（固体力学专业论文）砌块组合墙体的拟动力试验方法及抗震性能分析.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 砌块组合墙体系采用封底砌块作为主要墙体材料，周边和内部设置钢筋混凝土约束 梁柱的一种新型承重墙体单元。混凝土约束梁、柱与砌块之间的约束作用，使得墙体具 有良好的抗震性能。拟动力试验是研究结构或构件抗震性能的一种试验技术，它将地震 作用离散为一组以时间间隔的地震加速度波形，通过计算机求解结构动力运动方程计算 其动力反应，应用加载设备帮助结构完成在地震作用下的模拟振动。 该方法吸收了伪静力试验和振动台试验两种试验方法的优点，同时吸收了结构理论 分析和计算的优点。结构拟动力试验将 t 算与试验巧妙地结合起来，既克服了振动台试 验中的台面尺寸和台座承载能力限制的问题，又避免了计算机模拟中需要假设恢复力特 性的问题。它可以模拟大型复杂结构的地震反应，自开发成功以来，在抗震试验方面得 到了广泛的应用，它已成为工程结构抗震研究中强有力的工具。 在拟动力试验过程中，由于砌块组合墙体自身刚度较大，位移反应小，实验室中的 位移控制分辨率远大于刚度较大的砌体组合墙体拟动力试验的容许位移误差。因此采用 力控制的加载方式，而普通伺服作动器难以满足加载力要求，故常采用千斤顶加载。但 这样会造成每步加载耗时较长；并且墙体的固有频率较高，要求积分步长选取不宜过大， 否则会造成积分步数过多，每步引入的误差累积严重，导致试验结果发散，试验失败。 有效的抑止试验误差的累积以及降低试验时间是目前拟动力试验亟需解决的难题。本文 针对上面提到的问题，提出通过计算机预估出结构反应极点，然后大步逼近到目标值， 最后在大步加载时间内采用细化积分步长对目标值进行修正的方法。并且通过计算机对 线性和非线性结构模型的拟动力试验过程进行数值模拟。结果表明，此方法不仅提高了 积分精度，而且大大的降低了加载次数，从根本上减少误差的引进，保证拟动力试验稳 定、可靠的进行下去。 同时本文以砌块组合墙体拟动力试验结果为指导，通过弹塑性有限元程序分析计算 了大量的模型墙片，验证了砌块组合墙体具有良好的抗震性能。讨论了约束作用和弯曲 ( 剪跨比) 对墙体极限抗侧能力的影响，给出影响系数曲线，并在此基础上修正了组合 墙体抗侧极限强度计算公式，使各参数具有更明确的物理意义，适用性更广，并且计算 结果满足工程精度要求。 关键词：组合墙体；拟动力试验；误差控制；大步法；相互约束作用 砌块组合墙体的拟动力试验方法及抗震性能分析 t h ep s e u d o d y n a m i ct e s t i n gm e t h o df o rb l o c kc o m p o s i t em a s o n r yw a l l s a n dt h ea n a l y s i so fs e i s m i cp e r f o r m a n c e a b s t r a c t t h eb l o c km a s o n r yc o m p o s i t ew a l l s y s t e m h a sg o o dp e r f o r m a n c eo fe a r t h q u a k e r e s i s t a n c ed u et om u t u a l c o n f i n i n g a c t i o nb e t w e e nt h ec o n c r e t ea n db l o c k t h e p s e u d o d y n a m i c t e s ti sa ne x p e r i m e n t a lt e c h n i q u ef o rs i m u l a t i n gt h es e i s m i cr e s p o n s eo f s t r u c t u r e sa n dt h es t r u c t u r a lc o m p o n e n t sw i t hr e s p e c tt o 血et i m ed o m a i n i nt h i st e c h n i q u e ， t h ed y n a m i cr e s p o n s eo fan o n l i n es t r u c t u r ei ne a c hs t e pi sc o m p u t e db ya d o p t i n ga s t e p b y - s t e pi n t e g r a t i o np r o c e d u r et os o l v ee q u a t i o n so f m o t i o n t h i sm e t h o dh a sa b s o r b e dt h em e r i t so fq u a s i s t a t i ct e s ta n ds h a k i n gt a b l et e s t m o r e o v e r , h a sa b s o r b e dt h em e r i t so fs t r u c t u r a lt h e o r