結(jié)構(gòu)檢驗 第七章

1、第七章 存在(cnzi)的問題與展望 趙均海 教授(jioshu)共三十八頁結(jié)構(gòu)抗震實驗方法經(jīng)過幾十年的發(fā)展，取得了重要的成就，促進了結(jié)構(gòu)抗震理論的發(fā)展。但是結(jié)構(gòu)抗震實驗方法仍然(rngrn)處于發(fā)展中，這種發(fā)展具有兩重意思，一個是實驗方法自身的不斷發(fā)展和完善，另一個是實驗方法向其它研究領(lǐng)域的應(yīng)用拓展。共三十八頁這方面存在著許多問題有待于進一步考慮(kol)、研究和解決。從目前發(fā)展來看，抗震實驗方法還遠沒有達到完善的程度。共三十八頁7.1 擬靜力實驗(shyn)的加載規(guī)則問題擬靜力實驗方法的核心問題是加載規(guī)則的選擇和實驗結(jié)果的描述，雖然我國已經(jīng)(y jing)發(fā)布了建筑抗震試驗方法規(guī)程1，許多

2、問題仍然沒有解決。 共三十八頁在進行擬靜力實驗時，一般的作法是試件屈服前采用力控制，試件屈服后則采用位移控制?？墒侨绾闻袛嘣嚰那虼_定屈服點到目前還沒有完全解決(jiju)，更不用說有些試件根本就不存在屈服點。共三十八頁事實上，屈服(qf)點是實驗之后根據(jù)某種等效原則確定的，所以實驗過程中無法根據(jù)屈服(qf)點加載以及轉(zhuǎn)換控制模式。目前進行的擬靜力實驗還是采用人工的方式來近似判斷試件是否屈服(qf)，這種判斷是經(jīng)驗性的和模糊的，無法讓計算機執(zhí)行。共三十八頁擬靜力實驗按什么樣的加載規(guī)則進行以及在每一級加載時循環(huán)多少圈仍然存在疑問，例如每一級的加載循環(huán)三圈還是循環(huán)二圈還缺乏充分的實驗根據(jù)和比較

3、研究，因為(yn wi)循環(huán)三圈得到的實驗結(jié)果與循環(huán)二圈得到的實驗結(jié)果無法直接比較，至少目前是這樣。 共三十八頁關(guān)于二維擬靜力加載實驗，雖然(surn)已經(jīng)有了多種加載規(guī)則，但是選擇哪一種加載規(guī)則進行實驗是很困難的事情，我們甚至不清楚幾種二維加載規(guī)則之間有什么差異。在這種情況下進行二維擬靜力加載實驗，其結(jié)果的可比性和一般性就可想而知了，所幸的是二維地震加載實驗可以模擬結(jié)構(gòu)的實際破壞狀態(tài)。共三十八頁斯坦福大學(xué)的H. Krawinkler針對循環(huán)加載的擬靜力實驗方法提出了如下(rxi)的兩個問題2：(1)循環(huán)多少圈，加多大的變形幅值，什么樣的循環(huán)序列可以用于評價結(jié)構(gòu)的地震表現(xiàn)?(2)從預(yù)定加載歷程

4、下的實驗結(jié)果能否推出相同試件在不同加載歷程下的響應(yīng)?共三十八頁他在文章中根據(jù)累積損傷模型詳細(xì)討論了加載規(guī)則問題，但是答案并不是唯一的，首先要針對具體試件和實驗所關(guān)心的主要(zhyo)內(nèi)容。共三十八頁盡管擬靜力實驗(shyn)的加載規(guī)則還存在問題，屈服點的確定還有待于研究，但是目前進行擬靜力實驗(shyn)的加載設(shè)備已經(jīng)可以完全實現(xiàn)自動化的實驗(shyn)控制，包括力控制模式與位移控制模式的實時平滑轉(zhuǎn)換，只要研究人員能夠確定出實驗(shyn)加載規(guī)則，因為這類控制功能已經(jīng)被包括在實驗(shyn)軟件中。共三十八頁7.2 實驗方法(fngf)與抗震設(shè)計之間的關(guān)系無論是地震模擬振動臺實驗(shyn)

