结构模型抗震试验的有效性和局限性

赵传亮 杨立坤 乔建刚

0 引言

我国是一个地震多发的国家，在各种防灾实践中，抗震研究是一个重要的方面。工程结构抗震试验是研究结构抗震性能的一个重要手段，同时，地震震害调查、结构振动理论分析也是两种十分有效的研究方法。由于原型试验投资大、周期长、试验测量精度受到环境影响，加载设备要求较高。从而，使得结构模型抗震试验成为一种经济有效的试验方法。

结构模型试验分为三个阶段：模型设计、结构模型试验、结构抗震试验分析。结构模型抗震试验可以分为四类：周期性结构抗震静力试验、非周期性结构抗震静力试验、周期性结构抗震动力试验、非周期性结构抗震动力试验［3］。

1 结构模型试验的有效性

结构模型试验可以节省材料、费用，重复进行多次试验，积累较多的资料，并且可以在室内进行试验，具有良好的工作条件和先进的试验设备，能够较好的反映结构的抗震性能和抗震能力。结构模型抗震试验有效性主要表现在以下几个方面。

1.1 比较、鉴定结构的抗震性能

制作几组结构模型，按照各自换算试验荷载分别对其进行试验，比较、鉴定几种不同结构的抗震性能。在改善结构的抗震能力，提高短柱的延性、改善砌体的变形能力、选择剪力墙开洞的合理位置等方面都有一定的应用［3］。通过低周疲劳试验获得加载循环次数与强度或刚度退化关系，可以比较不同设计方案抗震能力的强弱。特别是近年来日益受到重视并在实际工程中应用的耗能元件和减震系统都需要通过抗震试验加以鉴定;同时结构模型试验还可以验证抗震措施和加固措施。

1.2 为制定规范条文积累科学数据

在大量试验的过程中不断发现过去规范中抗震条文的缺点。特别在钢筋混凝土结构方面，对柱子箍筋的设置、钢筋搭接的要求、节点核心区的构造、构件抗剪能力的改善等，都需要通过结构抗震试验来逐步积累制定规范条文所需要的科学数据。

1.3 探索抗震性能、验证理论、研究破坏机理和破坏特性

结构模型试验是由原结构经一定相似关系而确定的，虽然它无法精确地、完整地反映原结构的各种抗震性能特点，但是它可以反映原结构的部分特性，为我们探索结构抗震性能提供了一条有效的途径。

1.4 适用于各种结构及构件

结构模型试验不仅适用于整体结构模型试验，也适用于局部模型试验;不仅适用于结构工程中结构或构件的模型试验，也适用于桥梁工程中结构或构件的模型试验，因此，在各个领域中应用均十分广泛。试件的类型可以是梁式试件、柱式试件、节点及框架组合件试件、剪力墙及墙体试件等，试验模型应根据实际结构的研究目的、对象以及试验条件等各种因素综合考虑后进行选取。

结构模型试验在比较、鉴定结构的抗震性能、制定规范、探索抗震性能、验证理论、研究破坏机理和破坏特性、评定结构的抗震性能和抗震能力以及验证抗震措施和加固措施等方面都是不可或缺的有效而经济可行的试验方法。

2 结构模型试验的局限性

结构模型抗震试验是一种有效的试验方法，但同时又由于结构模型内因或外因与实际不符，使其又具有一定的局限性，其局限性主要表现为以下几个方面。

2.1 误差

1)试件尺寸误差。试件尺寸误差分为试件外形尺寸误差和钢筋位置偏差。前者主要由于钢筋混凝土构件无法做到与设计尺寸一致、砌体构件尺寸受施工砌筑及材料本身尺寸的影响以及钢结构构件中钢板、型钢尺寸偏差等引起。后者主要由于主筋、箍筋绑扎时的偏差以及振捣混凝土时造成的骨架变形引起。这些误差无法避免，使结构模型无法反映原结构的全部特性，造成了模型试验的局限性。为减小这些误差的影响，在试验前量测试件的尺寸，试验后敲开混凝土，量测保护层实际厚度和钢筋的准确位置，在理论分析中采用实测尺寸。2)材料强度误差。试件的实际材料强度与名义强度(标准试件确定)之间的差别所产生的误差。减小这些误差的方法为：对混凝土要求试块和试件具有同一性，即要求相同的混凝土、相同的外模、相同的振捣条件、相同的拆模时间、相同的养护状况以及相同的试验时刻;对砌体材料保持试块和试件同一性的方法为每批试块和试件采取分批流水作业［4］，减少因砌筑者水平不同引起的差异。3)试件安装误差。这类误差由以下原因引起的：试件划线误差;支座、加力点与划线不准的误差;支座长度方向不平或试件底部不平引起的试件扭转或出平面变形;支座太紧、摩擦力抵消一部分作用力等。这种误差可以通过提高施工安装技术来减小。4)试验设备误差。这类误差主要指：材料试验机的精度和实验者的读数误差;试验加载装置的精度和实验者的读数误差;传感器精度和实验者读数误差;数据采集和记录设备内部元件引起的误差。5)制作的精确度、试验环境以及试验荷载、试验量测的影响误差。模板的支座和模板材料对尺寸都有一定的影响，浇捣混凝土对钢筋位置会产生影响，从而产生一定的误差。有些材料(如：有机玻璃等)对温度的变化很敏感，混凝土模型也很容易由于温度变化引起收缩和温度应力，因此，模型试验的荷载必须仔细校正，特别当模型的比例较小时，完全模拟实际荷载情况有困难时，应改用明确的集中荷载，否则会产生很大的误差。一些试验的量测设备也会致使结构产生误差。