ya n a l y s i sa n dc o m p u t a t i o n t h ep s e u d o d y n a m i c t e s th a sd r a w nu pt h ec a l c u l a t i o na n dt h ee x p e r i m e n ti n g e n i o u s l yu n i f i e s n o to n l yi th a s o v e r c o m ee x p e r i m e n t a lf l o o rs i z ea n dt h el i m i tp r o b l e mf o rb e a r i n gc a p a c i t yi nt h es h a k i n g t a b l et e s t ，b u ta l s oa v o i d sn e e d i n gt h es u p p o s i t i o nc h a r a c t e r i s t i co fr e s t o r i n gf o r c ei nt h e c o m p m e rs i m u l a t i o n i tw a sa l l o w e dt os i m u l a t et h es e i s m i cr e s p o n s ef o rl a r g es c a l es t r u c t u r e s i n c ei th a sd e v e l o p e ds u c c e s s f u l l y ，a n da p p l i c a t i o ni nt h es e i s m i ce x p e r i m e n ta s p e c tb r o a d l y ， i th a sb e c o m et h ep o w e r f u lt o o li nt h ee n g i n e e r i n gs t r u c t u r es e i s m i cp e r f o r m a n c e sr e s e a r c h i nt h ep r o c e s so fp s e u d o - d y n a m i ct e s t ，t h ec o m p o s i t em a s o n r yw a l lh a v eab i gr i g i d i t y t h eo r d i n a r ys e r v oa c t u a t o rs a t i s f i e sw i t ht h el o a ds t r e n g t hi nd i f f i c u l t y a n do f t e nu s e st h e h o s i t i n gj a c kt ol o a d b u ti tc a nr e s u l ti nl o a d i n gt i m e c o n s u m i n gi sl o n gf o re a c hs t e p ； s i m u l t a n e i t yt h en a t u r a lf r e q u e n c yo fw a l li sh i g h t h ee r r o n e o u sa c c u m u l a t i o nw i l lt o b e s e r i o u s b e c a u s et h el e n g t ho fs t e pi st o os m a l lt oc a u s el o a ds t e p si n c r e a s e t h i sa u t h o rh a s p r o p o s e dt h es u b - s t e pi n t e g r a lb i g s t e pl o a d i n gm e t h o d t h el i n e a ra n dn o n - l i n e a rs t r u c t u r e m o d e lt h r o u g ht h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nh a sb e e nr e s e a r c h e d t h er e s u l ti n d i c a t e dt h a tt h i s m e t h o dc a nr e d u c et h el o a d i n gs t e p se v i d e n t l y ，a n dg u a r a n t e e dt h a tt h ep s e u d o d y n a m i c t e s t i n gt ob es t a b l yw o r k t h i sa r t i c l et a k et h ep s e u d o d y n a m i ct e s tr e s u l t so fm a s o n r yc o m p o s i t ew a l la st