王紅偉

摘 要：通過對目前常用的土木結(jié)構(gòu)抗震試驗(yàn)方法之一擬靜力試驗(yàn)方法的介紹，結(jié)合MTS土木結(jié)構(gòu)試驗(yàn)系統(tǒng)的一些常用功能，論述了該系統(tǒng)無論硬件系統(tǒng)還是軟件操作系統(tǒng)都能夠滿足抗震試驗(yàn)的要求。同時也介紹了《建筑抗震試驗(yàn)方法規(guī)程》（JGJ 101-96）對加載制度做出得規(guī)定和基本原則，有針對性的說明了土木抗震試驗(yàn)中常用的加載制度和試驗(yàn)控制的方法。最后介紹了試驗(yàn)所得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)通過東華測試公司的DH3817動靜態(tài)測試系統(tǒng)采集，以及試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理。

關(guān)鍵詞：MTS 電液伺服加載系統(tǒng) 土木結(jié)構(gòu) 抗震試驗(yàn)驗(yàn) 擬靜力試驗(yàn) 加載制度

中圖分類號：TU317 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）08（a）-0140-02

有史以來，地震對人類建造的工程結(jié)構(gòu)無論是破壞力還是是破壞的影響都是最大的，為了研究如何能最大程度的減小地震的影響，人類進(jìn)行了大量的探索，其中擬靜力試驗(yàn)是一種很有效的模擬地震破壞的一種方法。

目前研究結(jié)構(gòu)或構(gòu)件性能中應(yīng)用最多的試驗(yàn)方法是擬靜力試驗(yàn)方法。這種試驗(yàn)可以提供構(gòu)件的各種基本信息：承載力、剛度、變形能力、耗能能力和損傷特征等。該試驗(yàn)方法采用一定的載荷控制或變形控制對試件進(jìn)行低周反復(fù)加載，使試件從彈性階段直至破壞的一種試驗(yàn)。該方法的加載速率很低，因此由于加載速率而引起的應(yīng)力、應(yīng)變的變化速率對于試驗(yàn)結(jié)果的影響很小，可以忽略不計(jì)。

通過試驗(yàn)所得的滯回曲線和曲線所包圍的面積求得結(jié)構(gòu)的等效阻尼比，衡量結(jié)構(gòu)的耗能能力，同時還可得到骨架曲線，結(jié)構(gòu)的初始剛度及剛度退化等參數(shù)是進(jìn)行結(jié)構(gòu)擬靜力試驗(yàn)的主要目的，建立結(jié)構(gòu)在地震作用下的恢復(fù)力特性，確定結(jié)構(gòu)構(gòu)件恢復(fù)力的計(jì)算模型。由此可以進(jìn)一步從強(qiáng)度、變形和能量等三個方面判斷和鑒定結(jié)構(gòu)的抗震性能。最后可以通過試驗(yàn)研究結(jié)構(gòu)構(gòu)件的破壞機(jī)制，為改進(jìn)現(xiàn)行結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方法及改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的構(gòu)造措施提供依據(jù)。

根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康牡牟煌约敖Y(jié)構(gòu)性能的差別，加載制度也有區(qū)別。例如，鋼筋混凝土橋墩，在試驗(yàn)中由于種種原因限制，低周反復(fù)加載過程中，達(dá)到同樣大小的位移，正負(fù)向作用力不相等，如果在橋墩屈服之前就利用荷載控制加載，往往會出現(xiàn)橋墩零位的偏移，就是和橋墩處是安裝的中心位置（零點(diǎn)）偏移，試驗(yàn)得出的滯回曲線不能封閉，很難判斷橋墩的屈服點(diǎn)，如果一開始就用位移來控制加載，很好的解決了這個問題，也方便對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。當(dāng)很難確定明顯的屈服點(diǎn)，這時，只能采用較小的級差，逐步達(dá)到最大荷載。又例如，為了研究不規(guī)則的地震運(yùn)動導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)損傷積累，可以采用混合變幅加載制度。

