第２７卷增刊２０１１年１月
结构工程师
Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ
Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ
Ｖ０１．２７，Ｓｕｐｐｌｅ
Ｊａｎ．２０１１
结构低周反复加载试验方法浅谈
卢文胜１
李斌ｈ
曹文清１
曹
海１
（同济大学结构工程与防灾研究所，上海２０００９２）
摘要本文首先对试验系统的组成进行了简单介绍，然后对试验操作及试验过程中容易出现的问题进行了总结，并提出解决设想。文中着重分析了梁柱节点试验反力架中存在的安装空隙及竖向力加载问题，并设计出一套可以解决此类问题的反力架系统。
关键词低周反复加载试验，试验设备，反力架，梁柱节点
Ｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎ
ｏｎ
Ｔｅｓｔｉｎｇ
Ｍｅｔｈｏｄｓｏｆ
ＲｅｖｅｒｓｅｄＣｙｃｌｉｃ
Ｑｕａｓｉ・ｓｔａｔｉｃＬｏａｄｉｎｇＴｅｓｔ
ＬＵＷｅｎｓｈｅｎ９１
ＬＩＢｉｎ’’ＣＡＯＷｅｎｑｉｎ９１
ＣＡ０Ｈａｉ
１
（ＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＳｔｒｕｃｔｕｒａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎｄＤｉｓａｓｔｅｒＲｅｄｕｃｔｉｏｎｏｆＴｏｎ舀ｉ
Ｕｎｉｖ．，Ｓｈａｎｇｈａｉ
２０００９２，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ
Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ｆｉｒｓｔｌｙ，ａｂｒｉｅｆｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆｔｈｅｔｅｓｔｉｎｇｓｙｓｔｅｍｉｓｍａｄｅ．Ｔｈｅｎ
ａｒｅ
ｓｏｍｅｐｒｏｂｌｅｍｓｏｃｃｕｒｒｉｎｇｄｕｒｉｎｇｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｏｆｏｐｅｒａｔｉｏｎａｎｄｔｅｓｔｉｎｇ
ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄａｎｄｓｏｍｅｓｏｌｕｔｉｏｎｓ
ａｓ
ａｒｅ
ｐｕｔ
ｆｏｒｗａｒｄｆｏｒｒｅｆｅｒｅｎｃｅ．Ｐｒｏｂｌｅｍｓｅｘｉｓｔｉｎｇｉｎｒｅａｃｔｉｏｎｆｒａｍｅｏｆｂｅａｍ—ｔｏ—ｃｏｌｕｍｎｊｏｉｎｔｔｅｓｔ，ｓｕｃｈ
ｓｔａｌｌａｔｉｏｎｇａｐａｎｄｖｅｒｔｉｃａｌｆｏｒｃｅｌｏａｄｉｎｇｓｙｓｔｅｍ，ａｒｅｅｍｐｈａｓｉｚｅｄｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ．Ａｎｄ
ｓｙｓｔｅｍ
ａ
ｐｒｏｂｌｅｍｓｏｆｉｎ—
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ａｒｅｄｅｓｉｇｎｅｄ
ｔｏｓｏｌｖｅｔｈｅｍ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ
ｒｅｖｅｒｓｅｄｃｙｃｌｉｃｑｕａｓｉ—ｓｔａｔｉｃｌｏａｄｉｎｇｔｅｓｔ，ｔｅｓｔｉｎｇｅｑｕｉｐｍｅｎｔｓ，ｒｅａｃｔｉｏｎｆｒａｍｅ，ｂｅａｍ－ｔｏ－ｃｏｌｕｍｎ
ｊｏｉｎｔ
ｎｌｎｌ的作动器。根据不同的试验要求，选择合适的作
１低周反复加载试验加载系统
结构低周反复加载试验是结构拟静力或者结构伪静力试验的一种方式，也是结构试验中一项重要的试验方法。结构低周反复加载试验加载系统包括液压伺服作动器、油源、管道系统、传感器系
动器进行试验。结构试验中最常用一个作动器对结构试件进行单向加载，系统也支持多作动器的同时运作，以进行多点或多向加载。在进行多作动器的同时运作时，可将其中的一个设为主作动器（ＭａｓｔｅｒＡｃｔｕａｔｏｒ），其他的设为从作动器（ＳｌａｖｅＡｃｔｕａｔｏｒ），主从作动器之间存在线性或其他函数关系，当主动作器加载时，从作动器便会作出相应的加载。如图２所示为—个双作动器同时加载的试验。
传感器系统包括作动器传感器及试件上外加的传感器两部分。作动器上的传感器包括位移传感器和力传感器。位移传感器是通过测量作动器内油压系统的活塞的位移从而对其进行位移控制的，活塞的运动速度与油的流量成正比，而油的流速则是与通过伺服阀的电流大小成正比的。通过