h e i n s t r u c t i o n ，u s i n gt h ee l a s t o p l a s t i cf i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，c a l c u l a t i n gal o to f m o d e l so fw a l l ， t h em u t u a lc o n f i n i n ga c t i o na n dt h eb e n d i n ge f f e c th a sd i s c u s s e d t h e nt h ee f f e c tc o e f f i c i e n t h a sb e e ng i v e n e x p a n dt h ea p p l i e dr a n g eo ft h i se f f i c i e n c yf o r m u l a ，a n dt h ep r e c i s i o nm e e t w i t he n g i n e e r i n gd e s i r e k e yw o r d s ：c o m p o s i t em a s o n r yw a l l ；p s e u d o - d y n a m i c ；e r r o rc o n t r o l ；b i g - s t e p m e t h o d ；m u t u a lc o n f i n i n ga e t i o n 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谓十的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：w ，7 大连理1 j 大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名熟盘兰 新签芳盘牟 玉兰生年2 二月巫日 大连理工大学硕士学位论文 1 概述 1 1 研究意义 砌体结构在我国有几千年悠久的历史，“秦砖汉瓦”是中国传统文化的重要内容， 砌体结构主要指粘土烧结砖、天然石块与砌块建筑，数千年来为世界各地普遍使用且经 久不衰。尤其是砌块建筑，符合保护耕地、节约能源和保护环境的基本国策，使我国建 筑业的发展方向。砌块作为一种既能节土、节能、利废，又能满足建筑功能的良好墙体 材料，已得到建筑界的普遍认可。由于砌体结构材料的脆性性质，其抗剪，抗拉和抗弯 强度很低，所以砌体房屋的抗震能力较弱。历次地震中，破坏也比较严重。随着我国城 市住宅建设的飞速发展，人们的生活质量的提高，对舒适度、安全度要求也高了。现阶 段我国经济发展所限，大量建造高层钢筋混凝土结构房屋是困难的，着眼于砌体结构房 屋的研究上是经济可行的。为了提高砌体房屋的抗震能力，人们对砌体建筑结构的抗震 性能进行了大量的研究，提出了不少改进该结构抗震性能的构造措施和开展了设置钢筋 混凝土构造柱改善多层砖房抗震性能的研究。 我国是世界上多地震国家之一，历史上曾发生多次强烈地震。例如1 9 7 6 年的唐山 大地震，波及范围之广，遭受损失之大、人员伤亡之多世界上也是少有的。由于我国现 阶段的经济发展水平，砌体结构体系在我国的建筑工程中，特别是在住宅，办公楼，学 校，医院，商店等建筑，获得广泛的应用。据统计，我国现阶段砌体结构在整个建筑工 程中占8 5 以上。但由于砌体结构材料的脆性性质，其抗剪，抗拉和抗弯强度很低，所 以砌体房屋的抗震能力较弱。在国内外历次地震中，砌体结构破坏率都是相当高的，造 成的损失也是相当大的。 在历经地震灾害中，人员的伤亡主要是由于建筑物发生倒塌而造成的。如果能保证 建筑物在地震中不发生倒塌或少倒塌，则人员的伤亡和财产的损失就有可能降至最低。 要做到这一点，又不是无目标地增强建筑物构件的尺寸和强度，所以，结构抗震的研究 是第一位的。因此人们开始从提高砌体结构抗剪强度、变形能力和结构状态方面入手改 善砌体结构的抗震性能。不同于一般的砖混结构形式，砌块组合墙结构体系是由砌体， 约束柱和约束梁三种必不可少的部件组成，三者相互约束，相互支持，共同抵抗地震荷 载。组合墙结构既不同于一般的砌体结构，也不同于框架填充墙结构。因为框架填充墙 结构主要由钢筋混凝土梁、柱承重，而填充墙体不能与框架结构协同工作，水平地震引 起的弯矩主要由框架柱弯曲变形来承受。而组合墙结构中的约束柱虽受力复杂，但是墙体 构件的一部分，并且受砌体的约束，不是以弯曲变形来承受外力，主要受压轴力，因此 砌块组合墙体的拟动力试验方法及抗震性能分析 可以充分发挥柱子的材料性能。其中砌体的功能除起房屋维护、隔离作用外，它能承重、 抗剪、抗弯。又是房屋侧向刚度的主要保证，在约束砌体中，又对梁柱起约束作用，特 别是柱子，可限制其侧向失稳，提高柱子的抗力。 目前结构抗震试验研究方法分三类：拟静力试验，振动台试验和拟动力试验。拟静 力试验是采用一定荷载控制或变形控制对试件进行低周期反复加载，使试件从弹性阶段 直至破坏的一种试验方法。它可以最大限度的获得试件的刚度、承载力、变形和耗能等 信息，但是它不能模拟结构在实际地震作用下的时间效应。