拟静力试验技术中的加载制度研究

拟静力试验技术中的加载制度研究

0加载制度对结构试验结果的影响建筑物结构试验包括振动试验、预压试验和预压试验，以及振动试验。振动台试验在评估结构体系抗震性能方面是最为客观实际真实有效的,然而由于其高额的费用成本使得常常采用小比例尺振动台试验;拟动力试验是一种保留了振动台试验的一些特点的试验方式。然而大多数的结构构件或组件的试验都是采用拟静力试验方式,亦即低周反复加载试验。由于其相对较低的经济成本以及其显著的技术优势,拟静力试验方法已经成为并将继续成为结构工程抗震领域的最受欢迎的试验技术之一。通过该试验方法技术可以有效获得结构构件(组件)的强度、刚度、变形、耗能等重要可靠信息,从而为建立诸如恢复力模型、抗剪强度计算公式和研究破坏机制等,以及为发展和改进新型的抗震构造措施提供强有力的技术保障。因此,精心策划和布置拟静力试验的整个试验方案对于获得有意义的试验数据结果是非常重要和相当必要的,这主要涉及到试件的制作与安装、加载系统的使用、加载方案的确定、测量仪器的安装、数据的采集与处理、数据的分析和形成报告等内容。在整个试验方案的制定中,最为关键、最为核心而又最容易被忽略的问题即是加载制度的确定。由于不同的试验目的通常决定了采用不同的加载制度,因此即便是同一种试件的某种性能的研究,也往往由于研究者的不同而采用不同的加载制度。关于加载制度这一核心问题,有不少的研究学者进行了相关的研究。杨晓明等采用6种不同循环加载制度,对钢筋混凝土柱的耗能、强度、刚度等性能进行了试验研究。结果表明,不同循环加载制度对钢筋混凝土柱的抗震性能有较大的影响。SantiagoPujol等通过16个混凝土柱子在不同的位移加载制度下的试验结果表明,混凝土柱的位移转角能力不仅取决于柱子的特性和所施加的轴向荷载,同时也取决于所施加的位移历程。郑山锁等通过改变轴压比、体积配箍率、含钢率、加载制度等对12榀型钢高强高性能混凝土框架柱试件进行了低周反复加载试验,得到了试件经历不同次数循环加载后其极限承载、变形和极限耗能能力的变化规律,从损伤的角度系统地分析了不同设计参数及加载制度对试件荷载-位移曲线、骨架曲线、刚度和强度退化、变形能力、滞回耗能等的影响。研究结果表明,随着循环次数和位移幅值的增加,试件损伤逐渐累积,使其刚度、强度不断退化,耗能能力以及极限变形能力不断降低;与变幅循环加载相比,常幅循环加载下试件的损伤演化过程较为缓慢,滞回耗能总量相对较大。KipGatto等通过对木框架剪力墙在不同加载制度下的试验研究表明,加载顺序对于剪力墙的性能具有重要的影响作用。上述研究均已表明,加载制度对结构试验的结果具有显著的重要影响。而在进行拟静力试验时,对于加载制度的重要性的认识,以及如何确定具体可行的加载制度,似乎并没有具体可以参考的文件或技术资料。本文基于文献资料的阅读和所曾参与的试验项目,针对加载制度问题进行尝试性地探讨和总结,主要涉及到加载制度的重要性、常用的几种不同类型加载制度、加载制度确定的原则方法以及当前加载制度中无法避免的缺陷问题。1加载速率的影响尽管拟静力试验已经成为并将继续成为结构工程抗震领域的最受欢迎的试验技术之一,然而并非所有的人都能真正理解和明白拟静力试验的含义。拟静力试验,有时候又称之为低周循环加载试验。“拟静力”的含义意味着要以很低的加载速率施加荷载从而使得材料的应变率基本上不影响试验结果。而且拟静力试验大多数都是基于高度理想化的静定结构试件展开进行的。之所以强调以很低的速率加载,除了可以消除应变率对试验结果的影响,同时很重要的一个原因在于,由于其移除了应变速率的影响,可以对不同研究学者在不同实验室所进行的试验数据进行精确的对比分析。