统、控制及操作系统等。系统的工作原理是根据试
验要求，由控制操作系统发出加载指令，通过伺服液压系统控制作动器运动，从而给结构试件加载。
整个系统中较为关键的是伺服液压作动器系统，作动器的常用指标主要有其所能提供的力及位移量程。作动器可根据能提供的力最大值分为不同种类，而不同力加载限值的作动器的位移加载限值也不同，图１所示为力和位移限值为＋６３０
收稿日期：２０ｌＯ—ｌＯ－３０
＋联系作者：Ｅｍａｉｌ：ｌｉｂｉｎｔｊｓｔ＠１６３．ｅＯｌｌｌ
ｋＮ，＿＋２５０
万方数据
ＳｔｒｕｃｔｕｒａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｓＶ０１．２７，Ｓｕｐｐｌｅ
・１６・
对作动器油腔内油压差的控制，对作动器所施加的力进行控制。要获得结构试件的运动及受力状况，就需要在试件上布置传感器，常用的传感器由
位移传感器、应变传感器及加速度传感器等。这
些传感器通过采集系统采集结构试件的位移变化、应变变化及加速度变化的数值。
图１
固定在反力墙上的作动器
Ｆｉｇ．１
Ａｃｔｕａｔｏｒｆｉｘｅｄ
ｏｎ
ｒｅａｃｔｉｏｎｗａｌｌ
图２两个作动器同时运作的试验
Ｆｉｇ．２
Ｔｅｓｔｗｉｔｈｔｗｏ
ａｃｔｕａｔｏｒｓ
ｏｐｅｒａｔｉｎｇｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓｌｙ
２加载模式及试件类型
加载模式总的来说分为三大类，一是力加载
模式；二是位移加载模式，三是力和位移的混合加载模式。力和位移的加载模式又可分为等幅加载模式和变幅加载模式。试验加载波形可为正弦波、三角波、方波或者自定义波等。
试件类型按材料分的话可分为砖砌体结构试
件、钢结构试件及混凝土结构试件。这些试件的不同之处在于试件的刚度及延性不同，因此加载时要有所注意。砖砌体结构的延性最差，如砌体墙在几毫米时即屈服，十几到几十毫米时就已经破坏而需要停止试验。钢结构试件的延性最好，但刚度往往最小，混凝土试件的刚度及延性相对来说更均衡一些。
万方数据
３试验操作中的注意事项
３．１试件的安装
试件在固定时，要根据试验要求固定好底座或者刚架等试验装置。要求固接的边界条件要做好固接条件，防止松动或滑移。举例来说，如图３所示，为一墙体的试验，由作动器施加力Ｐ，使试件固定的力由试件底梁与地梁之间的摩擦力Ｆ提供，当Ｐ＞Ｆ一时，试件底部会产生滑移，为避免此类情况，可在试件底梁附加锚固措施，通常可以用液压千斤顶或者其他构件作为支撑。
试件顶粱
图３墙体试验安装示意图
Ｆｉｇ．３
Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｗａｌｌ’ｓｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎ
作动器与试件连接时，要精确对位，缓慢安装，减少在安装螺栓时由于孔位偏差而产生的附件应力。在安装的时候，应有操作人员密切注视
作动器上力或者位移的瞬时值，在力或者位移瞬时变大时，果断叫停或者由操作者直接停止作动器运转，避免损伤试件或设备。
３．２作动器力或位移保护限值的设定
一般设备都会提供力或者位移的保护限值设置，当力或者位移一旦超过保护限值时，作动器会自动跳停，以保护设备、试件和现场人员的安全。对于不同的试件，根据试件的刚度及延性，应设定
相对应力和位移的保护限值。保护限值的设置是
实时的，不同的实验阶段需设置相应的保护限值，不宜一次性设置成较大值，否则将失去保护限值设置的意义。不过这样也将产生一个问题，由于控制软件中没有可视化的保护限值与加载荷载之间的关系图，容易引起疏忽，使得保护限值在因为未及时调整的情况下，荷载值超过保护限值而自动跳停。因此可以设想，在控制软件中，如有可视化的
保护限值和当前加载荷载的关系图来提醒操作人
・结构试验系统及控制软件・
员的话，则将大大减少此类问题的发生，如图４所示。亦或者在软件中添加一选择菜单，允许按加载荷载的比例自动调整保护限值的数值，如图５所示。
图４保护限值与加载荷载关系图
Ｆｉｇ．４
Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｌｏａｄｌｉｍｉｔａｎｄｌｏａｄｉｎｇｖａｌｕｅ
图５保护限值与加载荷载控制
．
Ｆｉｇ．５
Ｃｏｎｔｒｏｌｉｎｔｅｒｆａｃｅｏｆｌｏａｄｌｉｍｉｔａｎｄｌｏａｄｉｎｇｖａｌｕｅ