而振动台试验是最真实再现 地震震动和结构反应的试验方法，但由于台面尺寸和承载能力的限制，只能进行小比例 模型的试验，且彼此配重不足，不能很好满足相似条件，特别是进入弹塑性阶段工作时， 更不可能满足相似条件，导致地震作用破坏形态失真，但由于台面尺寸和承载能力的限 制，因而，使得这类结构模型的振动台试验受到一定限制。拟动力试验则是加载试验技 术与计算机技术相结合的当代先进的抗震试验方法，可以进行大比例模型或足尺结构抗 震试验，可慢速再现结构在地震作用下的弹性一弹塑性一倒塌全过程反应，这是具有广 泛发展前途的抗震试验方法。拟动力试验吸收两者的优点，既克服了振动台试验中的台 面尺寸和台座承载能力限制的问题，又避免了计算机模拟中需要假设恢复力特性的问 题。自开发成功以来，在抗震试验方面得到了广泛应用，它已成为工程结构抗震研究中 的强有力工具。为组合墙体抗震性能研究提供了理论依据。为深入研究砌块组合墙结构 体系的变形，受力，耗能特性提供了有力的工具。 在土木工程中，针对刚度较大的砌块组合墙体结构的拟动力试验，普通的液压伺服 加载器难以满足恢复力要求的情况下，实验人员一般使用千斤顶进行加载，这样所带来 的问题就是试验耗时太长，加载精度不高，误差累积严重等问题。在求解结构动力方程 的数值积分方法分两大类：显式和隐式。现工程上用的多是显式积分方法，它要求时间 积分步长在一定的范围内是条件稳定的，这样带来的问题是试验步长不宜取过大，导致 步数增多，试验耗时长，其中每步引入的误差累积有可能会导致试验结果的发散。隐式 是无条件稳定的，但事先要加载的位移是未知的，给实验带来难度。因此寻求一种精度 高、稳定性好、实用性强的加载控制方法是目前拟动力试验方面研究的重要内容。 1 2 研究状况 1 2 1 组合墙体研究现状 随着我国城市住宅建设的飞速发展，对建筑高度提出了新的要求。由于我国经济发 展所限，大量建造高层钢筋混凝土结构房屋是困难的，着眼于砌体结构房屋的研究上是 一2 一 大连理工大学硕士学位论文 经济可行的。由于砌体结构材料的脆性性质，其抗剪，抗拉和抗弯强度很低，所以砌体 房屋的抗震能力较弱。为了提高砌体房屋的抗震能力，人们对砌体建筑结构的抗震性能 进行了大量的研究，提出了不少改进该结构抗震性能的构造措施和开展了设置钢筋混凝 土构造柱改善多层砖房抗震性能的研究，制定了构造柱规程( q gj 1 3 8 2 ) 。从1 9 7 8 年 开始，北京市建筑设计院，中国建筑科学研究院工程抗震所，大连理工大学，山东省和 四川省建筑科学研究院等单位合作开展了设置钢筋混凝土构造柱改善砖结构房屋抗震 性能的研究。解决了在地震地区建造相应高度的砌块( 砖) 砌体房屋的问题。其后辽宁 省建筑设计院、大连理工大学工程力学系、建科院抗震所、国家地震局工程力学所等单 位提出了采用钢筋混凝土柱、梁和砖砌体组成的组合墙结构。这种结构，由于有了钢筋 混凝土柱和梁对砌体的约束作用，在强震作用下墙体抗力明显提高，约束柱和梁能保持 墙体裂而不倒，只有当约束柱到达极限状态时，墙体才最后破坏。 国外在利用构造柱对砌体结构房屋进行抗震加固方面也做了大量的研究工作。在印 度、前苏联、罗马尼亚、前南斯拉夫、墨西哥、美国、新西兰等国大都采用钢筋混凝土 构造柱加固砖房。他们的研究成果较一致认为，构造柱需同圈梁联和使用( 组合墙体系) ， 方能提高砖结构的延性和变形能力( 加固后的延性系数可达4 以上) 。 作为唐山大地震最突出的也是最重要的工程经验是认识到了砖结构房屋在强烈地 震中的破坏倒塌规律，特别是总结出在砖结构房屋中设置钢筋混凝土构造柱在很大程度 上可以防止房屋倒塌的重要经验。提供了砌块组合墙结构有良好抗震性能的现实依据。 ( 1 ) 砌体结构设计计算理论的发展现状 j 随着经济的发展，建筑的经济合理性与可靠性间的矛盾日益突出，需要从主要依靠 经验的设计，上升到较为准确的计算设计。砌体结构构件截面计算理论及相应的计算方 法，经历了三个阶段：容许应力法：按理想匀质弹性材料杆件假定，根据砌体由单向 受力试验确定其容许应力；考虑塑性变形的破损阶段法：按照建立在试验基础上的经 验公式确定构件的承载力，使用阶段采用除以总安全系数的方法；极限状态法；根据 砖石结构的使用功能要求，规定三种可能的计算极限状态：承载能力、极限变形及裂缝 极限扩展。这一方法与前两种方法的本质区别在于建立在一种更为广泛的使用性原则基 础上，而前两种仅仅建立在破坏性原则的基础上。 ( 2 ) 组合墙体结构体系抗震性能 “设置混凝土构造柱砖砌体结构受压承载力”【1 4 】，研究结构表明： 设置在砖墙体内的混凝土柱的作用有两个，一是与混凝土圈梁共同作用，约束 了墙体的承载能力；二是通过刚度的差异及内力重分布，分担了作用与墙体上的荷载； 墙体的承载能力随设置的混凝土柱间距的减少而增大； 3 砌块组合墙体的拟动力试验方法及抗震性能分析 砌筑试件时采取的拉接钢筋、马牙槎等构造措施，保证了混凝土柱与砌体的整 体性及两者间的共同工作，混凝土柱与砌体间直到临近破坏，未见明显的分离现象。砖 和小型砌块砌体在设置构造柱砌体构件中仍起重要作用。 “组合墙体”结构构件是指由钢筋混凝土约束柱( 或墙) 和约束梁和砖( 砌体) 共 同组合而成的承力构件。