拟静力试验调研报告

理工大学国防工程学院攻读硕士学位研究生读书报告学号姓名学科、专业防灾减灾工程与防护工程研究方向指导教师1拟静力试验应用综述拟静力试验QUASISTATICTEST也称伪静力试验或低周反复加载试验，是结构抗震试验的一种，也是目前结构或构件性能研究中应用最广泛的试验方法。这种试验方法是在20世纪6070年代基于结构非线性地震反应分析的要求提的，其根本目的是对结构在荷载作用下的基本性能进行深入的研究，进而建立恢复力模型和承载力计算公式，探讨结构的破坏机制，并改进结构的抗震构造措施。除拟静力试验，结构抗震实验还包括地震模拟振动台实验、拟动力实验。地震模拟振动台实验最能真实再现结构地震动和结构反应,是目前研究结构抗震性能最准确的试验方法，主要用于检验结构抗震设计理论、方法和计算模型的正确与否。但由于台面尺寸和承载力的限制,只能进行小比例模型的试验,且往往配重不足,导致地震作用破坏形态的失真。拟动力试验与拟静力试验实验设备相同，但拟动力试验中已经通过数值方法考虑了惯性力和阻尼力的影响,试验结果比较能代表结构的真实地震反应。与以上两种试验相比，虽然拟静力试验不能模拟结构的地震反应过程但其具有以下优点（1）加载速率较低，由加载速率引起的应力、应变速率对实验结果的影响可以忽略；（2）试验过程可以随时停下来观察结构的开裂的破坏状态；便于检验校核试验数据和仪器的工作情况，并可按试验需要修正和改变加载历程；（3）可以最大限度的测试试件在荷载作用下的基本表现，如恢复力模型通过实验所得的滞回曲线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。性能判定判断试件的强度、刚度、变形、延性等。破坏机制通过实验研究结构构件的破坏机制及抗震性能。对大型结构来说，足尺试验是必须的，为克服大型结构在室内进行实验时的各种我们选取重要的结构构件进行拟静力试验，以获取用于计算机分析的数学模型。2拟静力试验系统组成及要求拟静力试验系统主要用于安装于反力墙或反力架上，对大型构件进行加载试验。主要包含作动器、液压泵站、协调加载控制系统。加载过去在实验室中,拟静力实验主要采用机械式千斤顶或液压式千斤顶进行加载。这类加载设备主要是手动加载,实验加载过程不容易控制,往往造成数据测量不稳定、不准确,实验结果分析困难。现在多采用电液伺服加载系统进行构件的加载。伺服控制系统是物体的方位、状态等输出被控制量能跟随输入值的变化而变化的自动控制系统。而伺服加载系统一方面以计算机发出的电信号指令为标准，控制伺服阀；另一方面，由传感器检测出的试件的某一力学参量转换为电信号，与设定的电参量比较，将得出的差值信号放大后控制电液伺服阀；两方面共同作用控制油源的输出油量从而实现对作动器的控制。完成拟静力加载试验的作动器的工作频率一般小于5HZ，最大静载可达1000K或500KN。作动器两端安装旋转支座，通过支座球形支承及予负荷调节机以消除间隙，减少摩擦，而不影响其自由度。在作动器中安装有力传感器和位移传感器，能精确测量活塞施加荷载及其位移。控制系统实验过程中数据采集发展趋势是自动化和智能化,计算机进行数据采集已经成为主流,这不仅提高了实验的精度,而且在实验过程中可以实时处理有关量测数据。控制系统控制加载主要有三种方式位移控制加载位移控制加载是以加载过程的位移作为控制量,按照一定的位移增幅进行循环加载。常以屈服位移或最大层间位移的某一百分比来控制加载，有时是由小到大变幅值的,有时幅值是恒定的,有时幅值是大小混合的，该控制方式是目前抗震恢复特性实验中使用最普遍的一种加载方控制方案。当实验对象具有明确屈服点时，一般都以屈服位移的倍数为控制值。当没有明确的屈服点（如轴力大的柱）或无屈服点时（如无筋砌体），则由研究者主观制定一个认为恰当的位移标准值来控制实验加载。