2.2 各种模型材料的局限性

1)弹性模型材料。塑料(环氧树脂、有机玻璃等)力学性能受应变影响，弹性模量随时间、温度变化，徐变大，泊松比大。有机玻璃能产生较大的变形，但延性差，无破坏前兆;硝酸一基σ—ε曲线与钢材相似，但无硬化段;环氧树脂、聚酯树脂在配置时为满足材料相似性要求需要改变固化剂的用量，或掺入不同填充料调整其性能。石膏抗拉强度低，要获得均匀和准确的弹性特性比较困难;纯石膏弹性模量很高，很脆，加工时凝结太快;金属的试验荷载大，加工困难。

2)强度模型材料。微粒混凝土需要缩小模型的比例，还要注意它的强度、保护层厚度、和易性以及与模型钢筋的粘结性能。模型钢筋一般采用盘状细钢筋拉直而成，当需要模拟钢筋与混凝土的粘结时，钢筋表面需要冷加工，这样产生了冷作硬化效应，因此需要进行热处理。

2.3 模型相似产生的局限性

结构模型试验一般是将原结构按照一定的相似关系设计而成的模型进行试验。要使模型能够准确反映原结构的全部特性，则必须满足严格的全相似关系，然而实际的相似条件太多，且往往有矛盾冲突，无法使其全部满足相似，从而使模型试验不能准确地反映实际结构的全部特性，所以，具有一定的局限性。

弹性模型是为获得原型结构在弹性阶段资料而设计的模型。它无法做到与原型结构完全相似，除非是足尺模型试验，由于它是用于获取弹性阶段资料的，而不是预计非线性性能，所以应尽量使弹性性能相似，忽略掉非线性相似。对强度模型，它主要用于预计原型的极限强度，以及各级荷载直至破坏荷载性能，所以，可以与弹性模型侧重点相反。

2.4 尺寸效应和加载速率产生的局限性

在模型的相似条件中，没有考虑到尺寸效应和加载速率对材料力学性能的影响。结构模型试验中，模型做的越小就越经济，但材料强度常常随试件尺寸减小将逐渐提高，且小尺寸使得构造要求很难满足。材料强度、刚度会随荷载频率的提高而增加。这些都会使模型试验产生一定的局限性。

2.5 试验设备的局限性

由于技术上的问题，现有的试验加载设备无法完全模拟地震作用时的实际状况，特别是那些高频、大位移的非周期振动更是很难模拟，而且设备中存在有很大的误差成分，使得加载不那么准确。各种传感器也使测量结果产生很大的误差。这些都使得结构模型试验产生了一些局限性。

3 结语

结构模型抗震试验在结构抗震性能评价上具有重要的意义。其有效性主要体现在可以比较、鉴定结构的抗震性能;为制定规范条文积累科学数据;探索抗震性能、验证理论、研究破坏机理和破坏特性;且其适用于各种结构及构件。同时，由于结构模型试验无法完全模拟实际结构的真实地震响应状态，存在着各种局限性，但我们可以根据自己的试验目的、试验条件考虑主要矛盾，忽略次要矛盾，选择最合适的试验模型和试验方式，这样还是可以很好地反映结构的特性，是一种十分经济有效的试验方法。

［1］ 吕西林，卢文胜，施卫星.超限高层建筑的抗震安全性评定与动力特性现场实测［A］.工程安全及耐久性——中国土木工程学会第九届年会论文集［C］.2000：55-58.

［2］ 吴万新，顾金钧，梁传珏.九江大桥引桥墩体抗震模型试验研究［J］.桥梁建设，1982(3)：98-100.

［3］ 朱伯龙.结构抗震试验［M］.北京：地震出版社，1989.

［4］ 郑山锁，薛建阳，王 斌.砌体结构抗震［M］.北京：建材工业出版社，2010.