与“组合砖柱”不同的是，混凝土不仅分散在砌体外侧而且集 中配置在砌体内部，通过约束梁以及马牙槎、拉结钢筋等构造措施形成完整的墙体构件 与“设置混凝土构造柱砖墙”结构不同的是，钢筋混凝土柱不仅起到构造作用，而且作 为组合墙体中不可分割的一部分，与砌体一起参与承担竖向荷载、水平荷载的作用。组 合墙体混凝土面积率和配筋率可根据需要而设嚣【5 - 9 1 。 适用于分析砖一混凝土组合材料的有限元方法分两类，一是线弹性有限元分析方 法，着重分析影响设景柱的墙体受力性能的各个因素；二是弹塑性有限元分析方法，可 预测由理想材料以一定构成形式的复杂体系( 如配筋砌体) ，在一定几何域内的非线性 力学性能。 ( 3 ) 组合墙体抗弯和抗侧承载力的试验和理论研究 在高宽比小于2 5 时，可利用降低系数考虑弯曲对组合墙体抗侧力的影响，在高宽 比大于2 5 时，应建立组合墙体抗弯能力的简化计算公式【埘。组合墙体在竖向力和水平 力共同作用下的受力性能类似于钢筋混凝土和配筋砌体剪力墙，可以借鉴钢筋混凝土和 配筋砌体剪力墙的一些基本假设和方法来建立组合墙体抗弯能力的简化计算公式。 通过做七层、九层组合墙与单层墙片抗侧承载力试验，定量地研究了整体弯曲对墙 体抗震承载力的影响，认为七层、九层组合墙与单层墙片抗侧承载力的比值分别为0 3 9 7 和0 3 7 8 1 。 通过大量的伪静力试验指出，约束柱在组合墙体中的主要是提高墙体的抗剪能力； 改善墙体在水平地震作用下的耗能机理，增强延性；和砌块一起分担竖向荷载；将纵墙 和横墙牢固地连接在一起；提高了房屋的整体抗弯能力【1 2 1 5 】。总之组合墙结构的运用增 强房屋的整体性，提高在地震作用下的抗弯、抗剪能力，从而提高了房屋的抗震性能。 对比试验表明，与构造柱墙片相比，组合墙片的延性提高约8 0 ；开裂荷载提高约4 啷： 极限荷载提高约7 5 。组合墙片的极限荷载比开裂荷载大2 7 6 左右，而构造柱墙片的 极限荷载比开裂荷载仅大1 1 3 ，这说明组合墙体结构在砌体开裂后，仍具有一定的承载 能力。 - 4 - 大连理工大学硕士学位论文 1 2 2 拟动力研究概况 拟动力试验方法是1 9 6 9 年由日本学者高梨教授m h a k u n o 等人首次提出。日本在 这方面的工作开展比较早，用电子计算机将地震地面运动加速度转换成作用在结构或构 件上的位移和与此位移相应的加振力。随地面运动加速度时程曲线的变化，作用在结构 上的位移和加振力也变化，得到实际地震作用下结构连续反应全过程，得到结构恢复力 特性曲线。早期主要做了如下工作： ( 1 ) 国外发展历史： 1 9 6 9 年，作为多地震国家的日本开始了这种试验方法的研究，提出将计算机与试验 机联线成为一个系统，进行联机试验； 2 0 世纪7 0 年代，日本完成了使用二个作动器进行的钢筋混凝土和钢框架结构的试 验研究； 1 9 8 2 年t a s h i g a w a r a 等人所做的2 层单跨相台剪力墙框架拟动力试验等； 1 9 8 3 年t a k a n a s h i 等人做了一层一跨框架加快速拟动力试验； 1 9 8 1 年日、美合作在日本进行了七层足尺结构的拟动力试验研究； 1 9 9 7 年，美国的b u o n o p a n e 做了双跨两层钢筋混凝土框架拟动力试验； ( 2 ) 国内发展简史： 我国在拟动力试验方法的研究和应用方面开展得稍晚，于8 0 年代初开始了拟动力 试验方法的研究。中国建筑科学研究院建筑结构研究所陈瑜，董世民等人从1 9 8 0 年开 始进行拟动力试验控制方法以及试验控制程序的研究，1 9 8 1 年在国内进行了第一幢1 2 层钢筋混凝土框架势力墙结构1 ：6 比例模型拟动力试验，随后又进行了多幢高层建筑 结构模型和核电站安全壳模型的拟动力试验。 中国建筑科学院关于拟动力试验的研究有： 1 9 8 2 年，在电液伺服结构试验机上实现的结构拟动力试验； 1 9 8 5 年，用计算机一试验机联机系统进行结构拟动力试验的方法； 1 9 9 0 年，建筑结构双向拟动力试验程序的控制； 1 9 9 0 年，框架柱双向地震反应的研究； 1 9 9 0 年，高层大开间预应力板墙结构模型试验研究。 地震模拟振动台试验由于台面尺寸和承载能力的限制，只能进行小比例模型的试 验，且彼此配重不足，不能很好满足相似条件，特别是进入弹塑性阶段工作时，更不可 能满足相似条件，导致地震作用破坏形态失真；伪静力试验只能得到构件或结构在反复 荷载作用下的恢复力滞回特性，不能得到结构地震反应全过程；而拟动力试验则是加载 试验技术与计算机技术相结合的当代先进的抗震试验方法，可以进行大比例模型或足尺 砌块组合墙体的拟动力试验方法及抗震性能分析 结构抗震试验，可慢速再现结构在地震作用下的弹性一弹塑性一倒塌全过程反应，这是 具有广泛发展前途的抗震试验方法。拟动力试验方法结合了伪静力试验和振动台试验 两者的优点。当然它也有自身特定的限制，主要有： 1 ) 结构的刚度不能太大： 2 ) 试验系统误差( 特别是控制误差) 需要被严格限制： 3 ) 不适用于分布质量很大的结构( 包括混凝土水坝) ； 4 ) 如果结构的响应对粘滞阻尼特性非常敏感，而且很难准确地识别，拟动力试验方 法就不适用： 5 ) 无法对用应变速率敏感的材料制成的试件进行试验。 