实时混合试验文献综述

第1章绪论

1.1 引言

地震，作为一种在全世界范围内频繁发生的自然现象，在人类历史上造成过多次严重的损害[1]。强烈地震可以瞬间对土木结构和基础设施造成严重的震害，如房屋建筑倒塌、堤坝溃决、桥梁垮塌、道路中断、城市管道、输电线路等生命线工程损毁。此外，大地震还时常伴有多种次生灾害，如日本311地震后引发的海啸，关东大地震后造成城市大面积火灾，汶川地震后多发的山体滑坡、泥石流及堰塞湖等。地震及其次生灾害会对人类社会造成极大的财产损失和人员伤亡，甚至严重影响社会发展。

中国是世界上地震较多的国家之一，历史上曾经发生过多次损失惨重的地震灾害。在我国社会主义现代化建设的伟大历史进程中，城市化是社会进步的主要标志之一。而随着城市规模的迅速扩大导致人口与财富的高度集中，也导致城市安全问题与灾害危害性的日趋加重。由于我国是人口大国，城市人口密度高，各类自然灾害，尤其是地震灾害，造成的人员伤亡和对城市威胁的风险程度往往要高于其他国家。我国有22个省会城市和三分之二的百万以上人口的大城市位于地震高危险区，这充分说明了在我国城市化进程中加强土木工程防震抗震研究的极端重要性和紧迫性。

目前，由于地震灾害具有巨大的不确定性且后果严重，加之地震准确预报仍然是全球性的难题，因此世界各国面对地震的应对策略主要着眼于提高工程结构抵御地震的能力[2]。由于现阶段人们对于工程结构和材料的认识还不够深入，尤其对于结构破坏过程中出现的非线性现象认识有限，如结构在强震下能量耗散机制和破坏机理尚无理论能够很好描述，因此无法精确地预测材料、构件及结构在地震中复杂受力状态下的动力响应，对于整体结构的抗震性能难以单纯依据理论分析给出准确的结果。所以，在现阶段结构抗震试验仍是抗震减灾研究中一项重要的研究手段，是观察结构地震下表现，获取抗震知识、构建抗震理论的重要途径[3]。

结构抗震试验经过若干年发展，目前获得广泛认可和普遍应用的传统抗震试验方法主要有三种，即拟静力试验、振动台试验和拟动力试验。得益于近20年来在计算机、电子、液压伺服技术和现代控制理论等方面的进步，现在基于拟动力试验的理论基础上又发展出一种新兴的抗震试验方法，即混合试验（Hybrid Testing）方法。混合试验可以实现快速甚至实时加载，对于加载速率敏感的构件，如阻尼器、支座等，能更好的模拟其地震作用下的响应。混合试验试验构件缩尺

比大，甚至可以制作局部足尺模型，能较好的解决尺寸效应、相似比不满足等问题，且模型制作成本及设备使用成本较低。因此，融合了拟动力试验、振动台试验和子结构试验技术的混合试验方法弥补了传统抗震试验方法的缺陷，作为一种新兴的抗震试验方法，具有较好的研究价值和应用前景。

1.2 抗震试验技术研究发展现状

1.2.1 拟静力试验

拟静力试验又称低周往复加载试验，是目前研究结构或构件受力及变形能力时所采用最广泛的方法。拟静力试验是指假定结构位移按照某种特定模式（如位移按照第一振型），利用反力墙（反力架）和作动器，对结构或结构构件施加多次循环往复荷载或位移作用，模拟结构在地震作用下往复运动的变形或破坏特点。拟静力试验能获取结构在地震作用下的恢复力特性，确定滞回特性用于衡量结构或者构件的耗能能力以及确定骨架曲线、初始刚度、退化刚度等退化参数，最后可以研究结构的破坏模式、破坏机理，为改进设计提供依据[3][4]。拟静力试验主要有以下三个优点：（1）应用广泛，几乎所有结构或结构构件都可以通过拟静力试验获取诸多参数；（2）历史悠久，应用于拟静力试验的理论丰富而扎实；（3）试验手段简单稳定，对设备要求低，可靠度好，不同试验的数据也有较好的可参考性。因此，拟静力试验是目前抗震试验研究中应用最广泛的试验方法[5]。考虑到实际结构多为多自由度体系，而地震作用也有多方向性，学者们对拟静力试验的加载规则也进行了拓展研究[5] [6]。