1 設(shè)備的特性和功能

在結(jié)構(gòu)靜力試驗(yàn)中，我們試驗(yàn)室現(xiàn)有的MTS土木測試系統(tǒng)和上海東華測試有限公司的3817動靜態(tài)采集系統(tǒng)相配合很好的進(jìn)行了擬靜力試驗(yàn)。（見圖1、圖2）

MTS土木結(jié)構(gòu)試驗(yàn)系統(tǒng)主要有：電液伺服作動器、模擬控制器、液壓源、液壓管路和測量儀器（力傳感器、位移傳感器）。電液伺服作動器是整個試驗(yàn)系統(tǒng)的執(zhí)行者，接到加載命令后，把電信號轉(zhuǎn)化為活塞桿的運(yùn)動，從而達(dá)到對試件的推進(jìn)和拉伸。模擬控制器只對電液伺服做動器提供命令信號，指揮做動器完成需要的相應(yīng)動作。液壓源為整個試驗(yàn)系統(tǒng)提供動力支持，對于MTS這種高精度的儀器，對液壓源提出了很高的要求，液壓油的壓力和流量的穩(wěn)定，用油的潔凈度以及油溫都有要求，為了達(dá)到合適的工作油溫，MTS配有自動冷卻水系統(tǒng)和高溫預(yù)警系統(tǒng)。（見圖3）

2 加載制度

目前常用的擬靜力加載試驗(yàn)規(guī)則主要有三種：位移控制加載、力控制加載、力-位移混合控制加載。

（1）位移控制加載是以位移作為控制量，按照設(shè)定的位移增幅進(jìn)行循環(huán)加載，有時是由小到大變幅值的，有時幅值是恒定的，有時幅值是可以變化的；

（2）采用力控制加載是以每次循環(huán)的力幅值作為控制量進(jìn)行加載的，試件屈服后難以采用力控制，只能采用位移來控制，所以這種加載方式較少單獨(dú)使用；

（3）力-位移混合控制加載方法首先是以力控制進(jìn)行加載，當(dāng)試件達(dá)到屈服時改用位移控制。

為了統(tǒng)一建筑抗震試驗(yàn)，我國《建筑抗震試驗(yàn)方法規(guī)程》JGJl01-96中規(guī)定：試件屈服前，應(yīng)采用荷載控制并分級加載，接近開裂和屈服荷載前宜減小級差加載；試件屈服后應(yīng)采用變形控制，變形值應(yīng)取屈服時試件的最大位移值，并以該位移的倍數(shù)為級差進(jìn)行控制加載；施加反復(fù)荷載的次數(shù)應(yīng)根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康拇_定，屈服前每級荷載可反復(fù)一次，屈服以后宜反復(fù)三次。

上述規(guī)定在實(shí)際應(yīng)用上存在具體問題，一是目前仍然是用人工方法檢查和確定開裂荷載，逐級加載也難以準(zhǔn)確地得到開裂荷載；另一個問題是沒有一個確定屈服點(diǎn)的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。

在試驗(yàn)過程中很難精確確定試件的屈服載荷和屈服位移，由人的經(jīng)驗(yàn)判斷，所以試驗(yàn)中判斷試件屈服與否只是一個不精確的概念。

另外，有些試件本身沒有明顯的屈服點(diǎn)，對于這樣的試件，應(yīng)當(dāng)考慮用位移控制完成試驗(yàn)。

擬靜力試驗(yàn)的主要對象是試驗(yàn)構(gòu)件，試驗(yàn)裝置是否滿足試件在整個試驗(yàn)過程的加載條件和邊界條件是試驗(yàn)成敗的一個關(guān)鍵問題。

由于擬靜力試驗(yàn)類型復(fù)雜，目前還沒沒有專門的軟件對擬靜力試驗(yàn)進(jìn)行有效控制，試件的屈服點(diǎn)的出現(xiàn)很難做出準(zhǔn)確判斷，僅由試驗(yàn)者憑經(jīng)驗(yàn)判別，相應(yīng)的誤差也比較大，主觀性強(qiáng)。