5、還是擬動力實驗(shyn)方法，都與目前的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計方法和設(shè)計規(guī)范缺乏直接的聯(lián)系，一個重要原因是實驗(shyn)輸入的地震波只是設(shè)計的一個特例，不能代表結(jié)構(gòu)設(shè)計的全部內(nèi)容。 共三十八頁像EL-Centro地震波和Taft地震波無論是在時域還是在頻域兩者都沒有共同之處，它們只是處于(chy)設(shè)計反應(yīng)譜的某一段區(qū)間內(nèi)；如果采用人工地震波，它也只是設(shè)計反應(yīng)譜的一個樣本，而且不能認(rèn)為是再現(xiàn)了任何一次實際地震。 共三十八頁所以單一(dny)地震記錄不能代表地震動的一般特征，而且結(jié)構(gòu)本身和基礎(chǔ)之間的相互作用也將改變地震動的輸入。因此，地震模擬振動臺實驗和擬動力實驗的輸入地震波選擇具有很大的隨意性。共三十

6、八頁對于剛度大的多自由度結(jié)構(gòu)，選擇簡單的位移分布或荷載(hzi)分布進行擬靜力實驗也是非常困難的，如果位移模式一定，則各自由度之間的耦合將導(dǎo)致虛假的荷載(hzi)分布；如果荷載(hzi)模式一定且接近某個振動模態(tài)，則可能丟失高階模態(tài)的重要影響。共三十八頁雖然地震模擬振動臺實驗和擬動力實驗方法(fngf)能夠使結(jié)構(gòu)自由地選擇位移分布和荷載分布，并與結(jié)構(gòu)的損傷過程相聯(lián)系，但是輸入地震波的隨意性仍然存在。共三十八頁子結(jié)構(gòu)擬動力實驗技術(shù)可以在很大程度上解決剛度(n d)大的多自由度結(jié)構(gòu)問題，因為計算子結(jié)構(gòu)之間的耦合問題可以通過高精度的數(shù)值計算來保證，而實驗子結(jié)構(gòu)的自由度已經(jīng)很少了，它與計算子結(jié)構(gòu)之間的

7、耦合很容易保證。共三十八頁美國學(xué)者F. Seible3等人提出一種稱之為廣義序列位移GSD(Generated Sequential Displacement)的實驗方法，這是向結(jié)構(gòu)抗震(kngzhn)設(shè)計靠攏的一種實驗方法。這種方法的根本出發(fā)點是直接從反應(yīng)譜入手。 共三十八頁具體作法是首先從不同的地震記錄中選擇不同的小區(qū)段(一般是l2s的持時)；然后重新組合，即用這些小區(qū)段乘上一個放大系數(shù)組成一個子記錄，每個子記錄中包含來自不同地震波的小區(qū)段(36個)，但最大加速度峰值按順序(shnx)提高； 共三十八頁最后將這些子記錄合成為不同持時的地震子記錄，每個地震子記錄不代表任何一個實際地震，但是要

8、求它的形狀接近設(shè)計反應(yīng)譜的形狀，根據(jù)反應(yīng)譜的大小將地震子記錄按由小到大的順序連接就形成了一個GSD實驗用的輸入(shr)地震波；這樣的實驗結(jié)果至少是在接近結(jié)構(gòu)設(shè)計反應(yīng)譜的情況下得到的地震反應(yīng)。 共三十八頁G. M. Calvi和G. R. Kingsley 4 在詳細(xì)比較了擬靜力實驗方法、擬動力實驗方法和地震模擬振動臺實驗方法之后得出的結(jié)論是：雖然現(xiàn)在研究人員可以選擇的實驗方法比較多，但是不存在單一的某種實驗方法能夠全面滿足結(jié)構(gòu)抗震研究的需要，選擇哪種實驗方法需要根據(jù)期望(qwng)的結(jié)果和實驗的內(nèi)容來決定，這樣才能避免時間和金錢的浪費。 共三十八頁7.3 擬動力(dngl)實驗方法的拓展問題

9、本書比較全面地介紹和討論了擬動力實驗方法的應(yīng)用(yngyng)和發(fā)展情況，著重于實驗方法的發(fā)展過程以及概念、原理和技術(shù)，同時給出了詳細(xì)的數(shù)值計算方法和具體的實驗細(xì)節(jié)。 共三十八頁上述擬動力實驗在各個方面的發(fā)展和應(yīng)用結(jié)果表明，擬動力實驗方法可以在工程結(jié)構(gòu)抗震的許多研究領(lǐng)域發(fā)揮重要的作用；盡管擬動力實驗方法本身還有許多方面正在不斷地發(fā)展和完善，但是(dnsh)在模擬大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的實驗研究中，擬動力實驗方法是目前最強有力的實驗方法。 共三十八頁擬動力實驗方法在結(jié)構(gòu)(jigu)抗震研究中取得了巨大成功，但是它的思路和方法并不是僅僅局限于結(jié)構(gòu)(jigu)工程領(lǐng)域，這種思路和方法可以拓展到眾多的工

