結構抗震試驗方法研究初探

林 麗 王燕華，2 楊巍巍

(1.東南大學土木工程學院，江蘇 南京 210000； 2.加利福尼亞大學伯克利分校，美國 伯克利 94706)

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結構抗震試驗方法研究初探

林 麗1王燕華1，2楊巍巍1

(1.東南大學土木工程學院，江蘇 南京 210000； 2.加利福尼亞大學伯克利分校，美國 伯克利 94706)

對傳統的三種抗震試驗方法的利與弊進行了分析，重點進行了抗震試驗新方法——混合試驗研究，從數值積分方法、加載控制方法和試驗時滯及補償方法三個方面闡述了混合試驗的發展。

結構抗震試驗方法，混合試驗技術，數值積分算法，加載控制，時滯補償

0 引言

我國是地震多發國家，歷史上頻發地震災害，造成人員傷亡慘重，建筑物破壞嚴重，這也使得分析地震破壞機制、提升建筑物抗震性能的研究迫在眉睫。

1 傳統抗震試驗方法

1.1 擬靜力試驗(Quasi-Static Test)

擬靜力試驗方法是研究當前構件性能或結構受力最為廣泛的一種試驗方法，該試驗對設備要求不高，花較少的錢就能夠最大限度獲取試件的各種信息。擬靜力試驗一般加載速率低，可以不考慮應變速率變化的影響，但該方法的一大缺陷是不能再現加載時間和方式在實際地震作用下結構反應的全過程。

1.2 地震模擬振動臺試驗(Shaking Table Test)

從20世紀60年代末期，美國加州大學伯克利分校建成第一臺6.1 m×6.1 m的雙向地震模擬振動臺開始，振動臺試驗便陸續被國內外各大學者研究。地震模擬振動臺試驗能夠直觀地了解結構破壞機理，呈現結構的抗震性能。但現行振動臺尺寸普遍較小，承載力不高，對于許多縮尺模型相似關系難以保證，容易導致地震作用下形態失真。

1.3 擬動力試驗(Pseudo-Dynamic Test)

1969年，日本學者高梨(M.Hakuno)等人最早提出基于結構動力方程的擬動力試驗方法。該試驗方法采用了放慢多倍的地震波時程,可以慢速體現在地震作用下大比例甚至足尺結構從彈性到彈塑性階段再到倒塌的全過程。但是擬動力試驗對與速度相關的材料性能試驗還不能反映，其本質還屬于靜力試驗。1992年日本Nakashima等教授提出實時子結構試驗方法，來準確反映速度相關型構件的性能。

2 新型試驗方法——混合試驗技術(Hybrid-Test)

混合試驗技術核心是將結構分為兩部分，動力特性未知的復雜非線性部分通過振動臺進行大比例(甚至足尺)試驗，此部分稱為試驗子結構；將受力特征比較簡單、動力特性已知的線性部分用計算機來數值模擬，此部分稱為數值子結構，通過與試驗子結構相連接的作動器進行模擬。試驗示意圖如圖1所示。

混合試驗結合了地震模擬振動臺和擬動力試驗方法兩者的優勢，大大減少試驗的失真性，其結果比單獨做振動臺試驗或者擬動力試驗更為可靠。

2.1 混合試驗技術數值積分方法

混合試驗的數值積分方法是基于擬動力試驗積分方法而來。早期擬動力試驗采用線性加速度法來研究，H.Tanaka采用中央差分法替代最開始的線性加速度法。中央差分法在計算結構動力反應時不需要迭代，是適用于子結構擬動力試驗的顯示數值積分方法。1985年Mahin等人建議利用子結構技術進行分區混合模擬，提出混合隱—顯示算法。然而對于多自由度大型結構，運用條件穩定的顯示積分方法已經變得不切實際。1987年Thewalt和Mahin開發了第一個無條件穩定的隱式數值積分方法：隱式-α方法。1988年，Nakashima等人提出Operator-Splitting(OS)方法。該方法是無條件穩定的顯示算法可以用來計算大型多自由度混合模型的運動方程，能實現多自由度、大剛度子結構擬動力試驗。OS方法無需任何平衡迭代就可以獲得更好的穩定性。1991年，P.B.Shing等人對Hilber等提出的隱式Alpaha方法進行修正，使它能應用于擬動力試驗中，并采用了利用初始剛度迭代的平衡求解算法。2002年，Chang提出無條件穩定的顯式積分方法。但是在混合模擬試驗中，試驗子結構的特性是實時的，與速度、加速度和位移都有關，所以原來用于擬動力的顯示算法，在混合試驗中變成了隱式算法，雖然哈爾濱工業大學吳斌等人在文獻[10]提出了速度公式的向前差分修正，使得Chang方法變成了顯示混合模擬試驗的算法，但該方法卻變為了有條件穩定，精度同樣也發生了改變。Zhang等人[11]提出了預測—修正數值積分方法，把經典預測—校正法由隱式變為顯示格式，但是無條件穩定也因此喪失。

