《土木防灾减灾》第七讲 · 土木工程防灾试验技术与考前要点串讲

2026-10-20 课程笔记

0 本讲定位

主体授课内容已基本结束，本讲两件事：

① 第8章 土木工程防灾试验技术（8.1 抗震试验／8.2 抗火试验／8.3 其他试验技术）：
   拟静力（低周往复）／地震模拟振动台／抗震虚拟仿真
   材料高温试验／建筑构件抗火试验／抗火虚拟仿真
   风洞试验、震（火）耦合试验
② 考前串讲：题型、范围、样题与答题模板

考试要点再确认：10 月 29 日（周四）晚、开卷（课件打印件或教材二选一带入场）、选择题+判断题+案例分析+计算题（30/10/30/20%）。

1 拟静力试验（低周往复加载试验）

1.1 原理与优缺点

结构抗震试验按受荷特点分三类：模拟地震动力作用（振动台）、模拟地震反复作用（拟静力）、模拟地震动力与反复双重作用（拟动力）。拟静力（伪弹性/低周往复）用液压伺服作动器对足尺或缩尺构件施加低周反复荷载，记录从弹性、屈服、强化直至破坏的全过程，以此评价构件的抗震性能。

1.2 试验设备

1. 反力加载装置：反力架、反力墙——提供支承反力与刚度；竖向荷载通过吊重或液压千斤顶加载装置（带荷载传感器）施加；水平力通过悬挂钢丝绳、水平液压千斤顶传力机构或电液伺服液压加载装置施加。
2. 荷载与位移测量装置：力传感器（Load Cell）、位移计量测仪表（LVDT 位移变送器、百分表、位移计、应变计、挠度计、裂缝显微镜等）。
3. 数据采集装置：采集应变、位移、力值等试验数据。

试件按实际尺寸缩尺制作，通过端部构造（刚性梁、铰、锚固）模拟真实边界条件；竖向恒载（重力荷载代表值）先行施加并保持恒定，再用水平低周往复加载模拟地震作用。

1.3 试验制度（加载控制方式）

水平加载三种控制方式：

1. 力控制：按恒定加载速率（每级应力速率或每级荷载增量）分级施加，前弹性阶段用，可缩短试验时间；
2. 位移控制：以屈服位移为基准分级递增，每级循环若干次，级间暂停观测裂缝、剥落等破坏现象，无明显发展再进入下一级——屈服后必须用位移控制，才能把试件推到极端破坏且不失稳失控；
3. 混合控制：屈服前力控制、屈服后转位移控制（复杂构件常用），兼顾效率与观测精度。

【考点】“力控制看前段、位移控制看后段"的切换逻辑：屈服后荷载不再单调增长，只有控制位移才能稳定地收集破坏信息。

1.4 抗震性能分析指标

(1) 骨架曲线与特征点：逐循环的荷载—位移关系为滞回曲线，其外包络线即骨架曲线，可判断构件强度、刚度、延性与耗能能力的变化。骨架曲线上定四个特征点：

骨架曲线按破坏机制分三种形态：弯曲延性破坏（屈服后承载力继续增长）、剪切脆性破坏（屈服后承载力不再增长，滞回环捏拢）、弯剪破坏（介于两者之间）。

屈服点确定（无明显平台时）：
Fa＝Fs → Δy＝OC Ｐ屈服强度 Py＝OA ／ Δy＝0.5(ΔsA+ΔsC)

(2) 延性与强度指标：

位移延性系数：μΔ ＝ Δu／Δy      极限位移与屈服位移之比
曲率延性系数：μφ ＝ φu／φy      极限曲率与屈服曲率之比
强度储备系数（超配系数）：ηu＝Pu／Py＝γR·(fu/fy)
   γR＝(h0-as')/(H0-as) 受压区高度调整系数；fu/fy 材料实测超配系数；
   受拉控制截面 Pu、Py＝受拉纵筋屈服前最大承载力
屈服强度系数：φy＝Py／Pcr＝γR·(fy/fcuk)
   γR＝(h0-as')/H0；fy 钢筋实测屈服强度；fcuk 混凝土立方体抗压强度标准值

(3) 刚度退化：取每次循环荷载峰值割线刚度 Ki＝|+Pi|/|+Δi|+|-Pi|/|-Δi|，同级位移循环时 Ki 不下降或下降很小；逐级增大位移后 Ki 随位移增大而降低——刚度退化。

