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第一章概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[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。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静力实验方法阶段结构抗震的静力理论创立于20世纪20~40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1-1Moment-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20世纪40年代开始出现反应谱理论[6~9]，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M．Biot提出的，后来G．W．Housner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(直接动力分析理论阶段)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校建成了一座6.1m×6.1m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15m×15m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，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[13~19]，还有一些是专门论述模型结构实验的[21~26]，而且我国还先后制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[27~29]。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[12,31~34]，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[35~36]。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