摘 要:介绍了在土木工程专业本科段教学中开设的两个抗震实验。实验教学证明,土木工程专业本科教学中开设抗震实验是可行和有效的。
关键词:土木工程 抗震实验 教学改革
由于目前全国设置土木工程本科专业的各高校的实验室设备条件参差不齐,国家土木工程专业本科教学指导委员会制定的“建筑抗震设计”和“土木工程测试技术”课程教学大纲中均未要求土木工程专业本科教学开设建筑抗震实验,结果有条件的高校实验室的抗震设备仅仅用于科研和研究生试验,本科教学内容中仅采取让本科生观看录像或到实验室参观或请高校实验教师做报告等措施来弥补教学中该实践性环节的不足。我学院与校设备管理处经过多年努力,于2002年购置了电液伺服加载系统,并首先在土木工程专业建筑工程方向本科教学中开设了建筑抗震实验的尝试。实验教学证明,在土木工程专业本科教学中开设建筑抗震实验取得了较好的教学效果。
1 实验项目
2 实验装置二质点钢结构体系的模拟振动台的水平滑台实验装置如图1所示,钢筋混凝土框架梁的低周反复实验装置如图2所示。 液压加载系统包括液压系统和荷载支承系统,液压系统由液压控制系统和液压加载器组成,液压控制系统由油箱、高压油泵、测力装置及各种阀门组成。电液伺服作动器的电液控制系统,包括液压系统及微机控制系统。液压系统由油泵站及电液伺服作动器组成。微机控制系统包括:装有模数(A/D)及数模(D/A)转换卡的微机、应变仪及信号放大器组成。由电阻应变片、位移传感器和拉压力传感器与数据采集系统组成闭环控制,如图3所示。
电液伺服加载系统具有频响快、灵敏度高、控制精度好、适应性 www.51lunwen.com 强等优点,在建筑结构试验中应用范围较广。电液伺服作动器和控制系统可以完成结构静荷试验、结构动荷试验、结构低周疲劳和模拟地震试验等。
3 低周反复水平加载制度地震时的地面运动是一种复杂的随机过程,极不规则;为了使加载制度可以模拟不同的地震模式,特别是地震作用达到峰值后的下降过程,以研究构件在不同地震作用模式下的抗震性能,必须制定相应的加载制度。根据抗震试验规程(JGJ101-96)的一般规定,正式试验前先施加反复荷载两次,大小为开裂荷载的30%,以检查试验装置及各测量仪表的工作是否正常。在试件达到屈服荷载前,力与变形的关系基本上是线性的,而且变形增量增大不多,故采用力控制加载。当试件屈服后,力的增量变小,而变形的增量却很大,这时采用变形控制加载,变形值取屈服时试件的最大水平位移值,并以该位移值的倍数即Δy,2Δy,3Δy……分级进行控制加载,每级荷载反复2~3次,直至构件破坏。这种变幅等幅混合加载制度,可以综合地研究构件的性能,其中包括等幅部分的强度和刚度变化,以及在变幅部分特别是大变形增长下的强度和耗能能力的变化。加载方案多样,由学生查参考资料自行选定。
(1)截面开裂点的确定 以试验过程中放大镜观察梁根部裂缝首次出现,并参照伺服加载仪实时记录曲线出现第一次曲线斜率变化点的数据,确定开裂荷载。
(2)构件屈服点的确定 一般有3种控制法确定试验中结构的屈服点:第1种方法是观察荷载—变形曲线,找出其明显的拐点,确定为结构的屈服点,即拐点法;第2种方法是监控受力钢筋应变,当某一控制截面受力钢筋应变多数达到由材性试验测得的屈服应变时,认为构件达到屈服点;第3种方法是用等能量法,即图4所示的方法确定。第3种方法只能在荷载加到最大值后方能确定构件屈服点,而且由于在实际试验中应变片不一定正好贴在钢筋实际受力最大的截面处,再由于同一截面上的几根受力钢筋不一定同时达到屈服应变;因此,以整个结构或构件的荷载-变形曲线出现拐点作为屈服的判别准则是比较合适的,也是比较容易掌握的,并且在试验中监控控制截面的钢筋应变来确定结构的屈服点。试验完成后,用第3种方法进行校核。预先对屈服荷载进行估算,并在试验过程中根据加载系统的P-Δ曲线的同步记录,采用拐点法确定结构的屈服荷载和屈服位移。
(3)构件破坏点的确定 对于单调加载,在以下3种情况出现时可认为结构破坏:①受拉钢筋拉断;②试件临界截面上受压边缘混凝土达到最大压应变,混凝土压碎;③从荷载-变形曲线上观察,当试件达到最大承载能力并下降到一定幅度时,一般取0.85Pmax,认为构件破坏,如图5所示。
在低周反复加载时,构件在同一位移延性系数下,进行等幅循环加载时,一般初始几个循环作用下,刚度下降是比较有规律的。当构件循环刚度发生突降时,认为构件破坏。