10、程領(lǐng)域。共三十八頁擬動力實驗方法的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，擬動力實驗方法不僅適用于一般的建筑結(jié)構(gòu)，也適用于大跨結(jié)構(gòu)、橋梁工程、巖土工程、水工結(jié)構(gòu)和海洋結(jié)構(gòu)工程等領(lǐng)域，在機械、電力和汽車工業(yè)等領(lǐng)域也具有(jyu)廣泛的應(yīng)用前景。共三十八頁擬動力實驗所模擬的激勵荷載也應(yīng)是多種類型的，除了地震荷載之外，像風(fēng)、海浪、海冰、水流等對結(jié)構(gòu)的作用也可以(ky)在一定條件下模擬，而沖擊、撞擊、爆炸荷載也需要進一步考慮。共三十八頁結(jié)構(gòu)模型相似理論需要有較大的突破，雖然它并不是抗震實驗本身的問題(wnt)，但是它的發(fā)展無疑會對結(jié)構(gòu)抗震實驗提供重要的基礎(chǔ)，因為實驗室規(guī)模和設(shè)備的能力對試件尺寸的限制永遠都會存在的。 共三十

11、八頁對于彈性模型，目前的靜力相似和動力相似理論基本能夠滿足實驗的要求；但是對于抗震實驗，結(jié)構(gòu)模型往往(wngwng)是進行破壞性實驗，如何將模型實驗結(jié)果推廣到原型結(jié)構(gòu)上去是一項關(guān)鍵內(nèi)容，它涉及到實驗結(jié)果對實際結(jié)構(gòu)的指導(dǎo)意義和評價功能，所以需要發(fā)展非線性的動力相似理論。共三十八頁另外，擬動力實驗通用軟件的開發(fā)工作已經(jīng)受到重視，MTS公司已經(jīng)基于-方法開發(fā)出一種結(jié)構(gòu)擬動力實驗軟件5,6, 其它的有關(guān)設(shè)備公司也正在進行相關(guān)軟件的開發(fā)工作。相信，將來的結(jié)構(gòu)抗震實驗自動化程度會非常高，研究人員(rnyun)會越來越方便。共三十八頁7.4 關(guān)于(guny)實驗研究人員和實驗室問題實驗研究人員是實驗方法和實

12、驗技術(shù)發(fā)展中最關(guān)鍵的因素。由于現(xiàn)代實驗設(shè)備都是由電子技術(shù)、機械和液壓等組成(z chn)的高技術(shù)產(chǎn)品，所以要求實驗技術(shù)研究人員的知識構(gòu)成具有多學(xué)科、多領(lǐng)域的綜合知識， 共三十八頁同時他們也肩負(fù)著相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的融合與溝通，對其它領(lǐng)域進行宣傳和推廣的任務(wù)。實驗研究人員之間的廣泛(gungfn)交流和密切合作，尤其是國際間的交流與合作是促進實驗方法和實驗技術(shù)發(fā)展的源泉。 共三十八頁目前國內(nèi)許多大型結(jié)構(gòu)實驗室的現(xiàn)狀難以令人滿意，實驗設(shè)備的閑置情況比較嚴(yán)重。這固然有一些客觀因素，但是實驗技術(shù)研究人員缺乏、現(xiàn)有實驗室人員沒有(mi yu)積極性則是主要的原因。 共三十八頁另外，購置設(shè)備時一次性投資很大，可

13、是日后的設(shè)備維護和更新方面經(jīng)費短缺，無形中加速了設(shè)備的損耗和貶值。雖然這種情況正在不斷(bdun)改變，但是距真正解決問題、扭轉(zhuǎn)這種局面還有一定距離。 共三十八頁隨著國家211工程(gngchng)的進行，國內(nèi)開始了新一輪的結(jié)構(gòu)實驗室建設(shè)和大型實驗設(shè)備的購置，建立一支穩(wěn)定的高水平的實驗技術(shù)隊伍是最基本的前提。共三十八頁但是，如何能夠充分發(fā)揮大型實驗設(shè)備的功能，為土木工程的科學(xué)研究和工程建設(shè)服務(wù)是目前實驗工作(gngzu)中最大的問題。過去的經(jīng)驗和教訓(xùn)都需要很好地總結(jié)，以便為今后的工作(gngzu)提供借鑒。共三十八頁參考文獻1 中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn), 建筑抗震試驗方法規(guī)程(guchng),

14、JGJ 10l96, 中國 建筑工業(yè)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. Igaras

15、hi 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.共三十八頁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.共三十八頁內(nèi)容摘要第七章 存在的問題與展望。目前進行的擬靜力實驗還是采用人工的方式(fngsh)來近似判斷試件是否屈服，這種判斷是經(jīng)驗性的和模