由于拟静力试验方法本身的特性，决定了它也存在一些缺陷和局限性：（1）加载速率低，因此主要用于获得构件的刚度、承载力及滞回特性等信息；（2）加载制度是事先确定的，在不同的加载制度下进行试验结果也可能不一样；（3）多以构件为试验对象，无法考虑整体结构在地震下的性能；（4）对于试验中试件何时开裂、何时达到屈服仍无很好的鉴定标准。

1.2.2 地震模拟振动台试验

地震模拟振动台试验是目前抗震试验手段中最直接的方法。其原理是将结构模型放置在刚性台面上，利用电液伺服作动器驱动台面重现地震波。振动台可以实时再现地震作用，模拟地震的全过程，是目前在试验室中研究结构模型地震反应和破坏机理最直接也是最准确的方法。振动台试验被广泛应用于研究结构动力特性和抗震性能，检验大型设备抗震性能，以及对于高层、超高层以及超限结构进行缩尺模型的振动台试验，以验证其抗震性能和结构设计合理性等。自1960

年起，美、中、日等国先后建造了近百座各种类型的振动台。[7,8]

振动台试验作为一种直观而真实的研究手段，被广泛运用于学术研究领域，对许多新结构、新构件、新设计方法的发展做出了重要贡献。比如近年来的研究热点－摇摆结构，作为一种典型非线性结构，振动台试验在其研究过程中发挥了重要作用。Midorikawa[9]在2006年发表了带有摇摆柱的钢框架结构的振动台试验研究成果，试验表明相比于底端固接的框架，摇摆柱框架在柱端隆起的情况下可以有效降低地震作用。Marriott[10]在2008年发表的论文中，通过振动台试验验证了基于性能设计方法设计的预制摇摆墙的抗震性能，并验证了针对摇摆墙的数值分析方法。除了学术研究外，振动台试验在诸多重大工程中也发挥了重要作用，国内外均有大量重要工程项目进行过振动台试验的验证，包括上海环球金融中心[11]、上海中心[12]。

振动台试验被广泛认为是一种良好的抗震试验研究手段，同时也存在一些不足：

（1）试验成本高。振动台系统本身属于复杂系统工程，需要土木、机电、机械、自动控制等多个专业的协作，振动台本身是高精度的大型设备，而且多为试验需求量身定制，制造成本与标准化设备相比较高，同时设备安装需要高精度的土建施工技术，因此试验室本身的建设费用高昂。此外，模型设计制作消耗较高的人力物力，并且模型设计制作周期长，导致试验整体周期被拉长。试验时驱动台面及模型需要消耗大量能量，维持液压系统运作消耗大量电力，试验时成本相对其他试验方式要高得多。以上这些原因最终导致了振动台试验成本一直居高不下。

（2）模型与原型结构之间力学行为相似度仍不够理想。由于振动台试验受限于台面承载能力，大多进行缩尺模型试验，存在材料尺寸效应、结构相似比不满足的问题。首先，试验模型结构构件尺寸较小时，受尺寸效应影响，材料力学性能差异较大，制作、装配误差也会因为缩尺而带来更显著影响。其次，缩尺模型设计时，长度、时间、内力等不同参数相似比不同，然而重力加速度、材料弹模强度等个别参数难以人为调整，导致试验中只能保证研究者所重点关心参数的相似比，忽略次要参数相似比。另外，用于振动台试验的缩尺模型构件尺寸较小，往往不能采用与真实结构相同的土木工程材料制作，比如钢筋常以钢丝代替，型钢以薄钢板、铜板焊接制成，混凝土也存在明显差异，因此对于原型结构在地震作用下的响应的模拟仍不够准确。近年来，随着减隔震技术的运用，大量非线性耗能构件被运用于结构中，如粘滞阻尼器等，此类构件力学行为表现为强非线性，并且可能拥有复杂的内部结构，缩小模型后力学性能会产生显著变化，也不适宜进行小比例的缩尺模型试验。