一、項目背景
地震作為對人類社會影響最嚴(yán)重的自然災(zāi)害，具有破壞性大、破壞范圍廣、突發(fā)性強(qiáng)及防御難度高等特點(diǎn)，常常造成大量的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。一旦發(fā)生突發(fā)性強(qiáng)烈地震，將會在極短時間內(nèi)造成建筑物倒塌、生命線系統(tǒng)工程破壞及人員傷亡，建筑物的抗震性能總體原則為“小震不壞、中震可修、大震不倒”。
近年來，強(qiáng)震作用下的建筑物倒塌破壞現(xiàn)象屢見不鮮，結(jié)構(gòu)抗地震倒塌性能研究已成為地震工程領(lǐng)域的熱點(diǎn)問題。通過研究混凝土框架結(jié)構(gòu)在地震作用下的最大反應(yīng)，給出合理的抗震設(shè)計方法和抗震構(gòu)造措施，以減少結(jié)構(gòu)破壞和防止結(jié)構(gòu)倒塌，對框架結(jié)構(gòu)在強(qiáng)震作用下的倒塌演變規(guī)律及破壞模式進(jìn)行研究，對結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計和最大程度避免震災(zāi)具有重要意義。
二、測量需求
采用相似材料結(jié)構(gòu)模型實(shí)驗的手段，以鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)為研究對象，通過數(shù)字散斑的非接觸測量方式，獲取強(qiáng)烈地震作用下模型表面的三維全場位移及應(yīng)變數(shù)據(jù)。
三、原有測量方法
原有解決方案
電阻應(yīng)變計是過去常用的應(yīng)變測量方法，在結(jié)構(gòu)表面安裝應(yīng)變片，受載后結(jié)構(gòu)表面產(chǎn)生微小變形，應(yīng)變計的敏感柵也隨著變形，電阻相應(yīng)發(fā)生變化，即尺寸變化轉(zhuǎn)化為電阻變化，將電信號輸入儀器進(jìn)行分析，從而得到相應(yīng)應(yīng)變。
原有方案不足
應(yīng)變計作為應(yīng)變測量的工具，存在著貼片過程繁瑣，測量精度嚴(yán)重依賴其貼片質(zhì)量，對環(huán)境溫度敏感等問題。
此外，應(yīng)變計無法進(jìn)行全場測量，難以捕捉到關(guān)鍵位置的變形出現(xiàn)的初始位置，當(dāng)框架結(jié)構(gòu)發(fā)生較大范圍的變形或斷裂，應(yīng)變計在試件出現(xiàn)斷裂時容易損壞，影響測試數(shù)據(jù)的質(zhì)量。
四、新拓的測量方案
混凝土框架結(jié)構(gòu)作為一種各項異性的材料，通常難以預(yù)料其破壞特征，精確的力學(xué)性能測試十分重要。數(shù)字圖像相關(guān)（DIC）技術(shù)是一種適用于大型結(jié)構(gòu)的位移測量的方法，可用于檢測土木工程中大型橋梁、高層建筑等特定對象。采用新拓三維XTDIC三維全場應(yīng)變測量系統(tǒng)，可實(shí)時采集被大型結(jié)構(gòu)的變形和應(yīng)變數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)從全方位、不同角度觀察裂紋的擴(kuò)展和演化。
本次模擬鋼筋混凝土框架試驗，需綜合考慮梁、柱、節(jié)點(diǎn)等結(jié)構(gòu)變形對結(jié)構(gòu)體的受力特性影響，結(jié)合理論分析、模型實(shí)驗、數(shù)值模擬等手段，對強(qiáng)震作用下框架結(jié)構(gòu)變形特征和抗倒塌性能進(jìn)行研究，以提高工程結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固性，提升抗震的防災(zāi)減災(zāi)能力。
實(shí)驗?zāi)Ｐ团c測量內(nèi)容
實(shí)驗?zāi)Ｐ蜑橐粭?層3跨的鋼筋混凝土辦公樓，整體尺寸約6mX4m。實(shí)驗?zāi)Ｐ蜑榭蚣芙Y(jié)構(gòu)并未加設(shè)樓板，為避免載荷累積造成安全隱患，采用豎向組合的加載方式。加載裝置由2個300t液壓千斤頂、2個分配梁、2個100t手動千斤頂?shù)冉M成。布置多個壓力傳感器，確保加載過程中可對載荷進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控及實(shí)時補(bǔ)償。實(shí)驗中采用應(yīng)變片測量關(guān)鍵點(diǎn)應(yīng)變，采用數(shù)字散斑技術(shù)測量全場三維位移及應(yīng)變數(shù)據(jù)。
將相機(jī)架設(shè)到合適的測量位置，加載過程中XTDIC系統(tǒng)相機(jī)同步采集數(shù)據(jù)，通過圖像匹配、三維重建獲取鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)全場變形數(shù)據(jù)。
圖：相機(jī)架設(shè)
采集數(shù)據(jù)分析
模擬地震波對模型進(jìn)行加載，使其依次經(jīng)歷“基本完好、輕微破壞、中等破壞、嚴(yán)重破壞、倒塌”五個震動強(qiáng)度階段。通過XTDIC系統(tǒng)軟件對采集數(shù)據(jù)計算，輸出的三維位移場和應(yīng)變場。
從實(shí)驗結(jié)果可以看出，隨著地震波的增大，模型的位移量越大，高度越高位移越大。起初在端部和跨中有輕微彎曲裂縫，隨著結(jié)構(gòu)變形增大，裂縫逐漸增大，出現(xiàn)明顯的應(yīng)變集中區(qū)域。直至出現(xiàn)大面積混凝土塊脫落，本次模擬地震測試實(shí)驗結(jié)束。
五、測量方案價值
鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)是我國大量存在的建筑結(jié)構(gòu)形式，建筑物的抗震能力和安全性，不僅取決于結(jié)構(gòu)的承載力，還很大程度上取決于其變形性能和動力響應(yīng)，也就是說，結(jié)構(gòu)的抗震能力是由承載力和變形兩者共同決定的。采用新拓XTDIC系統(tǒng)非接觸式測量方法對地震作用下結(jié)構(gòu)變形進(jìn)行測量，可以清晰地記錄結(jié)構(gòu)關(guān)鍵位置的變形和裂紋，呈現(xiàn)應(yīng)力應(yīng)變集中區(qū)域，從而對結(jié)構(gòu)受力變形指標(biāo)進(jìn)行快速評估，實(shí)驗結(jié)果有助于優(yōu)化建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計，實(shí)現(xiàn)以強(qiáng)有力的框架構(gòu)造措施來保證延性設(shè)計的工程實(shí)施。