1 2 3 拟动力试验系统及控制方法 7 0 年代中期，开发了结构的拟动力试验技术，这种试验技术把电液伺服试验装置与 计算机控制系统结合起来，利用加载试验给出结构恢复力的实际数据，利用计算机数据 分析技术给出加载试验的逐步控制数据，从而为原型结构的模拟地震试验开辟了一条新 途径。与拟静力试验相比，拟动力试验的试验周期缩短，并且由于采用地震动时程作为加 载制度，因此，试验结果能够良好地指示结构的地震反应过程，值得指出的是，尽管对于 单层或双层框架结构可以采用更接近实际的位移控制制度，但对于大型结构，更实用的 是将多自由度体系改变为等效单自由度体系进行联机试验。即对加载力沿高度的分布作 出某种假定( 例如倒三角形分布) ，而仅对高度上某一点的加载器按位移控制，并通过计 算机联机控制实现，其余各点的加载则按上述力分布假定按荷载控制加载器。8 0 年代后， 日美合作进行的七层钢筋混凝土原型结构拟动力试验，就是采用这种等效技术。拟动力 试验技术中的控制难点在于计算误差的扩散【l 7 。 哈尔滨建筑大学力学与结构实验中心在引进德国$ c h e n c k 公司电液伺服结构实验系 统的基础上，采用微机和a d 、d a 转换器将该系统组成数控闭环，从而使系统具 有实时控制、数据采集和处理等多项功锹1 8 1 。开发后的系统不仅使一般的结构静力、动 力实验实现了微机控制，而且可以进行多自由度的拟动力实验，其应用结果表明，开发 后的系统控制精度和稳定性很好，为结构工程的抗震实验研究提供了有力的实验手段。 文献【2 l 】中作者在实验室现有设备的基础上，设计了数控系统，将数控系统与电流伺服 系统联接组成一套完整的联机响应试验系统；并且针对该系统提出了试验自动控制方法 并开发相应程序，通过鉴定试验证明了这套系统具有较高的控制精度和可靠性【1 9 1 。 ( 1 ) 子结构拟动力试验方法： 一6 一 大连理工大学硕士学位论文 子结构法于5 0 年代首先出现在航空工程领域中。其基本过程是把复杂的结构体系 化成两个或多个子结构，把复杂问题的求解化为若干个简单问题的求解，最后进行综合， 从而得以实现“小机器算大题”的效果。在弹性范围内，每个子结构可以根据其各自的 振型合理地缩减自由度，即缩聚缩聚体系的稳定性限制条件放宽。结构物在强烈地震 作用下总是在薄弱部位率先进入屈服，从而导致整个结构的破坏。但即使在破坏阶段， 结构中除薄弱部位外绝大多数部分仍处于弹性工作状态。因此仅将薄弱部位取出进行拟 动力试验，而其它部分在计算机内进行数值计算，这样不仅可以达到拟动力试验方法的 根本目的，由此而带来的经济效果也是显而易见的。这种仅对结构的一部分进行拟动力 试验而其它部分由计算机计算的试验方法称为子结构拟动力试验。 子结构技术大大降低了试件的尺寸和规模，从而解决了试验室规模对大型机结构的 限制，同时也降低了试验费用。对大型结构进行拟动力试验，结构可能有几十个或更多 的自由度，那么要求有大批的电液伺服作动器和相关试验装置，而目前一般的试验室并 不具备这样的规模和水平。它把计算机，结构动力分析方法以及结构试验有机结合起来， 可以考查大型复杂结构的抗震性能。 午号 骨 聿= = # fi j 1 一 ) 麟釉攮爱” 且赍舅 i ) 蠹蜻冉 - ) 子攘瞻t ，蕾拄力产生辱蚋颦 图1 , 1 两种典型子结构模型 f i g 1 1t w ot y p e so f s u b s t r u c t u r em o d e l 哈尔滨建筑大学力学与结构实验中心采用微机开发的拟动力实验，将力学与结构实 验中心原有的大型电液伺服结构实验系统与微机进行联机，从而实现了多自由度结构的 拟动力实验 2 0 - 2 1 1 。文中介绍的拟动力实验的试件为某电厂4 0 米高的筛碎配仓l ：6 模型， 只取出结构底层的两榀，具有两个自由度，所以实验中应用了子结构方法，数值积分方 法采用了p c m - - n e w m a r k 法。实验结果与分析结果吻合良好，说明拟动力实验系统的 一开发是成功的，同时也证明以部分结构进行拟动力实验来模拟整体结构的地震反应方法 是可行的。 同时针对砌体结构子结构拟动力试验中界面弯矩模拟问题进行专题研究，提出了界 面弯矩的精确模拟方法，通过试验结果对比可以看出，采用不同的模拟方法对计算结果 砌块组合墙体的拟动力试验方法及抗震性能分析 有较大的影响 2 2 - 2 3 】。若从予结构的原理出发，推导了子结构法法用于动力分析的基本公 式，对在地震作用过程中，已知结构的线性反应部分和非线性反应部分的情况，采用线 性子结构与非线性子结构耦合的分析方法，这样不仅节省费用，并且概念明确，有助于 将结构分析的重点放在非线性反应部分，在此基础上，借助于结构振动的主模态，提出 了采用耦合法进行拟动力试验的方法，并通过一模型的拟动力试验就计算方法和模型结 构的若干反应性能进行了探讨和研究【2 4 l 。 ( 2 ) 等效单质点试验方法： 在工程结构中，相当数量的建筑结构可以通过将其质量离散化，这样模型仅具有有 限个自由度，对拟动力试验而言，则表现为多自由度体系，而要成功进行多自由度体系 的拟动力试验，就必须要根据对结构动力方城数值积分求解的每一步位移向量来控制多 个作动器对结构模型进行位移加载瞄】。