力控制加载力控制加载方式是以每次循环的力幅值作为控制量进行加载,由于必须事先对实验结构的承载力进行估算，根据估算的承载力分级控制加载量，又试件屈服后难以控制加载的力,所以这种加载方式较少单独使用。力位移混合控制加载力位移混合控制加载方法,即先以力控制进行加载,当试件达到屈服状态时改用位移控制。建筑抗震试验方法规程规定试件屈服前，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，屈服前每级可反复一次，屈服后宜反复三次。液压泵站液压泵站是试验动力的提供者，主要由油泵电机组，油箱，油源冷却装置，电控系统，液压附件和子站及管路组成。液压能源的压力和流量应满足系统负载所需要的压力和流量，同时又不能造成能量及设备的浪费。当液压能源的压力流量特性曲线完全包围负载压力流量曲线并留有一定余量时，能源装置选择就是合理的。根据作动器最大静载及数量，该液压泵站应具备五组油泵电机组，由柔性联轴节与电机连接，并根据作动器数量和试验要求选择开启的数量。油源可以直接选择500L/MIN的较高供油压力，好处是在相同的输出功率时，由于压力高，流量小，可以减小部件的尺寸和重量，使液压装置结构紧凑，有利于提高系统的响应速度，也可以选择选择较200L/MIN的低供油压力需要结合蓄能器进行运作。蓄能器是液压系统中的常用辅助元件，其主要作用是作为辅助动力源，常在间歇性操作工况的液压系统中采用。当液压泵的供给流量大于系统的需要而有富余时，蓄能器把多余的油液暂时储存起来，当液压泵的供油不足以维持系统需要时，蓄能器和液压泵共同向系统供油，以满足系统流量所需，从而实现降低液压泵的驱动功率，降低设备运行成本，降低噪声。另一方面，用于提高液压系统的安全性和可靠性，一旦发生故障或停电时还可以作为应急动力源，避免事故发生。保持恒压，当实验要求压力长时间保持不变，直接用液压泵来保持恒压是不经济的，需要蓄能器提供能量保持恒压；当系统发生内漏时，蓄能器也可以补充供油，保持压力稳定。面对当今越来越高的试验要求，采用蓄能器作为辅助油源是有必要的。除以上要求，液压泵站有以下注意事项系统需要严格控制油液温度保持在2050，因此需要安装冷却装置；为保证装置使用年限，需要强化油源的污染控制及污染耐受度；电控系统需要有完善的过载、温度过限、管道阻塞报警及停机保护功能。浙江大学结构实验室拟静力加载设备为保证主设备正常工作，用来冷却油源的冷却塔放在屋顶，通过管道接入地下室，控制室位于一楼大厅远离反力墙的地方。油源设备较大，东南大学、西南交通大学结构实验室将油源放置在地下室，在反力墙附近开洞由软管输出能量。图1西南交通大学油源图2东南大学油管口3拟静力试验加载方式拟静力试验加载装置应满足不同结构试件的试验要求，提供与实际结构受力情况尽可能一致的模拟边界条件。几种比较典型的加载方式如下梁式构件试验装置梁式受弯构件在低周反复荷载试验后，塑性铰一般出现在荷载作用点的左右两侧。因此结构实验装置需要满足支座上下简支，左右可实现纵向变形，因此采用一端铰接，一端滚动。一台作动器在梁中央施加反复荷载。如图3图3墙体构件实验装置受弯剪墙体在承受荷载过程中只在顶部产生水平位移而不产生转动，由传力杆控制荷载传递，底部采用刚接以实现边界条件。墙体上部采用千斤顶与分配梁共同作用实现加载。图4图4墙体均布荷载及侧向荷载也可同时由L型钢梁实现，如图5图5柱构件实验装置水平向采用L型钢梁，始终保持横梁保持水平状态，作动器作用在L型梁短边，试件的1/2高度处，进一步传递至柱顶。框架柱上端不发生转动，反弯点位于框架柱的中点。此装置常用于进行考虑剪切效应的框架柱拟静力试验。图6图6该装置能较好的模拟出真实的剪切受力状态，但也存在一系列问题行四边形连杆机构的设计在整个装置中很重要，目前大部分试验装置的平行四边形连杆机构要求安装在L型钢梁和静力台座中的槽道上，这使杠杆水平尺寸较长，相应也需要较大的地面场地；平行四边形连杆机构的尺寸也很大，连杆刚度要求较高，连接铰间隙和摩擦问题也较突出；连杆机构的拆卸工作也较麻烦。