MTS土木结构试验系统在结构静力试验中的应用

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摘 要：通过对目前常用的土木结构抗震试验方法之一拟静力试验方法的介绍，结合mts土木结构试验系统的一些常用功能，论述了该系统无论硬件系统还是软件操作系统都能够满足抗震试验的要求。同时也介绍了《建筑抗震试验方法规程》（JGJ 101-96）对加载制度做出得规定和基本原则，有针对性的说明了土木抗震试验中常用的加载制度和试验控制的方法。最后介绍了试验所得的试验数据通过东华测试公司的DH3817动静态测试系统采集，以及试验数据的处理。

关键词：MTS 电液伺服加载系统 土木结构 抗震试验验 拟静力试验 加载制度

中图分类号：TU317 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）08（a）-0140-02

有史以来，地震对人类建造的工程结构无论是破坏力还是是破坏的影响都是最大的，为了研究如何能最大程度的减小地震的影响，人类进行了大量的探索，其中拟静力试验是一种很有效的模拟地震破坏的一种方法。

目前研究结构或构件性能中应用最多的试验方法是拟静力试验方法。这种试验可以提供构件的各种基本信息：承载力、刚度、变形能力、耗能能力和损伤特征等。该试验方法采用一定的载荷控制或变形控制对试件进行低周反复加载，使试件从弹性阶段直至破坏的一种试验。该方法的加载速率很低，因此由于加载速率而引起的应力、应变的变化速率对于试验结果的影响很小，可以忽略不计。

通过试验所得的滞回曲线和曲线所包围的面积求得结构的等效阻尼比，衡量结构的耗能能力，同时还可得到骨架曲线，结构的初始刚度及刚度退化等参数是进行结构拟静力试验的主要目的，建立结构在地震作用下的恢复力特性，确定结构构件恢复力的计算模型。由此可以进一步从强度、变形和能量等三个方面判断和鉴定结构的抗震性能。最后可以通过试验研究结构构件的破坏机制，为改进现行结构抗震设计方法及改进结构设计的构造措施提供依据。

根据试验目的的不同以及结构性能的差别，加载制度也有区别。例如，钢筋混凝土桥墩，在试验中由于种种原因限制，低周反复加载过程中，达到同样大小的位移，正负向作用力不相等，如果在桥墩屈服之前就利用荷载控制加载，往往会出现桥墩零位的偏移，就是和桥墩处是安装的中心位置（零点）偏移，试验得出的滞回曲线不能封闭，很难判断桥墩的屈服点，如果一开始就用位移来控制加载，很好的解决了这个问题，也方便对试验数据进行处理。当很难确定明显的屈服点，这时，只能采用较小的级差，逐步达到最大荷载。又例如，为了研究不规则的地震运动导致的结构损伤积累，可以采用混合变幅加载制度。

1 设备的特性和功能

在结构静力试验中，我们试验室现有的MTS土木测试系统和上海东华测试有限公司的3817动静态采集系统相配合很好的进行了拟静力试验。（见图1、图2）

MTS土木结构试验系统主要有：电液伺服作动器、模拟控制器、液压源、液压管路和测量仪器（力传感器、位移传感器）。电液伺服作动器是整个试验系统的执行者，接到加载命令后，把电信号转化为活塞杆的运动，从而达到对试件的推进和拉伸。模拟控制器只对电液伺服做动器提供命令信号，指挥做动器完成需要的相应动作。液压源为整个试验系统提供动力支持，对于MTS这种高精度的仪器，对液压源提出了很高的要求，液压油的压力和流量的稳定，用油的洁净度以及油温都有要求，为了达到合适的工作油温，MTS配有自动冷却水系统和高温预警系统。（见图3）

2 加载制度

目前常用的拟静力加载试验规则主要有三种：位移控制加载、力控制加载、力-位移混合控制加载。

（1）位移控制加载是以位移作为控制量，按照设定的位移增幅进行循环加载，有时是由小到大变幅值的，有时幅值是恒定的，有时幅值是可以变化的；

（2）采用力控制加载是以每次循环的力幅值作为控制量进行加载的，试件屈服后难以采用力控制，只能采用位移来控制，所以这种加载方式较少单独使用；

（3）力-位移混合控制加载方法首先是以力控制进行加载，当试件达到屈服时改用位移控制。

为了统一建筑抗震试验，我国《建筑抗震试验方法规程》JGJl01-96中规定：试件屈服前，应采用荷载控制并分级加载，接近开裂和屈服荷载前宜减小级差加载；试件屈服后应采用变形控制，变形值应取屈服时试件的最大位移值，并以该位移的倍数为级差进行控制加载；施加反复荷载的次数应根据试验目的确定，屈服前每级荷载可反复一次，屈服以后宜反复三次。