这样的一种多维控制问题，特别是由于多个作动 器共同作用而引起的在调整过程中相互间作用的影响，使得这样一种多自由度的精确控 制成为一种复杂的控制。 所谓等效单质点是就其分析模型而言的。为建立该模型，首先将实际结构模型简化 成串联多质点体系，然后将多质点体系用基本振型按一定法则简化成等效单质点体系， 再对等效单质点体系进行水平向时程分析，求得位移响应，最后按基本振型可进一步反 求多质点体系各集中质量的位移。而在试验时，仍按多质点分别设置作动器进行加荷。 为研究等效单质点试验方法的控制技术：( 1 ) 建立时程分析的数学模型；( 2 ) 制定联 机控制方案；( 3 ) 研制试验控制程序；( 4 ) 将所研制的程序用于单，双作动器加载的结 构试验。对拟动力及模拟地震晌试验的结果进行比较分析表明，控制软件设计是合理的： 文中还着重对提高控制精度的途径作了分析【2 6 】。 ( 3 ) 力控制方式为基础的力位移混合控制方法： 对于钢结构，因其刚度小、位移大，以常规的位移控制拟动力试验方法即可实现。 但对于多自由度的钢筋混凝土和砌体结构，因其刚度大，位移反应很小，一般均在作动 器位移控制误差范围之内、试验系统控制精度达不到要求，常规的位移控制拟动力试验 方法失效。对于这种刚度大、位移小的试验模型，多采用力控制方法。在试验模型进入 恢复力特征曲线的下降段之前，两种控制方法无本质区别，但进入下降段之后，采用力 控制方式进行的拟动力试验无法实现。必须发展和提出新的拟动力试验方法，才能实现 对大刚度多自由度钢筋混凝土结构和砌体结构的拟动力试验。为此，我们提出以力控制 方式为基础的力位移混合控制方法。 前人研究了大刚度结构拟动力实验的有关技术问题，基于结构动力分析和电液伺服 作动器工作原理，阐述了作动器在力控制方式下实现大刚度结构拟动力实验的可行性， 一8 一 大连理工大学硕士学位论文 提出了减小实验误差的若干处理技术。同济大学胡世德等人又研究探讨了针对“大刚度 结构”或者“刚性结构”的拟动力试验方法i 孙2 9 l 。 ( 4 ) 实时拟动力试验系统 y y a m a z a k i 等对相同的钢结构试件进行过振动台试验和拟动力试验，比较证明两 者没有差别，y k i t a g a m a 等对相同的钢筋混凝土结构进行了振动台试验和拟动力试验， 比较发现混凝土材料对加载速率比钢材敏感【3 ”。 拟动力试验方法是缓慢地再现地震时的结构反应，严格地说它仍是一种静力试验， 因此只有在可以忽略材科应变率影响的条件下，才能获得较好的试验结果否则将引起较 大的误差。从结构工程的发展来看，一系列的新材料、新装置，例如橡胶减震器、粘弹 性阻尼器摩擦耗能器和荡液阻尼器等用于结构之中。采用这些新材料和新装置后的结构 大多表现出速率依赖特征。由于粘弹性状态下力不仅与该时刻的变形有关，而且也与变 形历程有关，所以力与变形不是一一对应的。解决这个问题国内外学者已有一些改良方 法，如：a m a c h i d a 和h 。m u t s u y o s h i 在进行钢筋混凝土构件的拟动力试验控制算法中， 把应变速率、应力松弛和欠调误差对恢复力的影响计入试验控制算法中，按照加载力的 1 0 进行了修正，与地震模拟振动台试验相比效果很好；日本学者m n a k a s h i m a 等人采 用传统的拟动力试验方式，用动态加载作动器代替静态作动器成功地开发了实时拟动力 试验系统。j d o n e a 等人在拟动力试验的控制系统中采用了全状态设计方法，使结构的 动态定位、液压系统的反作用延迟的定位误差大幅度改善。哈尔滨工业大学李进提出过 高阶单步实时动力子结构试验技术，数值模拟表明，新算法不仅是显式的，而且具有高 精度、无算法阻尼、无超越现象等算法优点 3 2 - 3 3 1 。 ( 5 ) 网络化的拟动力试验方法 虽然结构试验方法、试验设备和实验室的规模不断发展，但是目前的结构试验仍然 以模型试验或局部乃至构件试验为主，整体结构试验进行的很少，而且只是对层数较低、 规模较小的结构。显然这与目前建筑结构的迅速发展不相适应，因此，需求一种新的结 构试验方法来解决这一矛盾尤为迫切。 从结构工程研究领域来看，各个单位的结构实验室规模有限、设备数量有限，如何 解决结构试验目前所面l 临的问题? 网络化和信息化技术为我们提供了新的手段，随着互 联网技术的应用和发展，远程通信和远程控制已经在电信、交通、航天等领域得到了广 泛的应用，然而这一技术在结构试验领域也具有重大的应用意义，并将结构试验方法和 概念提高到了一个新水平。在试验设备方面：通过网络技术将分散在不同实验室的设备 资源进行整合与协同，形成一个规模庞大的网络化结构实验室；在试件方面：通过现有 的子结构实验技术可以将大型结构分解成若干个子结构，每个子结构在不同的实验室进 一9 一 砌块组合墙体的拟动力试验方法及抗震性能分析 行试验，整个试验通过网络通信进行数据交换和远程控制达到各个实验室之间的多地协 同工作，各个子结构试验通过网络化结构试验的优势是非常明显的。 使各具特色的结构实验室强强联合，做到优势互补； 过去小规模的结构实验室通过网络平台得到提升和拓展，弥补设备能力上的不足； 过去没有试验设备的单位和研究人员也可以通过网络平台使用试验设备； 经费投入小，节省了结构实验室建设的大量资金。 