilever Beam, Cantrolled by an Analog-Computer[J]. Transactions of the Japan Society of Civil Engineering, 1969, 171(12).