(4) 承载力退化：相同位移幅值下，承载力随循环次数增加而降低（位移角 R 相同、次数 n 增大时 P 下降）。

(5) 耗能能力（等效黏滞阻尼系数 he）：一次循环中等面积三角形法——滞回环面积 SE 换算成等面积三角形 OAB（底边 Δ、高 Pk），he＝SE/(2π·S△OAB)，面积比即阻尼系数，滞回环越饱满 he 越大。

剪切型构件滞回环呈捏拢形态，弯曲型饱满；把骨架曲线与卸载-再加载规则抽象为经验滞回本构模型（如 Takeda、Figueiras、Kunnath-Bjorvegy-Badek 三折线骨架模型），用于同类构件的非线性数值分析与工程验算——试验的最终产出。

1.5 试验案例

• 节点核心区试验：对楼盖-梁柱交接的局部放大受力区做缩尺模型（约 1/3 尺），端部构造还原真实约束，作动器挂在反力墙上施加水平（兼竖向）力；按设防烈度换算出目标承载力值加载，验证"该节点在墙面连续构造下可有效传力"的设计假定。
• 剪力墙边缘构件加强区试验：整片墙按实际边界固定，布置作动器往复推倒，实时记录应变与裂缝发展，观察塑性铰区压屈、约束效果。
• 装配式节点与预制墙板连接系列试验：钢筋混凝土承插式空心柱—梁节点、灌浆套筒连接装配式框架节点、底部螺栓连接装配式墙板等足尺/缩尺试件；螺栓连接墙板以高强螺栓与抗滑键同楼板连接（模拟真实装配贴合方式），位移控制分级循环加载；破坏特征为连接部位抗滑键螺杆被剪断、接缝处漏浆，试件丧失承载力；记录极限荷载、层间位移角与延性系数，并用模型自振频率变化反演初始损伤与刚度退化——“结构健康监测"思路在试验室内的缩影。

【选择题考点】初始损伤反演用频率变化（刚度退化→频率下降），滞回面积反演耗能，两者不可混。

2 地震模拟振动台试验

2.1 系统组成

台面系统（放置试验结构，承受试件重量并输出地震运动）→ 伺服液压系统（为加载
提供动力）→ 振动控制系统（计算机实时运算控制，地震波采集处理输入）
→ 数据采集系统（布置在台面周围）

按台面自由度分单向、双向、三向台；按作动器数量分单驱动、双驱动、多驱动台。量测设备：荷载传感器、LVDT（线性可变差动位移计）、加速度计、速度计、应变片，复杂部位辅以非接触视频测量；规模与自由度决定造价。

2.2 相似条件

相似关系：模型与原型物理量之间保持确定的“相似比”，使模型的应力应变、变形与
破坏特征反映原型规律（几何、材料本构、荷载、边界条件相似）
相似第一定理：彼此相似的现象，其相似指标应等于 1
相似第二定理（π 定理）：描述现象的所有物理量间的函数关系可表示为相似准则的函数
相似第三定理：凡单值量（边界与初始条件等）相似、且由基本物理量组成的相似准则
相似，现象必相似
量纲分析（白金汉 π 定理）：物理量互相关联，可解出独立相似准则数

• 几何相似：各部分尺寸、截面尺寸、荷载作用点位置与原型保持相同比例；
• 荷载相似：荷载各成分（大小、方向、分布类型）与原型保持相似常数，且各成分在模型中的合力方向与原型相同；
• 质量相似（重力荷载相似）：模型各质点的质量与外荷载引起的重力保持常数；
• 完全满足所有相似条件实际难以做到，只能保证主要物理量相似——按相似理论计算各相似常数、设计模型，再用振动台验证。

【考点】振动台模型必须同时处理相似关系与**轴力相似（重力荷载代表值）**两个关键问题。

2.3 模型设计与制作

1. 确定模型材料、缩尺比与结构体系（如某框架实例：水泥砂浆砌块+细石混凝土+构造柱框架、1:2 缩尺、平面 1320×1840mm、总高 2000mm、层高 1000mm）；
2. 确定配重方案：竖向恒载用铁块/钢块/砂袋均匀平铺于各楼层模拟重力荷载代表值，楼盖与屋面按设计分配不同配重比例；
3. 计算各楼层配重孔位、大小与间距；
4. 确定传感器布置（台面、各层、关键部位）与量测参数（加速度、位移、应变等）。

