1、第一章第一章 概概 论论 赵均海 教授 工程分析方法：理论分析：解析解（理论力 学、材料力学、弹性力学、塑性力学等） 实验研究：实验力学、振动测控力学等 数值模拟：计算力学、有限元分析等 断裂力学、损伤力学是理论和实 验相结合的两部分内容 按实验对象分为：构件检测(混凝土结构课) 、 材料检测(建材课) 、结构检测(本课程) 按实验方法分为：电测、光测、脉动法等 按实验加载方法分为：静力、动力（低速、 高速脉冲、爆炸、侵彻、地震等） 参考书目参考书目 1 邱法维, 钱家茹, 陈志朋. 结构抗震实验方法M. 北京: 科学出版社, 2000. 2 李德寅, 王邦楣, 林亚超. 结构模型实验M. 北
2、京: 科学出版社, 1996. 3 李方泽, 刘馥清, 王正. 工程振动测试与分析M. 北京: 高等教育出版社, 1992. 4 朱伯龙, 建筑抗震实验M. 北京: 地震出版社, 1989. 5 杨俊杰. 相似理论与结构模型试验M. 武汉: 武汉理工大学出版社, 2005. 6 陈志朋, 张天中, 邱法维, 王宗刚. 结构试验与工程检测M. 北京: 中国水利水 电出版社，知识产权出版社, 2005. 1.1 抗震实验方法概述 结构工程是一门实践性很强的学科，是在 实践经验的基础上发展建立的。人们首先 在实践中积累和掌握了结构工程的经验， 在此基础上，通过不断地学习、不断地应 用，逐步形成了理论
3、。 与人类居住的历史相比，结构工程理论的 形成要晚得多，而结构抗震理论的形成和 发展就更晚了，是在上世纪初才开始的。 20年代日本采用在建筑物上加一水平力代 表地震对结构的作用力可能算是最早的结 构抗震设计方法了。 在人类历史上，由于地震造成的灾害是极 其严重的，人类在地震灾害中付出了极大 的代价，也取得了宝贵的经验。对于地震 灾害，预防措施应当是最主要的方法，虽 然临时性的地震预报可以大大减少人员的 伤亡，但是根本性的预防措施在于采取合 理的结构抗震设计方法，提高房屋的抗震 能力，避免结构的倒塌和严重损坏。 由于结构抗震设计方法的发展是与社会经 济的发展和科学技术的进步密切相关的， 所以人类
4、真正开始比较系统地研究结构的 抗震设计方法并将其以法规的形式确定下 来还是上世纪初的事情。随着理论研究的 深入和实际应用的发展，到目前结构抗震 理论已经形成了一个内容很庞大的科学领 域。 而结构抗震的实验研究作为结构抗震理论 的重要组成部分，是与结构抗震理论的发 展密切相关的，理论的发展依赖实验，实 验为理论提供必要的研究数据。因此结构 抗震理论的发展过程也代表了结构抗震实 验的发展过程。 没有实验作基础，抗震理论难以得到验证 和认可，就更难以应用于实际工程；而抗 震理论方面没有突破和进展，也很难对抗 震实验方法提供指导，促进实验研究的发 展。同时，其它科技领域的发展也是抗震 实验方法发展的重
5、要前提。 如果按时间顺序划分，结构抗震设计理论 的发展大致经历了静力理论、反应谱理论、 直接动力分析理论和目前正在发展中的概 率弹塑性理论这样四个阶段，在这四个阶 段中抗震实验方法也经历了不同的发展阶 段。 1.1.1 静力实验方法阶段静力实验方法阶段 结构抗震的静力理论创立于20世纪2040 年代，是由日本的大森房吉教授首先提出 的1,2，他也是第一个试图对结构在地震作 用下提出完整计算理论的人。 静力理论是假定结构为绝对的刚体，当受 到地震作用时，它处于水平振动状态，因 此在任何瞬间结构上各点的加速度都相等， 惯性力在结构上的分布与质量分布成正比， 结构所受到的地震力等于地震荷载乘上一 个