关于这一点是很重要的,因为有时尽管应变率很重要,但是由于其对结构性能反应的影响难以量化,而且很大程度上取决于试件的材料、几何形状以及所采用的比例尺度。因此,往往需要以很低的加载速率来消除应变率的影响。如果不是以准静力的加载方式进行试验时,加载速率将可能对试验结果产生不确定的影响而无法估量。然而,很难严格界定拟静力加载的最大加载速率,而且通常在整个试验过程中也并不是严格控制加载速率。RobertT.根据其早期的试验经验指出,通常控制加载速率比较有效的方法是通过位移增量的办法来实现加载控制。施加位移增量通常为屈服位移的一部分,不超过10%。随着每一级位移增量的施加,试验通常需要停留5~10分钟,以容许试件保持稳定(诸如容许混凝土的开裂和钢筋的屈服等)和进行试验现象的观察。需要强调的是,拟静力意味着消除应变率的影响和严格遵守这一点,这样做可以要求加载速率低到尽可能想象到的地步。尽管这样做是很耗时的,但是却提供了较为统一、一致的准静力反应下限值。然而,由于目前现代计算机的控制加载和数据采集技术的出现使得快速加载成为可能,而且迫于试验项目的进度要求及施工场地等诸多因素,试验中常常出现较快速率的加载,而过快的加载速率(超过准静力的速率)通常会导致试验结果的不稳定和产生波动。2荷载历程的再评估在提出工程结构的抗震设计方法时,通常需要知道结构的需求和能力等方面的信息。关于需求方面的信息主要是通过动力非弹性分析获得,而能力曲线则通常通过大比例尺试件的低周反复加载试验获得。在建立能力与需求之间的关系时,需要考虑的一个重要问题是试验时所施加的荷载历程能在多大程度上代表着实际的地震反应状况?众所周知,结构的强度和变形能力主要取决于其所发生的累积损伤,这意味着每一个结构构件都有着过去曾经所经历损伤破坏的永恒时刻,并且在任何时候它可能会再现。因此,结构构件的性能主要取决于其曾经所经历的荷载历程,而目前能唯一合理有效地考虑和评估这种历程影响的方法便是重复再现结构构件在不止一次的地震中所经历的荷载和变形历程。加载制度的目的就是以一种保守或者也许不太算保守的方式在实验室的条件下来实现这个目标。3其他加载制度众多的研究文献已经研究并给出了各种不同的加载制度方案,而且有些已经被众多国际试验方法所采用或包含在内,这些加载制度给出了不同的加载历程。目前主要存在的几种具有代表性的加载制度如图1~3所示,下面简要进行阐述和总结。3.1试验后的变形控制我国《建筑抗震试验方法规程》规定:试件拟静力试验的加载程序应采用荷载-变形双控制的方法,即是: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进行加载;试件屈服后采用变形控制变形值应取屈服时试件的最大位移值,并以该位移值的倍数为级差进行控制加载,如图1所示。需要指出的是,该方法在实际应用中需要解决一些具体问题:一是试验过程中如何确定开裂荷载,目前多数用人工方法检查,逐级加载难以准确得到开裂荷载。另一个问题是没有一个确定屈服点的同一标准。目前有几种不同的确定试件屈服的方法,而屈服位移的大小对试件的位移延性的大小影响很大。在试验过程中很难精确地确定试件的屈服荷载和屈服位移,试验中判断试件屈服与否是一个不精确的概念。另外有些试件本身没有明显的屈服点,对于这样的试件,应当考虑采用位移控制完成整个试验。3.2试验加载制度关于位移控制加载的种类及方法很多,此处仅罗列一些具有典型代表性的予以说明。FEMA461给出的位移控制加载制度如图2(a)~(b)所示。该加载制度最初主要用于对位移敏感性强的非结构构件试验研究,随后被推广应用到对位移敏感性强的结构构件中去。