针对这一系列问题，西安建筑科技大学结构与抗震重点实验室张兴虎等在压弯试验装置的基础上设计了一种套多功能拟静力试验装置，如图7所示图7该装置重新布置平行四边形连杆装置，使得该拟静力试验装置安装简单，灵活性强，不再额外占用试验场地；可以自由拆卸、组装，可以选择安装或不安装，且其可水平或竖向安装，以满足不同试验要求，达到轻松、便捷地实现剪切型试验装置与压弯型试验装置的转换。框架节点及梁柱节点装置I柱上下两端安装有铰支座，柱顶有液压加载器加载轴向荷载，不能产生水平位移，但能自由转动，模拟结构柱的反弯点；梁端反弯点为自由端，在梁端施加低周反对称反复荷载，需要两个或四个作动器同时作用。图8图8结构变形如图9所示图9框架节点及梁柱节点装置II柱上端可以产生水平位移也可以自由转动；当柱上端产生水平位移时，安装在柱上端的千斤顶施加竖向力对柱产生附加弯矩（即结构设计和分析中的二阶效应）；节点两侧梁的反弯点均为水平可移动的铰；试验时，对试验架施加低周反复水平荷载，仅需一台作动器。图9图10结构变形如图11所示图11在以上加载模型中，无论是压弯型构件还是剪切型构件，均需要对其施加竖向荷载以模拟现实存在的轴向力。通常情况下，所施加的竖向荷载要求恒定不变且可以随着试件的侧移而侧移，即竖向加载装置不能和试件顶部发生相对滑移。国内有一些科研机构采用液压伺竖向加载系统，该系统可以实现竖向力恒定的目标，但也存在较大问题。首先，液压伺服系统要求长期开放能量源且试验过程中不能中断，这就造成了大量的电力损耗。其次，液压伺服系统的竖向力施加方式主要采用荷载控制，荷载控制在试件处于弹性阶段表现较好，而一旦试件处于弹塑性阶段尤其是接近破坏时，荷载步幅将难以控制，很容易出现竖向力失控，加速试件的破坏，造成失真的试验结果。西安建筑科技大学结构与抗震重点实验室张兴虎等根据竖向荷载施加的目标，自行设计、加工了一套竖向稳压加载系统。该系统的竖向加载由液压千斤顶来完成，千斤顶顶部自带有球铰，通过水平滚动支座与反力梁相连，确保试验过程中试件顶部既能产坐水平位移，同时又能自由转动，保持相对均匀的轴压，利用滚动支座实现约2的稳定摩擦系数。液压千斤顶的优点是节约能源、操作方便，但相对于液压伺服加载系统精度稍低。荷载稳定控制采用杠杆放大式稳压试验装置，如图所示，实际试验时油管连接试验千斤顶和试件。该装置利用杠杆放大及等压原理，并设计了杠杆和油压的两级放大。图12图124当前面临的主要问题及拟解决办法现有拟静力试验的加载主要是单点或多点一维、二维平面加载，试验系统在加载方式多样化、多维加载的相应理论及具体操作方面仍有亟待改进和发展的地方。如果能够较好的解决平面加载的问题，对结构在爆炸冲击荷载作用下结构构件基本性能研究，恢复力模型、承载力计算公式建立，结构的破坏机制探讨，都会产生积极作用。多维拟静力实验比较复杂，一方面多维理论方面的研究工作进展比较缓慢，另一方面实验设备、设施较少，加载规则非常多，实验控制与结构的几何模型、力学模型、物理特征、作动器的加载位置难以确定；并且控制模式的选择、特别是控制模式的转换条件很难确定；测量结果与传感器的测量位置等均有密切关系，实验加载控制比较困难。因此，多维拟静力实验进行的比较少。多为拟静力试验也是需要研究与努力的方向。混凝土受弯构件抗剪性能研究绝大多数采用简支梁集中加载或均布加载的方案，这与在水平荷载下混凝土受弯构件受力性能不一致，因此类似在加载过程中，模拟构件在结构中受力状态也需要进一步研究。5小结综上所述，拟静力试验系统已经发展的比较成熟，是各大高校常备试验系统，虽然其已经在抗震试验及设计改进方面发挥了巨大作用，但仍有很大发展改进空间。后续的研究工作将集中在解决平面加载的实现问题，寻求较为合适的加载方案，希望能够获得较好的模拟效果。参考文献1周明华，土木工程结构试验与检测M南京东南大学出版社，20022焦秀平，结构抗震的试