孙柏涛 姜 琪 闫培雷

(1.中国地震局工程力学研究所，黑龙江 哈尔滨 150080； 2.中国地震局地震工程与工程振动重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150080)

1 概述

结构抗震试验大致分四个阶段：筹划、准备、加载、分析整理，筹划阶段是根据试验目标来确定方法，准备阶段是确定加载方式和加载制度，加载阶段即测点布置和采集数据，分析整理阶段即数据的常规和特殊分析。

目前常用的结构抗震试验方法有：伪静力试验、拟动力试验、地震模拟振动台试验，本文将对这三种方法进行分析比对。

2 常用结构试验方法

结构试验的任务是在试验对象上使用各种仪器设备，在荷载作用下，通过测量与结构工作性能有关的各种参数(变形、挠度、频率、振幅等)，从强度、刚度、抗裂性以及实际破坏形态来判断结构的实际承载能力。

2.1 伪静力试验方法

伪静力试验是通过提前设计的荷载或位移模式对试验对象进行往复的加载，以此来得到试验对象的荷载—变形曲线的试验，它也称作低周往复加载试验，是结构抗震性能研究中应用最广泛的一种实验方法。优点是对设备的要求低、成本低，但是它根本缺点是不能反映地震时材料应变速率的影响。

2.1.1试件和传力设备

伪静力试验的对象多为单独的构件，如柱、墙、梁等，也可以是梁柱节点、简单的整体结构等。试件的尺寸要根据试验要求、试验设备规模和试验成本来确定；试件的设置条件要与该构件在实际情况下的边界条件、受力状态和布置形式尽可能吻合。传力设备一般包括反力墙、反力地板、加载架等，根据试验的具体情况还需附加一些传力杆件等。传力设备应具备足够的强度、刚度和整体稳定性，同时还要具备满足试验要求的输出能力。

图1为伪静力试验中某墙体的设置方式，墙体通过千斤顶施加竖向荷载，在门架梁和千斤顶之间应设置滚动导轨，其摩擦系数不应大于0.01。

2.1.2加载制度和加载方式

试验加载制度指的就是试验运行时，荷载和加载时间的相互控制关系。对这种相互关系有影响的参数包括：加载速度、加载时间步长、分级荷载和加、卸载循环次数等。

单向往复加载试验的加载制度：变位移控制加载、变荷载控制加载和变荷载—变位移混合控制加载等方式。一般，通常采用变位移控制的加载制度，双向往复的加载制度比单项往复复杂，但有时为了精确模拟实际受力状态往往会采用双向同时加载。

试验正式开始前，预先施加反复荷载调试两次，例如：对混凝土结构和砌体结构试体，预先施加荷载值不应当超过开裂荷载值的30%和20%。试验正式开始时，施加荷载的方法要综合考虑试验目标和试件特点确定。首先应当施加预估开裂荷载值的40%～60%，重复此过程2次～3次，然后逐级加载，直至预估开裂荷载值。验证试件承载能力和破坏特征时，首先对试件施加荷载，直到极限荷载的下降段，以混凝土结构试件为例，下降值应控制在最大荷载的85%以内。试件屈服前，采用荷载控制并分级加载，试体屈服后应采用变形控制，以屈服时的最大变形值为级差进行控制加载。反复荷载次数在试体屈服前每级可一次，试体屈服后每级宜3次。

2.1.3试验结果分析

伪静力试验的典型试验结果是试体的滞回曲线，它反映了试体的刚度、强度、变形以及耗能特性，是确定结构本构关系和进行结构地震反应分析的依据。滞回曲线是复杂和离散的，应根据多个构件的试验结果确定其滞回曲线的性状，并用定量参数予以描述。

2.2 拟动力试验

拟动力试验是一种混合了加载、量测、数值计算等手段的试验方法。

2.2.1拟动力试验的原理

拟动力试验的基本思想是基于结构动力方程的数值计算过程。结构被简化为离散多自由度的，每个自由度的位移在试验中由一个作动器控制，其动力平衡微分方程为：

Ma+Cv+Kd=-M{I}ag。

其中,M,C,K分别为结构的质量矩阵、阻尼矩阵、刚度矩阵；a,v,d分别为结构运动的加速度向量、速度向量、位移向量；{I}为单位向量；ag为地面水平地震加速度。

首先建立结构的离散模型，其次在试验进程当中采用逐步积分法求解其运动微分方程，并应当预先确定结构质量和粘滞阻尼；刚度在试验中是根据时间步长来实时测定的。对应时间间隔Δt，采用逐步积分法求得各个自由度的位移，然后通过作动器将对应自由度的位移施加于试件，试件因变形产生的恢复力由力传感器测得，根据这些参数确定刚度K，并循环往复直至地震动结束。具体原理流程图见图2。

2.2.2图例及试验装置

图3为两层混凝土框架模型试验，通过千斤顶施加竖向荷载，在门架加载梁和千斤顶之间应设置滚动导轨，其摩擦系数不应大于0.01。伺服液压往复作动器一端球铰与反力墙相连，另一端球铰通过拉杆、压梁与试体相连，同时用锚杆把试体与反力地板相连。

2.3 地震模拟振动台试验

振动台试验是利用振动台装置进行的结构强迫振动试验的一种。2005年日本建成的15 m×20 m、承载能力1 200 t的振动台(E-Defence)是当今世界最大规模的地震模拟振动台。

通过地震模拟试验，可以测得不同结构的动力特性、地震响应、震害特征、破坏机理，可以验证结构本构关系、健康诊断技术、抗震加固技术等，为结构控制、地震工程、赈灾应急等的理论研究、工程应用和实际应用提供了丰富的试验数据。

举例说明典型的电液伺服式地震模拟振动台，其基本构成如图4所示。基本上由七大系统组成，即台面及支承导向系统、激振系统、控制系统、液压源系统、供电系统、量测系统和基础。各部分视地震模拟振动台建造成几个自由度而决定其所包含的组成内容。

3 结语

结构抗震试验是研究结构破坏的重要组成部分，它的特点是可以清晰直观的看到结构破坏的过程，并为理论模拟分析提供试验数据支撑，是当今土木工程领域重要的研究方法。