可以看到,这两者的显著区别在于纵坐标即加载幅值增量的选择,前者采用的是变形位移,而后者采用的是最大变形幅值的百分比,每一级循环加载均以最大变形幅值的百分比作为加载增量(图中的Δ0为最小损伤时的变形,Δm为最大目标变形幅值)。图3给出了几种不同的加载制度。图3(a)给出的加载制度,是由美国人提出的第一个采用循环加载历程的方法来评估钢结构构件抗震性能的标准加载制度。该加载制度采用屈服位移(变形)作为循环幅值增加的参考量。试件屈服之前每一级循环至少是6次,而屈服之后每一级循环3次数,每级幅值增量依次为1倍的屈服位移,2倍的屈服位移,3倍的屈服位移……直至结构发生严重的循环退化反应为止。循环幅值的相对大小和绝对大小是根据单自由度体系的时程分析进行统计分析的结果而得出。该加载制度主要适用于SAC钢结构试验方法的第一阶段。因为需要在试验前确定出屈服变形(屈服位移),而不同的研究者采用不同的变形位移参考量,故很难对得到的试验结果进行对比分析,所以采用屈服位移或屈服变形作为试验加载的控制参数似乎显得并不合适,即便是对于钢结构而言。那么对于混凝土结构或木结构来说就更显得不合适。正是由于屈服位移的模糊不确定性,SAC研究项目致力于提出一个可以适用于钢框架结构的具体加载制度,为此研究学者进行了一个3层和9层钢框架的试验研究并进行统计,采用的是以楼层位移角进行循环加载,研究的结果如图3(b)所示。对于钢结构而言,楼层屈服位移角被控制得很严,而该SAC加载制度似乎给出了更小、更少的弹性循环次数,这主要是基于北岭地震的震害调查结果得出的。一般意义上讲,这两种加载制度在累积损伤方面是很类似的,但由于采用了楼层位移角作为循环加载控制参数,这个SAC加载制度不应当被应用于诸如钢结构的梁柱节点组件的试验中去。图3(c)最初来源于美日联合的TCCMAR砌体试验项目中的短周期刚性结构,随后20世纪90年代末被进行修改,然后由CoLA委员会决定用于进行木框架剪力墙的试验研究。这个加载制度显著不同于前两个,主要是出现了更多的大大小小的循环,并且采用了“首次重要时刻FME”概念来控制循环幅值的大小。对于木结构而言,试验前进行FME的预测是显得含糊不清的,因此不同实验室的研究者采用了不同的幅值参考。更为显著不同的区别是SPD加载制度中存在更多数量的大位移幅值循环。毫无疑问,这种加载制度使得试件产生了更为苛刻的需求,相对于ATC-24和SAC加载制度而言。该加载制度已经被ASTME2126-02所采纳。由于北岭地震灾害调查与CoLA试验的破坏结果存在显著的不同,早期CUREE-Caltech木框架项目进行了一个适用于木框架剪力墙结构的试验加载制度研究。该加载制度如图3(d)所示,似乎该加载制度与SAC加载制度比较接近,但却有两点显著的不同。第一,循环幅值变化的参数不是屈服变形(FME)也不是绝对位移角比值,而是采用最大位移Δ。该最大位移是结构达到可接受的性能水准时的位移,也是构件应当被量化要实现的目标位移。如果试件具有足够可以的令人满意的性能,在经历了首次最大位移Δ,那么试件就通过了这个目标位移幅值。如果它失败了,则需要采用稍微小的位移幅值重新进行看其是否可以通过,如果试件可以经受住比Δ更大的数次循环,那么试验可以按照之前设定好的加载模式(先是大幅值循环然后是2次小幅值循环,接着是幅值增大量为不超过前次目标幅值50%的更大幅值)继续下去。这种加载制度回避了采用或确定屈服点和FME而继续加载,但是也需要设定是否满足可接受的性能水准。为了估计这种目标幅值,需要在进行试验前进行一次单调加载试验以获得相关数据。Krawinkler曾建议采用Δ为单调加载试验所产生的最大位移的0.6倍。图3(e)给出的加载制度与图3(d)采用的概念基本类似,不过是采用最大位移作为参考量。