2.4 试验流程（加载过程与观测）

1. 动力特性测定：白噪声/扫频等激励测模型自振频率、阻尼比与振型——试前、每级工况后、试后反复测，用频率下移追踪损伤累积；
2. 地震波输入：实际强震记录（如 El Centro 波）、人工合成波或正弦波，按设防要求选定；
3. 加载工况：一次性加载直接推进至破坏（观测要求高），或由小到大逐级加载（每级暂停、查损伤、复测动力特性），逐步逼近罕遇输入；
4. 观测记录：加速度、层间位移、裂缝、连接破坏、薄弱层机制等响应现象。

2.5 试验案例

• 某超高层复杂装配整体式框架—核心筒结构（约 250m 高）多遇地震模型：振动台与土—结构共同作用两种试验方案对比——台面输入时柱底近似固端；土—结构共同作用台面试验用层状土箱模拟地基、层间输入地震动，能模拟真实地基条件下的边界与结构—地基相互作用。
• 复杂连体框架结构：连体部位两端与主体结构连接、中部不设柱，连体部分为型钢—钢板混凝土组合结构，楼板 120mm 厚压型钢板组合楼板（局部开大洞），型钢与混凝土内布置电偶传感器监测锈蚀——按相似关系设计模型后上台试验。
• 某 3 层钢框架模型试验：每层布置 X 形软钢阻尼器，台面共输入 12 条地震波，对比不同工况下的减震效果。

2.6 成本

振动台试验造价高昂（模型+安装+准备近半年、加载"一分钟”、花费上百万），准备周期长。

【判断题预警】“振动台能完全再现真实地震的一切效应”——错：仍有相似关系与边界的近似；拟静力反映典型受力特征，振动台反映动力时程特性，两者互补。

3 抗震虚拟仿真试验

实体抗震试验的共同短板：仪器量测点位有限、难以再现结构内部变化全过程；现象转瞬即逝、试验不可重复。虚拟仿真实验以数值仿真再现试验过程，实体与虚拟结合是趋势。

4 抗火试验

4.1 材料高温试验：设备与制度

（1）高温力学性能试验

加载与测温设备：加载机（抗拉压或弯曲）＋高温炉＋温控仪表
测温：热电偶接触式；红外测温仪非接触式——直接显示表面温度场，
     可测单点、避开炉内布线困难（热电偶需 3 根：试件两端＋中间）

恒温加热制度三个参数：起始荷载、升温速率、恒温时间。加热温度由温度控制仪控制，一般以试件中心温度为准；试件加热至设定温度并有测温差数据后，方可进行恒载或恒变形试验。

配套：箱式电阻炉+高温伸长计/引伸计，高温弹性模量以小级差卸载回弹法测割线模量；混凝土试样按标准干燥、筛分、制件。

（2）高温热物理性能试验

热学参数：导热系数 λ、比热容 c、热扩散系数 a、发射率 ε。

4.2 建筑构件抗火试验：耐火极限及判定准则

构件分类（按功能）：

三项判定准则：

① 承载能力：在标准耐火试验条件下，承重或受拉约束构件保持承载能力的时间
② 完整性：在标准耐火试验条件下，分隔构件一定时间内防止火焰和热气穿透、
   或在背火面出现火焰的能力
③ 隔热性：在标准耐火试验条件下，分隔构件一定时间内背火面温度不超过规定
   限值的能力

【考点】楼板与承重墙同时要求承载能力、完整性、隔热性——耐火极限为三项准则所测时间的最小值；对梁、柱等只要求承载能力的构件，耐火极限即丧失承载能力的时间。隔热性判据是"平均 140℃ / 任一点 180℃“两个温升数字。

4.3 试验条件与构件设计

标准升温曲线（ISO 834）：

T - T0 ＝ 345·lg(8t + 1)     T0 起始温度，一般取 20℃

【选择题考点】ISO 834 标准曲线在 30min、60min、90min 的升温数值与对应燃烧室压力要记；构件背火温升判据（140/180℃）与曲线数值是选择题高频点。

受火条件（按构件实际受热面）：

试验设计原则：模拟边界条件与实际约束状态、约束度尽量一致；构件内力和应力分布与实际相符；按标准升温曲线试验；设计荷载按《建筑结构可靠度设计统一标准》取值；尺寸设计满足相似理论与试验条件，可全尺寸或缩尺（缩尺一般不超过 1/2）。