上述规定在实际应用上存在具体问题，一是目前仍然是用人工方法检查和确定开裂荷载，逐级加载也难以准确地得到开裂荷载；另一个问题是没有一个确定屈服点的统一标准。

在试验过程中很难精确确定试件的屈服载荷和屈服位移，由人的经验判断，所以试验中判断试件屈服与否只是一个不精确的概念。

另外，有些试件本身没有明显的屈服点，对于这样的试件，应当考虑用位移控制完成试验。

拟静力试验的主要对象是试验构件，试验装置是否满足试件在整个试验过程的加载条件和边界条件是试验成败的一个关键问题。

由于拟静力试验类型复杂，目前还没没有专门的软件对拟静力试验进行有效控制，试件的屈服点的出现很难做出准确判断，仅由试验者凭经验判别，相应的误差也比较大，主观性强。

拟静力试验是多维试验，结构多维理论的研究进展比较缓慢，同时多维拟静力试验设备、设施较少，试验加载控制比较困难，也缺乏相应的多维加载控制软件，具体实施起来，难度较大。特别是加载规则随意性很大，且还没有规范或规程。另外是控制模式的选择以及转换条件很难确定。

MTS土木结构试验系统为结构的拟静力加载试验提供了良好的基础，该系统包括：主控计算机、控制系统FlexFest GT、1450KN做动缸（拉960KN，压1450N）位移传感器（±250mm）；496KN做动缸（拉291KN，压496KN）；252.25G-01伺服阀（流量15gPm）；位移传感器（±250mm）；油泵505.60（压力21MPa，流量200LPm）；控制系统FlexFest GT；蓄能器293.12（191 LPm）；主控计算机。油泵505.60（压力21MPa，流量200LPm）、A/D和D/A转换器、模拟控制器、传感器等。上述各项指标完全可以满足结构工程试验中的动态、静态加载控制和数据采集的要求。A/D、D/A转换器的驱动程序可以采用汇编语言等编写；对于结构工程研究人员来说，整个试验过程采用高级语言编写软件进行控制比较方便，采用自带的Basic TestWare， and MultiPurpose TestWare软件，也很方便的对做动器进行操作。

在位移变幅加载情况下，首先考虑变幅位移控制加载规则；需要特别强调的是，加载规则中的位移控制和力控制与电液伺服加载系统中的位移控制模式和力控制模式是两个不同的概念，电液伺服加载系统的控制模式是指整个闭环控制系统的控制方式，位移控制模式是指加载系统的命令信号是位移指令，而且反馈信号也是位移量测值；力控制模式是指加载系统的命令信号是力指令，而且反馈信号也是力的量测值，整个系统是一个力控制闭环。加载规则是针对试件的控制参量而言，系统控制模式是针对试验设备而言的。

由于采用的是变幅位移控制加载规则，所以试验系统采用位移控制模式进行加载；控制软件除满足加载规则外，还要考虑以下几点。

（1）在试验的过程中，需要中断（暂停）功能，根据试验进程，为观察试件的破坏情况，比如开裂等现象，观察后，再继续进行试验。（MultiPurpose TestWare软件可以满足）

（2）在试验过程中可以随时修改有关加载参数，以满足试验的要求。

（3）实时监测和记录数据的功能。（3817测试系统可以很完美的和MTS系统相配套）

4 试验数据处理

试验数据通过东华测试公司的DH3817动静态测试系统采集，DH3817通过采集卡和MTS控制系统相连接，实时采集到力、位移、应变等信号并存盘。在试验过程中，随时调出滞回曲线等信息，及时判断试件是否进入屈服状态，随时调整试验方案。试验完毕，试验结果将以图表和电子表格的形式输出，直观而且易于处理，得到了良好的效果。（见图4）

参考文献

[1]邱法维，潘鹏.结构拟静力加载试验方法及控制[J].土木工程学报，2002，35（1）：1-5，10.

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

[3]易伟健，张望喜.建筑结构试验[M].北京：中国建筑工业出版社，2005：122-129.

[4]邱法维，钱稼茹，陈志鹏.结构抗震试验方法[M].北京：科学技术出版社，2000：9-15.