首先是一些很小的位移幅值循环,然后依次是每级循环3次的25%、50%、75%和100%的最大位移。图3(a)~(d)所提到的加载制度均没有考虑近场地震的影响,而图3(f)和图3(g)考虑了这一因素。不过这两个加载制度却是显著不同的,适用的对象也不同。图3(f)是适用于中长周期的钢框架结构,而图3(g)则是适用于短周期的木框架结构。显然结构周期的长短对近场地震反应是有着重要的影响。从图3(f)中还可以看出,该加载制度含有一个脉冲逆转,这是因为近场脉冲可能来自于另一个方向,而这会影响到钢框架梁柱节点的上翼缘或下翼缘。这两个近场加载制度都没有在实际工程中得到广泛的应用,一个原因在于试验成本显著增大,而另一个原因是大循环前的几个小循环所产生的退化现象很小以至于可以采用单调加载予以代替。然而这种说法也未必完全正确。需要对该加载制度进行进一步的深入研究。4结构构件加载制度图1~3给出了一系列使用多年的加载制度。可以看出,目前所有的加载制度都是针对特定的专有材料而使用的(主要是钢材和木材),并没有将其应用于其他材料的试件中去。到目前为止,似乎并没有可以广泛适用于混凝土结构的加载制度。没有研究结果表明哪一种加载制度是完善的并且优于其他的加载制度。目前也并不存在唯一的、最好的加载制度,因为地震不会完全相同而且试件模型可能属于不同的结构体系中的某一部分。在确定加载制度时,最为重要的问题是通过循环加载来考虑累积损伤效应。如果没有累积损伤的存在,则没有必要进行循环加载。试件所需要的循环次数及循环幅度的大小主要可以根据结构或构件的分析研究结果获得,在该分析研究中结构模型将受到具有典型特征的地震波激励,然后采用统计分析的方法评估该结构模型的反应。BehrouzShafei等采用具有一般代表性的结构体系(框架结构和剪力墙结构)进行了地震波激励下的反应计算以期望给出对位移敏感的非结构构件准静力加载制度的建立方法。为了实现这一点,首先选择具有代表性的一系列地震波对非结构构件进行弹性或弹塑性时程分析,并以层间位移角IDR的形式表达定义了非结构构件的地震需求;然后采用雨流计数法来处理所获得的地震需求时程反应,从而实现了将非结构构件位移反应的随机性改变为有限的循环次数且具有具体规定的位移幅值;最后基于所获得的分析数据采用统计法对所得的位移加载历程进行一般化归一化,从而得到可以应用于具有类似结构特性的非结构构件的加载制度历程。A.T.Derecho等也曾采用类似的方法对10层、20层、30层和40层的混凝土墙体结构进行了具有典型特征地震波输入下大约300次的时程分析,并对所得到的分析数据进行处理归纳,最终得到可供使用的准经历加载制度以进行拟静力试验,如图4所示。由此可见,建立结构构件的加载制度方法为:先对结构模型进行弹性弹塑性时程分析以获得所关注的位移(角)需求,然后采用特定的技术处理方法(比如雨流计数法)对所获得的需求反应时程进行处理以获得有限次循环、保留典型特征的位移幅值;最后再采用数据统计法对所得的位移加载历程进行归一化从而形成可用的加载制度。需要注意的是每级循环次数的选择,切记避免采用过多的循环次数,以免造成极限承载力未达到之时结构构件发生疲劳破坏从而无法得到极限承载力,如图5所示。5试验研究的不足尽管拟静力试验具有很广阔的应用前景及领域,然而其独有的无法克服的技术劣势或缺陷也是显而易见的。这些缺陷从某种程度上讲,也即是加载制度所存在的。1)当地震作用下应变速率的影响不可忽略时,如果处理不当,拟静力试验方法会给出不合适的甚至是错误的结果:(1)当结构构件或结构体系的超强特性对于结构的反应相当重要和关键时;(2)当结构的破坏模式主要由应变