顯示算法雖然不需迭代，但它條件穩定，對于多自由度的大型結構，難以滿足穩定性要求，相比于顯示算法，隱式算法的數值穩定和能量耗散較好，其缺點在于需要迭代計算，這對路徑要求高的彈塑性試件是不適宜使用的[12]，如何將顯示算法的計算效率與隱式算法的精度、穩定性有效結合起來是混合試驗研究的重要方向。

2.2 混合試驗技術加載控制方法

混合試驗根據作動器的加載方式不同可以分為三大類：位移控制加載、力控制加載、力與位移混合控制加載。位移控制加載方式，以作動器位移為控制，作動器反饋的力用來下一步積分計算，但對于多自由度、大剛度結構，位移反應較小，控制精度難以掌握；力控制加載方式是液壓伺服作動器用力來控制，模擬數值子結構對試驗子結構的水平力，下一步積分是以作動器的位移來反饋，力控制加載只能用于結構恢復力曲線前段，恢復力曲線下降段是不適用的；力與位移混合控制加載即在恢復力曲線下降之前由力控制，進入下降段后由位移控制，該控制方法可以反映多自由度、大剛度結構在彈性、彈塑性以及破壞階段的全過程，是目前最為常用的加載方式。

2.3 混合試驗技術時滯問題及補償方法

一般實時實驗都存在作動器滯后，Horiuchi等人[13]認為時滯的影響表現在結構所附加的負阻尼大于結構自身的阻尼，試驗穩定性不足，導致實驗發散。為了解決這類問題，Horiuchi等人[13]開發了利用多項式外推法執行器響應預測的作動器延遲補償技術,即在作動器執行命令前預先加入補償值，使執行命令值大于目標值。田石柱在文獻[14]中分析產生整個控制系統時滯的主要原因是作動器產生的時滯，提出了三種主動控制時滯的補償方法：移相法、泰勒級數展開法和預估狀態法，其中預估狀態法更容易應用到控制系統中，為主動控制系統研究奠定基礎。王倩穎等人在文獻[15]中以OS法和中心差分法分析了作動器時滯和補償產生的影響，分析結果表明，三階外插補償可以提高試驗穩定性。

如何解決時滯補償問題，使設備有效地協同工作是混合試驗的又一大技術問題，值得更深入研究。

3 混合試驗技術有待提高

混合模擬的關鍵在于兩個問題：數值積分方法和實驗加載系統的研究。隱式算法無條件穩定，但需要迭代，對于大體量的多自由度復雜結構，計算機數值模擬的運算量和存儲量迅速增加。顯示算法可以直接逐步積分，大大提高了運算效率，但它是條件穩定的，如何將顯示算法的效率性和隱式算法穩定性、高精度有效結合起來是未來混合試驗研究的一大方向。第二，混合試驗中，數值子結構對試驗子結構的力通過作動器來施加，如何利用有限的作動器模擬多自由度連接邊界，實現子結構間的拼裝，解決子結構相互作用也是需要重點研究的問題。第三，混合試驗每一步加載都依賴于上一步的試驗結果，如何協調振動臺與作動器的同步準確實現驅動命令，保證試驗順利進行也是值得深入研究的。

4 結語

混合試驗方法將地震模擬振動臺試驗方法和擬動力試驗方法相結合，與傳統的抗震試驗方法相比，混合試驗方法可以提高振動臺模型試驗的比例，甚至可以做到足尺試驗，減少結構的破壞失真，提高試驗的精確度，另外也大大降低了總體試驗的成本，為研究復雜結構新型結構抗震性能提供了行之有效的方法。但是混合試驗技術研究正處于初始階段，試驗技術與方法還不成熟，試驗的關鍵技術還未得到有效解決，需要做更深入的研究。

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[14]田石柱,李 暄,毆進萍.結構主動控制系統時間滯后測量與補償方法.地震工程與工程振動,2000,20(4):101-105.

[15]王倩穎,吳 斌,歐進萍.考慮作動器時滯及其補償的實時子結構實驗穩定性分析.工程力學,2007,24(2):9-14.

Preliminary study on seismic test methods of structures

Lin Li1Wang Yanhua1，2Yang Weiwei1

(1.SchoolofCivilEngineering,SoutheastUniversity,Nanjing210000,China;2.UniversityofCaliforniaBerkeley,Berkeley94706,America)

Pros and cons of three methods of seismic analysis are introduced firstly, then the new seismic test method-hybrid test is presented in detail. Hybrid test is described from three parts: numerical integration methods, load control method, actuator delay and compensation.

seismic test methods, hybrid test technologies, numerical integration algorithm, load control, time delay and compensation

1009-6825(2015)18-0029-02

2015-04-18

林 麗(1991- )，女，在讀碩士； 王燕華(1977- )，女，碩士生導師，高級工程師； 楊巍巍(1992- )，男，在讀碩士

TU352

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