擬動力試驗

擬動力試驗是一種聯機試驗，通過計算機控制加載模擬地震過程。其特點是按照動力響應加荷載、位移。

擬動力試驗方法最早於1969年由日本學者M.Hakuno等人提出。將計算機與做動器聯機求解動力方程，當時採用的是模擬計算機。1974年，K.Takanashi採用數字計算機代替模擬計算機，發展了用於結構彈塑性地震反應的擬動力試驗系統。早期擬動力試驗採用的數值積分方法是線性加速度方法，動力方程採用的是增量形式，需要給出剛度矩陣，瞬態剛度由測量得到。由於傳感器的精度限值，造成瞬態剛度變化很劇烈，試驗結果不理想。為克服這個困難，H.Tanaka採用中央差分法代替線性加速度方法，在試驗中直接使用測量的恢復力而避免使用瞬態剛度，提高了試驗的穩定性和精度。

80年代中期到90年代中期，擬動力試驗方法又有了新的發展，主要表現在：（1）子結構技術出現。子結構方法把結構劃分為試驗子結構和計算子結構，將易破壞具有複雜非線性特性的部分作為試驗子結構進行試驗，其餘線性部分作為計算子結構由計算機進行仿真模擬。子結構技術在一定程度上解決了工程結構大型化和試驗設備和經費規模有限的矛盾。（2）數值計算方法的發展。傳統的擬動力試驗方法（如中央差分方法）多是基於顯式數值積分方法開發的，由於顯示數值積分方法是條件穩定的，對於複雜多自由度結構試驗的應用受到限值。基於隱式方法的無條件穩定數值積分方法消除了傳統擬動力試驗中數值積分方法的固有缺陷。例如如今在擬動力試驗中經常採用的PC-Newmark（預估－校正）方法是結合子結構技術提出的一種隱式方法。（3）快速擬動力試驗方法的提出。傳統擬動力試驗採用的是準靜態的加載過程，無法考慮加載速率對結構反應的影響。而地震作用是動力的，這正是其不同於靜力荷載的地方。加上如今橡膠隔震器、粘滯阻尼器、摩擦阻尼器在結構中的應用，使結構特性具有速度依賴性，為解決加載速率的問題，提出了快速擬動力試驗技術及數值修正方法來消除加載速率的影響。Molina進行了帶橡膠隔震器的四層結構的擬動力試驗，並給出了橡膠隔震器考慮應變速率的修正係數。

對動力方程 中的M ，C ，p 三個量，擬動力試驗都可以較好的反應。 M容易準確測量，而且在試驗中一般保持不變； K雖然在試驗中不斷變化，但由於直接從試件測得，也可以準確反應試件的真實情況； P一般依據事先選定的地震波加速度時程確定，也很明確。擬動力試驗中的一個難點就是阻尼矩陣 C的問題。阻尼的實質是：在基於狀態的動力平衡方程中為表徵能量耗散而引入的一個數學概念。在擬動力試驗中， 並不是由於試驗測定，而是事先人為假定的，而且假定整個試驗過程中保持不變。實際上 矩陣由人為假定的振型阻尼比轉化為數值積分採用的比例阻尼矩陣，就帶有很大的主觀性和近似性。在試驗過程中， 矩陣是不斷變化的，進入塑性階段後，阻尼的機理也會發生改變，這顯然與 矩陣保持不變的假定矛盾。在實際試驗中也發現輸入的阻尼對試驗結果有很大影響。有關研究阻尼對擬動力試驗影響的文獻非常少。由於阻尼的複雜性，如今的擬動力試驗仍是採用傳統的人為假定振型比例阻尼的辦法。擬動力試驗另一個問題是以集中力代替實際的分佈慣性力，對這種力分佈形式的簡化帶來的影響如今也缺乏研究。對擬動力試驗模型相似關係的研究比起振動台試驗也少得多。我國《建築抗震試驗方法規程》規定的擬動力試驗模型相似要求實際是靜力相似，而國內實際完成的擬動力模型試驗多數是按動力相似進行的。以上三點是擬動力試驗與振動台試驗相比的缺陷，也是擬動力試驗今後應該重點研究和改進的地方。

“遠程協同結構試驗”研究是如今國際土木工程學術界探索的前沿領域，其目標是建立一種基於互聯網的研究資源，通過網絡將地理上分佈於各地區的試驗資源互聯並共享，從而建立新一代的聯合試驗研究系統。美國於2001年啓動了“NEES 計劃”；歐洲建立了“減輕地震風險的歐洲網絡”；日本建造了世界上最大的地震模擬振動台E-Defence，同時還開展了結構遠程協同擬動力試驗的研究；台灣地區國家地震工程研究中心(NCREE)建立了地震工程研究平台ISEE。

“遠程協同擬動力試驗”是在擬動力試驗的基礎上增加了遠程觀測和協同控制的功能。擬動力試驗是由一台計算機控制試驗進程，只是在一個實驗室範圍內進行，而遠程協同擬動力試驗的控制中心和試驗者是分佈在異地的，基於互聯網，按照一定的協議，由遠程協同平台連接到一起，建立起一個試驗系統。