以大规模的网络结构试验系统来完成大型的、复杂的结构试验，在现有的实验室基础 上实现网络化结构试验系统相对试验设备的投资来说其花费是非常小的。 1 2 4 存在问题和发展趋势 世界建筑材料近百年来有很大发展，品种上已突破传统的三大建筑材料和砖、瓦、 砂、石的格局，形成包括建筑结构材料和建筑功能材料的完整体系。砌块组合墙结构具 有良好的抗侧性能及较大的承重能力，它的承重能力比普通砖砌体结构可提高4 0 左右， 抗剪强度比构造柱砌体结构高3 0 左右，且其延性系数大，塑性性能好。另外砌块组合 墙房屋较框架结构房屋造价约低2 0 左右，施工比插筋砌体简单、灵活，与普通的砌体 房屋基本相同。因此，施工速度较快，在保证砌体强度的条件下可以使用多种类型的多 孔砌块和空心砌块。某些砌块可由工业废渣制作，不用锻烧，这对节约耕地、变废为宝都 具有重要的意义。总而言之，无论从组合墙的承重能力还是其抗剪、抗弯强度以及施工 技术来考虑，该结构是发展高层砌体建筑的结构型式之一，且既经济又有良好的抗震性 能。可与国外的插筋砌块砌体相媲美，满足我国现在工程发展需要。 目前砌块组合墙体拟动力试验中，由于墙体刚度较大，位移反应小，电液伺服作动 器位移控制分辨率一般为行程的千分之一，实验室配置的作动器行程多数在1 0 0 2 5 0 m ，则位移控制分辨率在0 1 0 2 5 啪，该值远大于刚度较大的钢筋混凝土和砌体结 构拟动力试验的容许位移误差，致使常规位移加载法失效。若采用力控制加载的话，常 规液压伺服作动器难以满足加载力要求，常采用千斤顶加载，但是这样造成试验耗时长： 而且砌块墙体自身固有频率较高，故积分步长不宜取过大，导致步数增多，误差累积严 重，最终试验无法进行下去。 以拟动力实验为手段，完善砌体结构体系的研究，加强竖向地震作用对砌体组合墙 的水平抗震性能研究，加强地震消能元件及减震措施方面的工作。数值积分方法大的改 进是拓展拟动力实验范围、完善拟动力实验技术的重要方面，它直接影响积分过程的稳 定和实验误差的大小。因此针对砌块组合墙体( 大刚度结构) 拟动力试验来说，寻求一 种精度高、稳定性好、实用性强的加载控制方法是目前理论研究的重要内容。 大连理工大学硕士学位论文 1 3 拟动力试验 1 3 1 原理和特点 3 4 - 3 7 t 拟动力试验方法是将结构动力学微分方程得数值解法与静力试验的有机结合，在方 法中，结构的恢复力是实测的，因而能够比较准确地反映结构在地震作用下的真实受力 和变形状态。它的基本思想是基于结构动力方城的数值计算过程，对于一个离散的多自 由度结构系统，其动力方城可写成： w x + c x + k x = 一i ，x g 式中【m 】、【c 】和q 分别代表体系的质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵，x 、工和工分别为 各质点相对地面的加速度向量、速度向量和位移向量，h 为地震时地面运动的加速度向 量。为了能够对方程( 1 1 ) 进行数值求解，需要将上式的微分方程变成差分方程的形式， 设时间步长为岔，并令恢复力p = k x ，地震力向量f = - m x s ，方程( 1 1 ) 在某一时刻 的离散时间动力方程为 m x , + c x , + k x , = e ( 1 2 ) 在拟动力试验中，首先确定实际的地震加速度时程记录，由计算机计算当前一步的 位移反应，然后通过计算和模拟信号转换，由加载器强迫结构( 或构件) 模型实现这个 位移，同时量测结构对应于该步位移的实际恢复力，并反馈给计算机，最后计算机再根 据这个恢复力和其它已知参数计算下一步的位移反应。这样一步步循环下去直至完成整 个输入的地震加速度时程。 但拟动力试验方法是缓慢地再现地震时的结构反应，严格地说它仍是一种静力试 验，因此只有在可以忽略材料应变率影响的条件下，才能获得较好的试验结果否则将引 起较大的误差。 有关拟动力文献的评述指出，与伪静力或者振动台试验比较，拟动力试验有如下优 缺点，首先优点： ( 1 )拟动力试验在整个数值分析过程中不需要对结构的恢复力特性作任何假定。 这对非线性系统的分析尤其有利； ( 2 )能自然地模拟损伤对试件性能的影响，不需要有关退化方面的数值假定。可 进行大规模、大比例模型，甚至是结构原形的抗震试验； ( 3 )由于拟动力试验加载的时间周期近乎静态，试验者就有足够的时间来观测结 构性能变化和受损破坏过程； 砌块组合墙体的拟动力试验方法及抗震性能分析 ( 4 ) 数值模拟时，不需要在实验室中重新生成试件质量； ( 5 )可以和子结构技术相结合，扩充了试验应用范围。 缺点： ( 1 )数值积分误差传播的特性要求作动器有极好的液压控制，在位移与力控制 中，使试验误差能满足精度的容差要求； ( 2 )如果没有实时拟动力试验，则无法再现对应变速率敏感的非线性特性； ( 3 )为保证数值的精度而要求的控制试验速度和小的积分时间步长有可能需求 过多的试验时间； 在拟动力试验中，地震产生的惯性力是由加载器作为静力荷载实现的，对于高阶振 型反应影响较大的结构，试验结构误差较大。 1 3 2 加载装置 常规试验系统是由试验样本、试验台座、反力墙，加载设备、计算机及数据采集仪 器