擬靜力試驗(yàn)是多維試驗(yàn)，結(jié)構(gòu)多維理論的研究進(jìn)展比較緩慢，同時多維擬靜力試驗(yàn)設(shè)備、設(shè)施較少，試驗(yàn)加載控制比較困難，也缺乏相應(yīng)的多維加載控制軟件，具體實(shí)施起來，難度較大。特別是加載規(guī)則隨意性很大，且還沒有規(guī)范或規(guī)程。另外是控制模式的選擇以及轉(zhuǎn)換條件很難確定。

MTS土木結(jié)構(gòu)試驗(yàn)系統(tǒng)為結(jié)構(gòu)的擬靜力加載試驗(yàn)提供了良好的基礎(chǔ)，該系統(tǒng)包括：主控計(jì)算機(jī)、控制系統(tǒng)FlexFest GT、1450KN做動缸（拉960KN，壓1450N）位移傳感器（±250mm）；496KN做動缸（拉291KN，壓496KN）；252.25G-01伺服閥（流量15gPm）；位移傳感器（±250mm）；油泵505.60（壓力21MPa，流量200LPm）；控制系統(tǒng)FlexFest GT；蓄能器293.12（191 LPm）；主控計(jì)算機(jī)。油泵505.60（壓力21MPa，流量200LPm）、A/D和D/A轉(zhuǎn)換器、模擬控制器、傳感器等。上述各項(xiàng)指標(biāo)完全可以滿足結(jié)構(gòu)工程試驗(yàn)中的動態(tài)、靜態(tài)加載控制和數(shù)據(jù)采集的要求。A/D、D/A轉(zhuǎn)換器的驅(qū)動程序可以采用匯編語言等編寫；對于結(jié)構(gòu)工程研究人員來說，整個試驗(yàn)過程采用高級語言編寫軟件進(jìn)行控制比較方便，采用自帶的Basic TestWare， and MultiPurpose TestWare軟件，也很方便的對做動器進(jìn)行操作。

在位移變幅加載情況下，首先考慮變幅位移控制加載規(guī)則；需要特別強(qiáng)調(diào)的是，加載規(guī)則中的位移控制和力控制與電液伺服加載系統(tǒng)中的位移控制模式和力控制模式是兩個不同的概念，電液伺服加載系統(tǒng)的控制模式是指整個閉環(huán)控制系統(tǒng)的控制方式，位移控制模式是指加載系統(tǒng)的命令信號是位移指令，而且反饋信號也是位移量測值；力控制模式是指加載系統(tǒng)的命令信號是力指令，而且反饋信號也是力的量測值，整個系統(tǒng)是一個力控制閉環(huán)。加載規(guī)則是針對試件的控制參量而言，系統(tǒng)控制模式是針對試驗(yàn)設(shè)備而言的。

由于采用的是變幅位移控制加載規(guī)則，所以試驗(yàn)系統(tǒng)采用位移控制模式進(jìn)行加載；控制軟件除滿足加載規(guī)則外，還要考慮以下幾點(diǎn)。

（1）在試驗(yàn)的過程中，需要中斷（暫停）功能，根據(jù)試驗(yàn)進(jìn)程，為觀察試件的破壞情況，比如開裂等現(xiàn)象，觀察后，再繼續(xù)進(jìn)行試驗(yàn)。（MultiPurpose TestWare軟件可以滿足）

（2）在試驗(yàn)過程中可以隨時修改有關(guān)加載參數(shù)，以滿足試驗(yàn)的要求。

（3）實(shí)時監(jiān)測和記錄數(shù)據(jù)的功能。（3817測試系統(tǒng)可以很完美的和MTS系統(tǒng)相配套）

4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)通過東華測試公司的DH3817動靜態(tài)測試系統(tǒng)采集，DH3817通過采集卡和MTS控制系統(tǒng)相連接，實(shí)時采集到力、位移、應(yīng)變等信號并存盤。在試驗(yàn)過程中，隨時調(diào)出滯回曲線等信息，及時判斷試件是否進(jìn)入屈服狀態(tài)，隨時調(diào)整試驗(yàn)方案。試驗(yàn)完畢，試驗(yàn)結(jié)果將以圖表和電子表格的形式輸出，直觀而且易于處理，得到了良好的效果。（見圖4）

參考文獻(xiàn)

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