6、地震系数。 由于静力理论忽视了实际结构的弹性性质 及其有关的动力特性，虽然计算简单，但 与实际情况不相符合。一个最简单的反例 就是日本兴业银行的例子，该房屋受到比 设计用的侧力相对应的加速度大5倍的地 震加速度却仍然没有损坏。 拟静力加载实验方法就是在这一时期开始 的，然而当时并不是用于抗震实验研究， 而是由于1919年第一个Quebec大桥的倒塌， 为了研究铆钉连接的性能而进行的，当时 使用的是螺旋型实验机 3。早期的这种实 验大部分是单调加载方式，后来由于结构 疲劳问题的增多，循环加载方式才开始使 用。 1906年SanFrancisco和1923年Kanto的两次 大地震后，抗震实验研究
7、才有了初步的发 展。而这一时期抗震实验研究的主要工作 还是集中在对整体结构动力特性方面 4， 包括开展强震观测和建立地震台网观测站 等。 这一时期，塑性设计方法的发展和框架分 析的改进导致了足尺连接部位的实验， Young和Jackson进行了循环加载下的连接 件实验，实验采用了一种改进的螺旋型实 验机，可以比较好地测量循环加载下连接 件的Moment-Rotation特征5，如图l-l所示。 图1-1 Moment-Rotation曲线 该项实验揭示了连接件的强度和刚度的退 化特征，同时也成为现代结构抗震实验研 究的中心议题之。 1.1.2动力测试及现场实测阶段动力测试及现场实测阶段 20世
8、纪40年代开始出现反应谱理论69，它 是将地震波作用于单质点体系时，取位移、 速度和加速度反应的最大值与单质点振动 体系的周期之间的关系。 反应谱理论考虑了结构的弹性性质，利用 结构动力学的振型分解方法，将结构转化 成单质点体系的叠加，每一单质点体系代 表 一 个 振 型 。 反 应 谱 曲 线 最 初 足 由 MBiot提出的，后来GWHousner采 用了EL-Centro地震波、Olimpia地震波和 Taft地震波，给出了平均地震反应谱的概 念，使这一方法得以实现。 反应谱理论由于采用了大量强震观测数 据，并且能够正确而简单地反映地震动 的特性，因此在国际上得到了广泛的应 用，大大推动
9、了结构抗震设计理论的发 展。 反应谱理论虽然考虑了结构的动力 特性，但在结构设计中，仍然是将地震 力作为静力来对待，所以它只能称为准 动力理论。 在制作反应谱的过程中只考虑了地震动的 振幅和频谱两种因素，没有考虑地震持时 对结构破坏的影响，这是它的不足之处。 另外，反应谱是以弹性理论为基础的， 无法反映结构在强震作用下的非线性工作 状态；虽然目前已经提出了弹塑性反应谱 方法，但由于结构非线性问题的复杂性， 距实际应用还存在差距。 由于结构动力特性与反应谱之间的密切关 系，所以这一阶段的实验工作主要是结构 的动力特性测试，以便准确地得到结构的 频率、振型和阻尼。但是另一方面，地震 后由于结构的破
10、坏造成结构的自振周期变 长、阻尼变大，所以结构、构件的极限强 度和变形能力等方面的实验开始受到重视。 1.1.3 地震模拟实验阶段地震模拟实验阶段(直接动力直接动力 分析理论阶段分析理论阶段) 随着强震观测水平的提高，取得了大量的 地震动记录和结构地震反应的记录，这为 直接将实际地震记录输入到结构中进行地 震反应分析提供了先决条件。 另一方面，这一方法的发展也得益于计算 机技术和实验技术的发展，因为地震加速 度不能用数学式子表达，所以结构的动力 方程也就无法通过解析的方法求解，只能 采用离散化的数值积分方法求解各个时刻 的结构地震反应，计算工作量是非常大的， 只有计算机才能完成这项工作。 由于