值得一提的是，对于ＩＮＳＴＲＯＮＳＣＨＥＮＣＫ设备而言，当几个作动器同时运作时，如果一个作动器的力或者位移超过保护限值后，该作动器会自动跳停，但其他的作动器并不会跟随跳停，这时由操作人员及时停止其他作动器的运转。显而易见，这种一个作动器停止运作，而其它作动器继续运作的情况对结构试验及试验安全等方面都是不利的，应该引起试验人员的注意。在这种情况下，如果控制系统中能够有警示提醒，等待处理的功能，则可以尽可能地减少不利影响。３．３试验设备保养
试验设备的保养是一项重要的工作，任何疏忽大意都可能导致试验设备的损伤，以下是一些普通的设备保养方法，却不容忽视：
１）每次使用设备前，需考虑一下设备所处的
环境是否发生过大的变化，如温度、湿度等，如果
环境发生了过大的变化，要做好充分的准备工作恢复到设备正常运转所需的环境要求再进行试验。我们建议，在环境温度高于３７℃，湿度大于５０％时，不宜进行试验；
２）传感器到控制器的线往往较长，如途经行人路面及试件周围时，要做好保护措施，防止行人
万方数据
结构工程师第２７卷增刊
践踏及试件落物砸伤。场地布置宜简洁，留出行人通道及观测试件的空间，线路布设宜直接，不宜粘连、缠绕；
３）每次试验后要将传感器的线收回放好，并将传感器接口包裹，防止进入灰尘、杂物及积油；
４）设备运行中要密切注意设备的运行状况，如有异常应立即停止试验并做检查。
５）要经常检查线路及设备装备状况，如有导
线老化及设备受损情况，应及时更换。
以上仅是比较普通的一些方法，在此抛砖引玉，希望能够引起大家的重视。
低周反复加载试验加载模式中，对于墙体、梁柱节点等构件的加载，使用的加载模式一般是先用力的加载模式加载，待加载至屈服点时，换为位移加载模式加载。这种加载模式是一种传统的加载模式，
确的情况下，这种加载模式发挥了其作用。但是这种加载模式也存在一定的弊端。首先，由于力的加载模式不能够控制位移，在力的加载模式下，在临近屈服点的第ｎ级力加载之后需及时转换为位移控制系统，位移控制精度可达到０．０１ｎｌｎｌ，因此，我们建议ｌ什ｌ级ｌＩ级
一
一
Ａ
图６力加载模式寻找屈服点示意图
Ｆｉｇ．６
Ｐｏｗｅｒｌｏａｄｉｎｇｍｏｄｅｌ
ｔｏ
ｆｉｎｄｔｈｅｙｉｅｌｄ
ｐｏｉｎｔ
４实践中的改进建议
４．１加载模式的探讨
从试验早期开始沿用至今，在以前位移加载不够精加载，否则下第ｎ＋１级力很有可能跨过屈服点所对应的力值，导致构件出现过大位移而直接破坏，如图６所示。其次，为寻找屈服点，在弹性范围内用力的加载模式加载需小间距多级加载，加载级数过多，既使试验过程繁琐，也给数据处理带来了不便。由于现在用于低周反复试验的加载设备大多为伺服液压用位移控制完成整个试验，这将使得试验过程更安
全，也会获得更好的试验效果。
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・１８・
４．２理论计算模型与实际加载的差异
在结构构件的试验前，根据结构构件的受力状况，每个模型都有其计算模型，试验应按照该力学模型相符的受力及边界条件进行。但由于试验设备及条件的限值，往往很难做到与理论计算完全相符，以下选择其中比较容易忽视的几个例子加以说明：
１）试验中试件的边界受力条件与理论计算模型中不符
试验中的试件往往是从原结构中选择一部分出来单独进行试验，这样就要求试验试件的边界受力条件与原结构中的构件的受力条件相符或相近，这样得到的试验数据才能更好地反映理论计算中的情况。但试验中有一些边界受力条件往往被忽略，如图７～９所示。其中图７为框架柱的低周反复试验试件及受力示意图，试验中试件的受
力情况与理论计算中的受办隋况之间存在差异。
ｎ步
（ａ）框架柱试件示意图（ｂ）计算模型中的受力示意图
∥皙
（ｃ）试验中试件受力示意图
图７框架柱受力示意图
Ｆｉｇ．７
Ｆｏｒｃｅｄｉａｇｒａｍｏｆｆｒａｍｅｃｏｌｕｍｎ
趣
图８顶梁转动情况下的轴心压力变化示意图
Ｆｉｇ．８
Ｆｏｒｃｅｃｈａｎｇｉｎｇｄｉａｇｒａｍｉｎｔｈｅ
ｃａｓｅ
ｏｆｔｏｐ
ｂｅａｍ’ｓｒｏｔａｔｉｏｎ
图８所示为顶梁倾斜的情况下，施加于柱顶处
万方数据
的轴心压力Ｎ也会发生变化，转角越大，有效压力Ｎ’越小。同时，所测得的柱顶位移为△１与期望值△２也存在差异，并且顶梁长度越大，差异也越大。
在墙体的低周反复加载试验中，也存在扭转问题，如图９所示，墙体承受墙顶施加的拉压力Ｐ，当墙体整体性较好，但墙与底梁连接较弱时，随着荷载Ｐ的增大，墙与底梁会慢慢脱开，墙底会出现一定的滑移。在图９ａ中，Ｐ为拉力的情况下，由于墙体右端顶梁无竖向约束措施，墙体会绕Ｂ点旋转。而在图９ｂ中，由于作动器与顶梁梁端有连接，会产生约束力Ｎ，使得绕Ｄ点旋转的转角ｂ小于绕Ｂ旋转的转角ａ，这也使得Ｂ点处的墙体容易出现局部压坏的现象。
（ｂ）
图９低周反复试验中墙体的扭转示意图
Ｆｉｇ．９
Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ
ｄｉａｇｒａｍ
ｏｆｗａｌｌ’ｓｒｏｔａｔｉｏｎｉｎｒｅｖｅｒｓｅｄ
ｃｙｃｌｉｃｑｕａｓｉ・ｓｔａｔｉｃｌｏａｄｉｎｇ
ｔｅｓｔ
在这几种情况下，可采取一些措施，尽量限制
顶梁转动，以减少误差，力学模型如图１０所示。由于日本建研式加载反力架（如图１１所示）已成功解决该问题，因此可以使用该反力架或者自行设计制作类似的反力架系统，在此不做赘述。
平ＩＩｌ疬
图１０限制顶梁转动的力学模型
Ｆｉｇ．１０
Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｍｏｄｅｌｏｆｔｈｅｒｅｓｔｒｉｃｔｉｏｎｏｎｔｈｅｔｏｐ
・结构试验系统及控制软件・
・１９・
结构工程师第２７卷增刊
一
［
Ｌ１，—’ｒＪ
肚
１反力架
才（
对伊飞謦：‘Ｌ‘行四联杆
√钆
．尸９
Ｉ
图儿“建研式”加载装置
Ｆｉｇ．１１
ＣＩＢ－ｔｙｐｅ
ｌｏａｄｉｎｇｓｙｓｔｅｍ
２）试验中试件的边界约束条件与理论计算模型中不符
试验中的加载装置由于安装试验需要，在与试件的连接点处往往留有一定的空隙，如图１２所示为一梁柱节点的加载装置。在理论计算中，节
点与反力架的连接节点应为铰接节点，如图１３所
示，这就与试验中的实际条件存在差异，进而给试验结果造成误差。
空隙
反力架
Ｏ
。
钐黝霪试件
∥
笏黝
厂
６
羹
。
图１２梁柱节点反力架示意图
Ｆｉｇ．１２
Ｂｅａｍ－ｔｏ—ｃｏｌｕｍｎｒｅａｃｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍ
。。１３……一ｎ昏”Ｈｉｎ伊ｃ。衄“…ｎｔ…ｇａｎ
ｎ…ｆ
ｔｈ～ｓ，ｂｅａｍ－ｗ－ｃｏｌｕｍｎｊｏｉｎｔ
要解决这一问题，需考虑两个方面的问题，第
一，需将四个节点做成铰接节点；第二，需考虑试
万方数据
件的安装问题。因为试件加工过程中有误差，试
件不可能完全按照反力架的尺寸制作，肯定会有
一定的误差。为此，我们设计出如图１４～图１６
所示的一套反力架装置，可以解决类似的问题。
图１４带连接节点的梁柱节点反力架示意图
Ｆｉｇ．１４
Ｂｅａｍ—ｔｏ－ｃｏｌｕｍｎｊｏｉｎｔ
ｗｉｔｈｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ
图１５连接节点详图
Ｆｉｇ．１５
Ｄｅｔａｉｌ
ｄｒａｗｉｎｇｏｆｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎｃｏｍｐｏｎｅｎｔ
嚣皇要慕莩芸嚣吾皇耄纂糙肭
一８；；蠢矗；≤祥品环舅磊戛≥姜某蓦
在上述梁柱节点反力架的加载系统中，目前竖向力一般是加载于反力架上的，如图１７所示。
ＳｔｒｕｃｔｕｒａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｓＶ０１．２７，Ｓｕｐｐｌｅ
・２０・
施加于反力架上的方会使得反力架产生变形，而
惹竺絮竺妾髯曼篓得苎竺内产生初始应力，甚至使试件开裂，如图１８所示。
竖唑装置
反力架
０
试件
ｏ
ｏ
Ｏ
Ｆｉｇ．１７
．
Ｓｃ图ｈｅ”ｍａｔｉｃ梁ｄ柱ｉａｇ节ｒａｍ点。竖ｆ
ｖ向ｅｒ力ｔｉｃ加ａｌ载ｆｏｒ示ｃｅ：ｏ图ａｄｉｎｇ
１
ｓｙｓｔｅｍ
反力架
Ｏ
裂缝
试件
７丫
｛
ｏ
一飞ｏ
ｏ
图１８构件在初始应力下的裂缝示意图
Ｆｉｇ．１８
Ｆｒａｃｔｕｒｅｓｃａｕｓｅｄ
ｂｙ
ｉｎｉｔｉａｌ
ｓｔｒｅｓｓ
显而易见，这种加载装置对试验是不利的。为解决这一问题，我们在图１４所示加载系统的基础上，设计添加了竖向力的加载装置，如图１９所示。用这套装置进行竖向力的加载，加载装置与反力架不连接，通过调节螺栓给柱构件施加压力，构件在试验时不会出现如上所述的附加应力。
图１９梁柱节点竖向力加载装置示意图
Ｆｉｇ．１９
Ｖｅｒｔｉｃａｌｆｏｒｃｅｌｏａｄｉｎｇｓｙｓｔｅｍ
万方数据
５总结及展望…～”“一
本文对低周反复加载试验设备及操作过程进行了论述及总结，希望能够对同类型试验的进行有所帮助。
随着试验设备的升级及改善，今后的低周反
复加载试验或许可以在以下几个方面有所完善或突破：
１）试验设备运行状况的自动监控；２）试验控制及分析软件的开发；
３）试验的高频加载。
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本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_jggcs2011z1003.aspx