11、直接采用了实际地震记录输入进行结 构地震反应分析，从而全面地考虑了强震 三要素(振幅、频谱和持时)对结构破坏的 影响；结构或构件的弹塑性性质采用了比 较合理的全过程恢复力曲线模型，从而使 计算结果能够详细、具体地给出结构弹塑 性地震反应的全部过程，这对于了解构件 在整个地震过程中的受力状态、判断结构 的屈服机制、找出结构的薄弱环节都具有 重要的意义。 目前对一些特殊的、复杂的重要建筑 越来越多地采用直接动力分析的方法，而 且在十多个国家的规范中都作出了明确的 规定。 这一时期抗震实验最重要的标志是大型地 震模拟振动台的建立和拟动力实验方法的 应用。20世纪60年代末首先在美国加州大 学伯克利分
12、校建成了一座6.1m6.1m的水 平、垂直两向地震模拟振动台，同期日本 国立防灾科学技术中心也建成了世界上最 大的15m15m的地震模拟振动台10。 20世纪70年代初期，美国首先将拟静力实 验方法用于获取构件的数学模型，为整体 结构的计算机分析提供构件模型，同时通 过地震模拟振动台实验对结构模型参数作 了进一步的修正。 20世纪70年代初在日本开发应用的拟动力 实验方法则是结构抗震实验研究过程中的 一项重大成就11。这个时期可以认为是抗 震实验方法发展过程中的一个里程碑。从 实验设备的发展来看，闭环控制的电液伺 服实验系统提高了实验的控制荷载和位移 的精度； 新型的传感器如位移计和应变计以及
13、光纤 和激光设备的采用可以精确测量结构响应； 数据的采集和分析处理系统能够准确可靠 地使用几十或几百个传感器来记录结构的 实验表现；大型反力墙和反力台座允许进 行大型足尺构件甚至原型结构的实验。 从试件类型和研究内容来看，试件从节点、 构件到足尺结构模型都进行了较多数量的 实验研究；学术交流和合作研究也变得活 跃，大学与研究所之间以及国际间进行了 合作，许多国家都积极地参与，政府也给 予支持。 1.1.4 抗震实验的广泛应用阶段抗震实验的广泛应用阶段 20世纪80年代开始的结构抗震实验研究空 前活跃，这其中以美、日两国合作进行的 足尺七层钢筋混凝土结构的一系列实验研 究最为著名，在第八届世界地
14、震工程大会 上专门为这一合作研究项目进行了系列总 结。 另外，新西兰、美国和日本以及后来中国 参加的对钢筋混凝土框架进行的合作研究 项目，都促进了结构抗震理论的发展，也 大大提高了结构抗震实验方法和技术的水 平。 这一时期，中国的抗震实验研究得到了很 大的发展，主要原因是20世纪80年代初国 家给予了很大的投入以及世界银行给予贷 款，许多大学和科研机构的结构工程学科 先后建成了大型的结构实验室并购置了一 批先进的实验设备，例如同济大学、国家 地震局工程力学研究所和水利水电科学研 究院抗震所建成了多维地震模拟振动台； 国家建筑科学研究院结构所、哈尔滨建筑 大学、重庆建筑大学、西安建筑科技大学 和
15、湖南大学等引进了大型电液伺服结构实 验系统。这些抗震实验设备为我们国家的 结构抗震研究作出了重要贡献。 从20世纪80年代到20世纪90年代的十几年 时间里，结构抗震实验在概念、方法、技 术和设备更新等诸多方面都发展很快，一 方面是由于结构抗震研究的需要，另一方 面是由于现代电子计算机技术的飞速发展， 同时设备生产厂家对产品的不断开发和创 新也是重要因素。 当年美、日在进行足尺七层钢筋混凝土结 构实验研究时，由于控制系统和加载设备 的限制而不得不将七个自由度等效成单自 由度体系；现在，我们可以很方便地用计 算机控制一个多自由度结构的拟动力实验、 拟静力实验或地震模拟振动台实验。 另外，像拟静力
16、实验中出现的杂交实验方 法，拟动力实验中出现的子结构实验技术 和实时拟动力实验方法，都为结构抗震研 究提供了新的手段。 虽然结构抗震实验方法已经发展到了 一个很高的水平，但是仍然面临着许多问 题。 目前的结构抗震理论已经发展到了概率弹 塑性设计理论阶段12，这是由于地震发生 具有时间、空间和强度方面的随机性所决 定的，而且地震发生的本身也具有明显的 随机性。因此，从概率理论的角度出发， 采用随机动力分析的方法才能比较全面、 深入地把握地震作用的规律。 由于概率弹塑性理论还处于研究和发展阶 段，如何处理各种因素对结构抗震性能的 影响则还要做许多工作，尤其是如何通过 实验的方法对它进行检验更是如此
17、，所以 如何在概率弹塑性理论发展中科学合理地 应用抗震实验技术还存在许多问题。 因为概率弹塑性理论是基于随机方法建立 的，它是一种概率意义下的行为，而实验 是它的一次确定性样本，如何将二者合理 地联系在一起目前还存在一定的困难；另 外地震波的选择也是一个重要而未能解决 的问题，因为每个地震波记录都不能代表 地震动的一般性； 还有其它因素诸如结构本身、基础状况 和土壤特征等都将影响到地震动的输入， 所有这些都是抗震实验中有待于解决的 问题。 1.2 结构抗震实验方法 到目前为止，国内外已经出版了许多结构 实验方面的教材和专著1319，还有一些是 专门论述模型结构实验的2126，而且我国 还先后制
18、定出相应的混凝土结构试验方法 标准和建筑抗震试验方法规程2729。 但是，专门讨论结构抗震实验方法的书籍 非常少，朱伯龙教授主编的结构抗震试 验是较早的一本30，许多抗震实验方法 和应用的内容则被写入了地震工程学或结 构抗震设计的著作中12, 3134，而更多的与抗 震实验方法及其应用有关的研究成果则发 表于专业期刊和会议论文集中， 尤其是拟动力实验方法和应用的内容主要 是以论文的形式出现的3536。下面列出的 主要是三种在实验室进行的拟静力实验方 法、地震模拟振动台实验方法、拟动力实 验方法和与之密切相关的内容，这三种实 验方法也是本书的核心内容。 1.2.1 拟静力实验方法 拟静力实验方法
19、几乎可以应用于各种建筑 结构或构件的抗震性能研究；与振动台实 验和拟动力实验相比，拟静力实验方法的 突出优点是它的经济性和实用性，经济性 原因使它具有应用上的广泛性。 从实验设备和设施来看，它的要求是比较 低的，并不需要昂贵的实验设备；从试件 的花费来看，拟静力实验的构件往往比一 个模型结构实验的花费低十几甚至几十倍。 另外，由于拟静力实验中不考虑应变速率 影响所产生的变化，因此不同研究人员在 不同实验室获得的实验结果就容易进行比 较，这是拟静力实验的一个优点。 拟静力实验有两方面的意思，一是它的加 载速率很低，从而应变速率的影响可以忽 略；另一个是拟静力实验既代表着单调加 载又代表着循环加载
20、，单调加载可以认为 是循环加载的一种特例。 通常拟静力实验又称为周期性加载实验， 主要是指循环加载实验这层意思，所以许 多情况下并不严格区分拟静力实验或周期 性加载实验。虽然拟动力实验的加载速率 与拟静力实验是一样的，但是拟动力实验 的加载目标与拟静力实验的加载目标在确 定上具有本质的不同，所以二者不能归入 同一类中。 1.2.2 地震模拟振动台实验方法 地震模拟振动台可以真实地再现地震过程， 是目前研究结构抗震性能最准确的实验方 法。 地震模拟振动台 六自由度振动台 从20世纪60年代建造地震模拟振动台开始， 到目前全世界已经拥有近百台中型以上的 地震模拟振动台，其功能也从当年的单向 发展成
21、为目前的三向六自由度的地震模拟 振动台，控制系统的性能也随着科学技术 的发展得到了很大的提高，从过去的PID 调节控制、三参量反馈控制发展到了自适 应控制阶段。 地震模拟振动台实验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， 尤其是许多高层结构和超高层结构都是通 过缩尺模型的振动台实验来检验设计和计 算结果的。 事实上，只要试件的重量、尺寸和反应特 征处于振动台的最大功能范围之内，都可 以进行振动台实验；台面再现的波形也不 仅仅限于地震波，可以是其它类型的振动 问题。所以采用振动台进行实验的不仅有 建筑结构，也有桥梁结构、离岸结构、水 工结构以及工业产品和设备等。 1.2.3 拟