第２７卷增刊２０１１年１月
结构工程师
Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ
Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ
Ｖ０１．２７，Ｓｕｐｐｌｅ
Ｊａｎ．２０１１
结构低周反复加载试验方法浅谈
卢文胜１
李斌ｈ
曹文清１
曹
海１
（同济大学结构工程与防灾研究所，上海２０００９２）
摘要本文首先对试验系统的组成进行了简单介绍，然后对试验操作及试验过程中容易出现的问题进行了总结，并提出解决设想。文中着重分析了梁柱节点试验反力架中存在的安装空隙及竖向力加载问题，并设计出一套可以解决此类问题的反力架系统。
关键词低周反复加载试验，试验设备，反力架，梁柱节点
Ｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎ
ｏｎ
Ｔｅｓｔｉｎｇ
Ｍｅｔｈｏｄｓｏｆ
ＲｅｖｅｒｓｅｄＣｙｃｌｉｃ
Ｑｕａｓｉ・ｓｔａｔｉｃＬｏａｄｉｎｇＴｅｓｔ
ＬＵＷｅｎｓｈｅｎ９１
ＬＩＢｉｎ’’ＣＡＯＷｅｎｑｉｎ９１
ＣＡ０Ｈａｉ
１
（ＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＳｔｒｕｃｔｕｒａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎｄＤｉｓａｓｔｅｒＲｅｄｕｃｔｉｏｎｏｆＴｏｎ舀ｉ
Ｕｎｉｖ．，Ｓｈａｎｇｈａｉ
２０００９２，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ
Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ｆｉｒｓｔｌｙ，ａｂｒｉｅｆｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆｔｈｅｔｅｓｔｉｎｇｓｙｓｔｅｍｉｓｍａｄｅ．Ｔｈｅｎ
ａｒｅ
ｓｏｍｅｐｒｏｂｌｅｍｓｏｃｃｕｒｒｉｎｇｄｕｒｉｎｇｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｏｆｏｐｅｒａｔｉｏｎａｎｄｔｅｓｔｉｎｇ
ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄａｎｄｓｏｍｅｓｏｌｕｔｉｏｎｓ
ａｓ
ａｒｅ
ｐｕｔ
ｆｏｒｗａｒｄｆｏｒｒｅｆｅｒｅｎｃｅ．Ｐｒｏｂｌｅｍｓｅｘｉｓｔｉｎｇｉｎｒｅａｃｔｉｏｎｆｒａｍｅｏｆｂｅａｍ—ｔｏ—ｃｏｌｕｍｎｊｏｉｎｔｔｅｓｔ，ｓｕｃｈ
ｓｔａｌｌａｔｉｏｎｇａｐａｎｄｖｅｒｔｉｃａｌｆｏｒｃｅｌｏａｄｉｎｇｓｙｓｔｅｍ，ａｒｅｅｍｐｈａｓｉｚｅｄｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ．Ａｎｄ
ｓｙｓｔｅｍ
ａ
ｐｒｏｂｌｅｍｓｏｆｉｎ—
ｓｅｔｏｆｎｅｗｒｅａｃｔｉｏｎｆｒａｍｅ
ａｒｅｄｅｓｉｇｎｅｄ
ｔｏｓｏｌｖｅｔｈｅｍ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ
ｒｅｖｅｒｓｅｄｃｙｃｌｉｃｑｕａｓｉ—ｓｔａｔｉｃｌｏａｄｉｎｇｔｅｓｔ，ｔｅｓｔｉｎｇｅｑｕｉｐｍｅｎｔｓ，ｒｅａｃｔｉｏｎｆｒａｍｅ，ｂｅａｍ－ｔｏ－ｃｏｌｕｍｎ
ｊｏｉｎｔ
ｎｌｎｌ的作动器。根据不同的试验要求，选择合适的作
１低周反复加载试验加载系统
结构低周反复加载试验是结构拟静力或者结构伪静力试验的一种方式，也是结构试验中一项重要的试验方法。结构低周反复加载试验加载系统包括液压伺服作动器、油源、管道系统、传感器系
动器进行试验。结构试验中最常用一个作动器对结构试件进行单向加载，系统也支持多作动器的同时运作，以进行多点或多向加载。在进行多作动器的同时运作时，可将其中的一个设为主作动器（ＭａｓｔｅｒＡｃｔｕａｔｏｒ），其他的设为从作动器（ＳｌａｖｅＡｃｔｕａｔｏｒ），主从作动器之间存在线性或其他函数关系，当主动作器加载时，从作动器便会作出相应的加载。如图２所示为—个双作动器同时加载的试验。
传感器系统包括作动器传感器及试件上外加的传感器两部分。作动器上的传感器包括位移传感器和力传感器。位移传感器是通过测量作动器内油压系统的活塞的位移从而对其进行位移控制的，活塞的运动速度与油的流量成正比，而油的流速则是与通过伺服阀的电流大小成正比的。通过
统、控制及操作系统等。系统的工作原理是根据试