22、动力实验方法 拟动力实验又称为联机实验，是将计算 机的计算和控制与结构实验有机地结合 在一起的一种实验方法。 拟动力实验又称为联机实验，是将计算 机的计算和控制与结构实验有机地结合 在一起的一种实验方法。 它与采用数值积分方法进行的结构非线 性动力分析过程十分相似，与数值分析 方法不同的是结构的恢复力特性不再来 自于数学模型，而是直接从被试结构上 实时测取。 拟动力实验的加载过程是拟静力的，但它 与拟静力实验方法存在本质的区别，拟静 力实验每一步的加载目标(位移或力)是已 知的，而拟动力实验每一步的加载目标是 由上一步的测量结果和计算结果通过递推 公式得到的，而这种递推公式是基于被试 结构的离
23、散动力方程，因此实验结果代表 了结构的真实地震反应，这也是拟动力实 验优于拟静力实验之处。 虽然拟动力实验和地震模拟振动台实验 可以获得结构的真实地震反应，但是由 于输入地震波的选择是任意的，所以被 试结构的真实地震反应将随输入的不同 而不同。 1.2.4 原型结构的动力测试 原型结构动力测试作为了解实际结构动力 特性的一种方法是十分重要的。动力特性 对于深入了解结构的抗震能力，检验结构 的性能是非常有效的手段。 特别是对于高层建筑，由于结构刚度小、 动态作用比较敏感，所以动力测试不仅检 验现有的设计和分析结果，对该结构将来 的性能评估也提供了重要的依据。 大型桥梁，尤其是悬索桥和斜拉桥这类大
24、跨 度桥梁也是需要进行动力测试的4142，目前 不仅对这类大跨度桥梁建成后进行动力测试， 而且在桥梁服役过程中进行长期的振动监测 也已经成为桥梁工程研究的重要内容4243， 像美国的金门大桥和香港的青马大桥等都安 装了长期监测系统，以便进行桥梁长期的抗 风和抗震监测。 1.2.5 数据采集与处理 为了研究结构的性能，需要记录结构在实 验过程中的各种变化，一般结构抗震实验 中需要量测和记录的有位移、速度、加速 度、应变和力等。 只有通过量测和记录这些表征结构特性的 信号才能达到进一步分析确定结构性能的 目的。这种对信号的量测和记录过程称之 为数据采集。目前所说的数据采集，主要 是指将现实世界中的
25、各种模拟信号变换成 电压或电流信号， 然后再经过AD转换 器转换成数字信号供计算机处理的过程。 抗震实验中数据采集的一个突出特点是要 求采集过程与实验控制过程协调一致，例 如在拟动力实验中，每一步加载完成后都 要进行数据采集，这样才能与输入的地震 动对应起来。数据采集的另一项重要用途 是实验过程的实时监测，像拟静力实验和 拟动力实验过程，根据量测的数值和相关 的曲线变化规律，实时采集，及时反馈组 成闭环链，可以实时地了解结构的开裂、 屈服和破坏过程。 数据采集的目的是分析结构的反应情况， 为了达到这一目的需要进行数据处理，从 采集的数据中获得我们所需要的内容。由 于计算机技术的迅速发展，目前已
26、经出现 了许多功能强大的数据处理软件，数据处 理工作可以非常方便地用这些数据处理软 件来完成。 像Excel不仅具有图表功能而且具有很强的 数理统计分析功能；DADiSP是另一个功 能非常完善的特别适合于处理动态信号的 软件，具有频谱分析功能、数学计算功能 和统计分析功能等一系列分析手段。有这 些数据处理软件的支持，抗震实验的数据 处理工作通常都可以顺利地完成。 1.2.6 模型实验理论问题 模型实验理论是结构实验的基础，它是模 型结构和原型结构之间相互联系的一座桥 梁，直接影响到结构模型实验结果的推广 应用。 由于实验条件如实验室的规模、反力墙的高 度、振动台的尺寸大小等的限制，同时为了 能