验要求，由控制操作系统发出加载指令，通过伺服液压系统控制作动器运动，从而给结构试件加载。
整个系统中较为关键的是伺服液压作动器系统，作动器的常用指标主要有其所能提供的力及位移量程。作动器可根据能提供的力最大值分为不同种类，而不同力加载限值的作动器的位移加载限值也不同，图１所示为力和位移限值为＋６３０
收稿日期：２０ｌＯ—ｌＯ－３０
＋联系作者：Ｅｍａｉｌ：ｌｉｂｉｎｔｊｓｔ＠１６３．ｅＯｌｌｌ
ｋＮ，＿＋２５０
万方数据
ＳｔｒｕｃｔｕｒａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｓＶ０１．２７，Ｓｕｐｐｌｅ
・１６・
对作动器油腔内油压差的控制，对作动器所施加的力进行控制。要获得结构试件的运动及受力状况，就需要在试件上布置传感器，常用的传感器由
位移传感器、应变传感器及加速度传感器等。这
些传感器通过采集系统采集结构试件的位移变化、应变变化及加速度变化的数值。
图１
固定在反力墙上的作动器
Ｆｉｇ．１
Ａｃｔｕａｔｏｒｆｉｘｅｄ
ｏｎ
ｒｅａｃｔｉｏｎｗａｌｌ
图２两个作动器同时运作的试验
Ｆｉｇ．２
Ｔｅｓｔｗｉｔｈｔｗｏ
ａｃｔｕａｔｏｒｓ
ｏｐｅｒａｔｉｎｇｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓｌｙ
２加载模式及试件类型
加载模式总的来说分为三大类，一是力加载
模式；二是位移加载模式，三是力和位移的混合加载模式。力和位移的加载模式又可分为等幅加载模式和变幅加载模式。试验加载波形可为正弦波、三角波、方波或者自定义波等。
试件类型按材料分的话可分为砖砌体结构试
件、钢结构试件及混凝土结构试件。这些试件的不同之处在于试件的刚度及延性不同，因此加载时要有所注意。砖砌体结构的延性最差，如砌体墙在几毫米时即屈服，十几到几十毫米时就已经破坏而需要停止试验。钢结构试件的延性最好，但刚度往往最小，混凝土试件的刚度及延性相对来说更均衡一些。
万方数据
３试验操作中的注意事项
３．１试件的安装
试件在固定时，要根据试验要求固定好底座或者刚架等试验装置。要求固接的边界条件要做好固接条件，防止松动或滑移。举例来说，如图３所示，为一墙体的试验，由作动器施加力Ｐ，使试件固定的力由试件底梁与地梁之间的摩擦力Ｆ提供，当Ｐ＞Ｆ一时，试件底部会产生滑移，为避免此类情况，可在试件底梁附加锚固措施，通常可以用液压千斤顶或者其他构件作为支撑。
试件顶粱
图３墙体试验安装示意图
Ｆｉｇ．３
Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｗａｌｌ’ｓｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎ
作动器与试件连接时，要精确对位，缓慢安装，减少在安装螺栓时由于孔位偏差而产生的附件应力。在安装的时候，应有操作人员密切注视
作动器上力或者位移的瞬时值，在力或者位移瞬时变大时，果断叫停或者由操作者直接停止作动器运转，避免损伤试件或设备。
３．２作动器力或位移保护限值的设定
一般设备都会提供力或者位移的保护限值设置，当力或者位移一旦超过保护限值时，作动器会自动跳停，以保护设备、试件和现场人员的安全。对于不同的试件，根据试件的刚度及延性，应设定
相对应力和位移的保护限值。保护限值的设置是
实时的，不同的实验阶段需设置相应的保护限值，不宜一次性设置成较大值，否则将失去保护限值设置的意义。不过这样也将产生一个问题，由于控制软件中没有可视化的保护限值与加载荷载之间的关系图，容易引起疏忽，使得保护限值在因为未及时调整的情况下，荷载值超过保护限值而自动跳停。因此可以设想，在控制软件中，如有可视化的
保护限值和当前加载荷载的关系图来提醒操作人
・结构试验系统及控制软件・
员的话，则将大大减少此类问题的发生，如图４所示。亦或者在软件中添加一选择菜单，允许按加载荷载的比例自动调整保护限值的数值，如图５所示。
图４保护限值与加载荷载关系图
Ｆｉｇ．４
Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｌｏａｄｌｉｍｉｔａｎｄｌｏａｄｉｎｇｖａｌｕｅ
图５保护限值与加载荷载控制
．
Ｆｉｇ．５
Ｃｏｎｔｒｏｌｉｎｔｅｒｆａｃｅｏｆｌｏａｄｌｉｍｉｔａｎｄｌｏａｄｉｎｇｖａｌｕｅ
值得一提的是，对于ＩＮＳＴＲＯＮＳＣＨＥＮＣＫ设备而言，当几个作动器同时运作时，如果一个作动器的力或者位移超过保护限值后，该作动器会自动跳停，但其他的作动器并不会跟随跳停，这时由操作人员及时停止其他作动器的运转。显而易见，这种一个作动器停止运作，而其它作动器继续运作的情况对结构试验及试验安全等方面都是不利的，应该引起试验人员的注意。在这种情况下，如果控制系统中能够有警示提醒，等待处理的功能，则可以尽可能地减少不利影响。３．３试验设备保养