27、够进行整体结构的实验而不得不采用缩尺 模型，有时模型要缩成很小的比例，特别是 对高层建筑结构、塔桅结构、桥梁结构和水 坝等更是如此。 因此模型相似理论是模型实验中的一项关 键内容，由于材料的力学性能、模型结构 的制造误差以及模型结构的非线性反应， 模型相似理论往往得不到满足，所以不能 将小比例模型结构的实验结果直接用于原 型结构。尽管如此，由于模型实验满足了 结构的主要相似关系，所以实验结果可以 定性地反映出原型结构的一些特征。 目前结构的非线性动力相似理论还不完备， 它直接影响到结构抗震实验结果的推广应 用，所以这是一个需要尽快解决的问题。 相似理论的基本条件之一是弹性理论中材 料E、无关性
28、，可以使模型材料与实际结 构不采用相同的材料，而不影响结构内的 应力分布。 弹性力学中 平衡微分方程 相容方程 应力边界条件 x sxy sl+m y sxy sm+l ,0ij ji 2 xy =0+ 以上三个方程都不含材料弹性常数，而且 对于两种平面问题都是相同的，因此实验 时可以用便于量测的材料来制造模型，以 代替原来不便于量测的结构或构件材料， 还可以用平面应力情况的薄板模型代替平 面应变情况的长柱形的结构和构件。 参考文献参考文献 1 工程地震文献资料编辑委员会编. 工埕地震文献选集M. 第一集, 北京: 建 筑工程出版社, 1959. 2 武藤清著, 滕家禄等译. 建筑物动力设计M
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34、M. 北京: 科学出版社, 1996. 25 梅村魁, 青山博之, 伊藤胜著, 林亚超, 卢世深译. 结构试验和结构设计M. 北京: 人民交通出版社, 1980. 26 F. W. David and H. Nolle. ExperimentalModellingin Engineering M. Mansell (Bookbinders) Ltd, 1982. 27 中华人民共和国国家标准. 混凝土结构试验方法标准(GB50152-92)S. 北 京: 中国建筑工业出版社, 1992. 28 沈在康编著. 混凝土结构试验方法新标准应用讲评M. 北京: 中国建筑工 业出版社, 1991. 29
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37、tra. 1996, 12(1). 37 易伟建. 工程结构拟动力试验的应用与发展C/结构工程科学发展青年专 家研讨会论文集. 哈尔滨: 国家自然科学基金委员会, 1992. 38 邱法维. 拟动力实验方法与实验技术的发展C/结构工程科学发展青年专 家研讨会论文集. 哈尔滨: 国家自然科学基金委员会, 1992. 39 邱法维, 钱稼茹. 拟动力实验方法的若干应用J. 工程力学, 1999, 16(1): 78- 88. 40 清华大学土木系, 香港理工学院土木及结构工程系. 香港几幢高层建筑的脉 动试验M. 上海: 清华大学出版社, 1985. 41 铁道部大桥工程局桥梁科学研究所编. 悬索桥M. 北京: 科学技术文献出版 社, 1996. 42 林元培编著. 斜拉桥M. 北京: 人民交通出版社, 1997. 43 G. C. Lee and K. C. Chang. Proceedings of the International Workshop on Civil lnfrastructure Systems Application of Intelligent Systems and Advanced Materials on Bridge System J. Technical Report NCEER940019，July 18，1 994