试验设备的保养是一项重要的工作，任何疏忽大意都可能导致试验设备的损伤，以下是一些普通的设备保养方法，却不容忽视：
１）每次使用设备前，需考虑一下设备所处的
环境是否发生过大的变化，如温度、湿度等，如果
环境发生了过大的变化，要做好充分的准备工作恢复到设备正常运转所需的环境要求再进行试验。我们建议，在环境温度高于３７℃，湿度大于５０％时，不宜进行试验；
２）传感器到控制器的线往往较长，如途经行人路面及试件周围时，要做好保护措施，防止行人
万方数据
结构工程师第２７卷增刊
践踏及试件落物砸伤。场地布置宜简洁，留出行人通道及观测试件的空间，线路布设宜直接，不宜粘连、缠绕；
３）每次试验后要将传感器的线收回放好，并将传感器接口包裹，防止进入灰尘、杂物及积油；
４）设备运行中要密切注意设备的运行状况，如有异常应立即停止试验并做检查。
５）要经常检查线路及设备装备状况，如有导
线老化及设备受损情况，应及时更换。
以上仅是比较普通的一些方法，在此抛砖引玉，希望能够引起大家的重视。
低周反复加载试验加载模式中，对于墙体、梁柱节点等构件的加载，使用的加载模式一般是先用力的加载模式加载，待加载至屈服点时，换为位移加载模式加载。这种加载模式是一种传统的加载模式，
确的情况下，这种加载模式发挥了其作用。但是这种加载模式也存在一定的弊端。首先，由于力的加载模式不能够控制位移，在力的加载模式下，在临近屈服点的第ｎ级力加载之后需及时转换为位移控制系统，位移控制精度可达到０．０１ｎｌｎｌ，因此，我们建议ｌ什ｌ级ｌＩ级
一
一
Ａ
图６力加载模式寻找屈服点示意图
Ｆｉｇ．６
Ｐｏｗｅｒｌｏａｄｉｎｇｍｏｄｅｌ
ｔｏ
ｆｉｎｄｔｈｅｙｉｅｌｄ
ｐｏｉｎｔ
４实践中的改进建议
４．１加载模式的探讨
从试验早期开始沿用至今，在以前位移加载不够精加载，否则下第ｎ＋１级力很有可能跨过屈服点所对应的力值，导致构件出现过大位移而直接破坏，如图６所示。其次，为寻找屈服点，在弹性范围内用力的加载模式加载需小间距多级加载，加载级数过多，既使试验过程繁琐，也给数据处理带来了不便。由于现在用于低周反复试验的加载设备大多为伺服液压用位移控制完成整个试验，这将使得试验过程更安
全，也会获得更好的试验效果。
ＳｔｒｕｃｔｕｒａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｓＶ０１．２７，Ｓｕｐｐｌｅ
・１８・
４．２理论计算模型与实际加载的差异
在结构构件的试验前，根据结构构件的受力状况，每个模型都有其计算模型，试验应按照该力学模型相符的受力及边界条件进行。但由于试验设备及条件的限值，往往很难做到与理论计算完全相符，以下选择其中比较容易忽视的几个例子加以说明：
１）试验中试件的边界受力条件与理论计算模型中不符
试验中的试件往往是从原结构中选择一部分出来单独进行试验，这样就要求试验试件的边界受力条件与原结构中的构件的受力条件相符或相近，这样得到的试验数据才能更好地反映理论计算中的情况。但试验中有一些边界受力条件往往被忽略，如图７～９所示。其中图７为框架柱的低周反复试验试件及受力示意图，试验中试件的受
力情况与理论计算中的受办隋况之间存在差异。
ｎ步
（ａ）框架柱试件示意图（ｂ）计算模型中的受力示意图
∥皙
（ｃ）试验中试件受力示意图
图７框架柱受力示意图
Ｆｉｇ．７
Ｆｏｒｃｅｄｉａｇｒａｍｏｆｆｒａｍｅｃｏｌｕｍｎ
趣
图８顶梁转动情况下的轴心压力变化示意图
Ｆｉｇ．８
Ｆｏｒｃｅｃｈａｎｇｉｎｇｄｉａｇｒａｍｉｎｔｈｅ
ｃａｓｅ
ｏｆｔｏｐ
ｂｅａｍ’ｓｒｏｔａｔｉｏｎ
图８所示为顶梁倾斜的情况下，施加于柱顶处
万方数据
的轴心压力Ｎ也会发生变化，转角越大，有效压力Ｎ’越小。同时，所测得的柱顶位移为△１与期望值△２也存在差异，并且顶梁长度越大，差异也越大。
在墙体的低周反复加载试验中，也存在扭转问题，如图９所示，墙体承受墙顶施加的拉压力Ｐ，当墙体整体性较好，但墙与底梁连接较弱时，随着荷载Ｐ的增大，墙与底梁会慢慢脱开，墙底会出现一定的滑移。在图９ａ中，Ｐ为拉力的情况下，由于墙体右端顶梁无竖向约束措施，墙体会绕Ｂ点旋转。而在图９ｂ中，由于作动器与顶梁梁端有连接，会产生约束力Ｎ，使得绕Ｄ点旋转的转角ｂ小于绕Ｂ旋转的转角ａ，这也使得Ｂ点处的墙体容易出现局部压坏的现象。
（ｂ）
图９低周反复试验中墙体的扭转示意图
Ｆｉｇ．９
Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ
ｄｉａｇｒａｍ
ｏｆｗａｌｌ’ｓｒｏｔａｔｉｏｎｉｎｒｅｖｅｒｓｅｄ
ｃｙｃｌｉｃｑｕａｓｉ・ｓｔａｔｉｃｌｏａｄｉｎｇ
ｔｅｓｔ
在这几种情况下，可采取一些措施，尽量限制
顶梁转动，以减少误差，力学模型如图１０所示。由于日本建研式加载反力架（如图１１所示）已成功解决该问题，因此可以使用该反力架或者自行设计制作类似的反力架系统，在此不做赘述。
平ＩＩｌ疬
图１０限制顶梁转动的力学模型
Ｆｉｇ．１０
Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｍｏｄｅｌｏｆｔｈｅｒｅｓｔｒｉｃｔｉｏｎｏｎｔｈｅｔｏｐ
・结构试验系统及控制软件・
・１９・
结构工程师第２７卷增刊
一
［
Ｌ１，—’ｒＪ
肚
１反力架
才（
对伊飞謦：‘Ｌ‘行四联杆
√钆
．尸９
Ｉ
图儿“建研式”加载装置
Ｆｉｇ．１１
ＣＩＢ－ｔｙｐｅ
ｌｏａｄｉｎｇｓｙｓｔｅｍ
２）试验中试件的边界约束条件与理论计算模型中不符
试验中的加载装置由于安装试验需要，在与试件的连接点处往往留有一定的空隙，如图１２所示为一梁柱节点的加载装置。在理论计算中，节
点与反力架的连接节点应为铰接节点，如图１３所
示，这就与试验中的实际条件存在差异，进而给试验结果造成误差。
空隙
反力架
Ｏ
。
钐黝霪试件
∥
笏黝
厂
６
羹
。
图１２梁柱节点反力架示意图
Ｆｉｇ．１２
Ｂｅａｍ－ｔｏ—ｃｏｌｕｍｎｒｅａｃｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍ
。。１３……一ｎ昏”Ｈｉｎ伊ｃ。衄“…ｎｔ…ｇａｎ
ｎ…ｆ
ｔｈ～ｓ，ｂｅａｍ－ｗ－ｃｏｌｕｍｎｊｏｉｎｔ
要解决这一问题，需考虑两个方面的问题，第
一，需将四个节点做成铰接节点；第二，需考虑试
万方数据
件的安装问题。因为试件加工过程中有误差，试
件不可能完全按照反力架的尺寸制作，肯定会有
一定的误差。为此，我们设计出如图１４～图１６
所示的一套反力架装置，可以解决类似的问题。
图１４带连接节点的梁柱节点反力架示意图
Ｆｉｇ．１４
Ｂｅａｍ—ｔｏ－ｃｏｌｕｍｎｊｏｉｎｔ
ｗｉｔｈｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ
图１５连接节点详图
Ｆｉｇ．１５
Ｄｅｔａｉｌ
ｄｒａｗｉｎｇｏｆｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎｃｏｍｐｏｎｅｎｔ
嚣皇要慕莩芸嚣吾皇耄纂糙肭
一８；；蠢矗；≤祥品环舅磊戛≥姜某蓦
在上述梁柱节点反力架的加载系统中，目前竖向力一般是加载于反力架上的，如图１７所示。
ＳｔｒｕｃｔｕｒａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｓＶ０１．２７，Ｓｕｐｐｌｅ
・２０・
施加于反力架上的方会使得反力架产生变形，而
惹竺絮竺妾髯曼篓得苎竺内产生初始应力，甚至使试件开裂，如图１８所示。
竖唑装置
反力架
０
试件
ｏ
ｏ
Ｏ
Ｆｉｇ．１７
．
Ｓｃ图ｈｅ”ｍａｔｉｃ梁ｄ柱ｉａｇ节ｒａｍ点。竖ｆ
ｖ向ｅｒ力ｔｉｃ加ａｌ载ｆｏｒ示ｃｅ：ｏ图ａｄｉｎｇ
１
ｓｙｓｔｅｍ
反力架
Ｏ
裂缝
试件
７丫
｛
ｏ
一飞ｏ
ｏ
图１８构件在初始应力下的裂缝示意图
Ｆｉｇ．１８
Ｆｒａｃｔｕｒｅｓｃａｕｓｅｄ
ｂｙ
ｉｎｉｔｉａｌ
ｓｔｒｅｓｓ
显而易见，这种加载装置对试验是不利的。为解决这一问题，我们在图１４所示加载系统的基础上，设计添加了竖向力的加载装置，如图１９所示。用这套装置进行竖向力的加载，加载装置与反力架不连接，通过调节螺栓给柱构件施加压力，构件在试验时不会出现如上所述的附加应力。
图１９梁柱节点竖向力加载装置示意图
Ｆｉｇ．１９
Ｖｅｒｔｉｃａｌｆｏｒｃｅｌｏａｄｉｎｇｓｙｓｔｅｍ
万方数据
５总结及展望…～”“一
本文对低周反复加载试验设备及操作过程进行了论述及总结，希望能够对同类型试验的进行有所帮助。
随着试验设备的升级及改善，今后的低周反
复加载试验或许可以在以下几个方面有所完善或突破：
１）试验设备运行状况的自动监控；２）试验控制及分析软件的开发；
３）试验的高频加载。
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万方数据
结构低周反复加载试验方法浅谈
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