4.4 试验设备与制度

（1）燃烧室与炉体：顶面敞开式、全封闭式、滚动式、活动门式等耐火试验炉；正压受火。

（2）抗火加载设备——“先加载后受火”：

竖向荷载＝千斤顶顶压（组合梁等跨中集中荷载两点受火）
水平荷载＝作动器推顶；恒温阶段以液压千斤顶配合作动器施加恒定荷载

（3）量测仪器：便携式红外测温仪测表面温度场；手持式钢探棒检测裂缝宽度、判断完整性；荷载与位移传感器全程记录变形与变形速率。

（4）试验制度五步：模型制作安装 → 设备准备与设定 → 荷载施加（恒载）→ 升温与观测 → 结果分析与安全评定。

约束条件影响耐火极限：简支与固端（超静定受约束）试件的耐火极限不同——约束产生温度内力，但也可能借助整体机制承载，试验须按构件真实约束模拟。

【考点】耐火试验加载与升温顺序：先加载后受火；受火条件按构件实际受热面设定（梁三面、板单面），加载方式与判定准则、背火面测温三线布置配合。

4.5 案例与虚拟仿真

• 覆面（石膏板类复合保护）墙体耐火试验（GB/T 9978 类炉试）：试件为 2.84m×3m 墙体、双面覆面构造；约 130min 判定时段内先后出现接缝温升异常、变形超限等标志，据三项指标确定其耐火极限。
• 轻钢龙骨隔墙与 ALC 板隔墙对比试验：3m×3m 两片试件按足尺模型制作，170mm 厚 ALC 板墙体对比受火，显示两种构造的温升与破坏模式差异。
• H 型钢与钢—混凝土组合框架耐火试验：9 根不同截面形式与尺寸的钢柱、5 根钢—混凝土组合梁、1 榀钢支撑框架；H 型钢柱四面受火、热偶布置在翼缘内外表面；组合梁在梁端施加纯弯、恒温阶段用液压千斤顶+作动器维持荷载。
• 抗火虚拟仿真：国家级虚拟仿真项目含建筑火灾场景（通风控制型火灾）与混凝土构件耐火试验两大模块：可漫游实验室、选择学习/练习/考核三种模式，考核模式记录操作与数据曲线，试验现象（轰燃、剥落、破坏模式）可完整复现——实体耐火试验成本与危险的替代教学手段。

5 风洞试验与其他试验技术

5.1 定义与类型

风洞=产生可控气流、用于空气动力试验的管道设施。按流速分低速与高速（亚声速以上）风洞；土木工程结构自振周期长、频率低、不考虑空气压缩性，用的都是低速边界层风洞——试验段能再现大气边界层风速剖面与湍流，模拟名义高度处来流。

稳定段（整流栅）→ 收缩段 → 试验段（转台模拟风向角）→ 扩散段 → 动力驱动（变频电机+风扇）
测量系统：表面测压（压力孔+扫描阀）｜底座天平（基底弯矩/剪力/扭矩）｜风速流场测量（热线/激光多普勒）

5.2 三种试验流场

5.3 刚性模型测压试验与相似准则

试验对象与内容：刚性模型测压（平均风压、体型系数、风振响应估算）、节段模型弹性试验（颤振导数、涡振与颤振临界风速）、全桥气动弹性模型（风-结构-响应耦合的抖振/颤振行为）。

模型设计遵循相似准则：几何比、缩尺风速（折减速度）、阻尼比、质量比、刚度匹配；同时要求试验段流动进入第二自模区（超临界区）——绕流阻力与表面风压分布不随雷诺数变化，缩尺结果才可信。

课堂示例：刚性模型测压风洞试验——某超高层模型高约 780mm、按 1:200 缩尺对应实际约 156m、高宽比达 5 的细长建筑，四面离洞壁分离布置以消除壁面干扰；某 3m×3m 建筑模型（TTU 类）采用有机玻璃材质、测压孔 144 个，边界层风速剖面按幂律（α＝0.165、0.30 两档）重现，试验雷诺数处于第二自模区（Re≈4.3×10⁵）。

【考点】风洞试验结果必须与现场实测相互验证；重要且体型复杂的结构（超高层、大跨桥）抗风设计"以风洞试验定参数”。

5.4 其他试验技术

震（火）耦合试验：模拟地震与火灾先后或同时作用下结构抗灾性能的试验，是 8.3 列举的灾害耦合试验的代表；震后/火灾后的结构性能评估与设计方法仍是研究难点。

【考点】防灾试验技术清单：抗震（拟静力、振动台、拟动力、虚拟仿真）、抗火（材料高温、构件耐火、虚拟仿真）、抗风（风洞）、多灾害耦合试验。

6 考前要点串讲（课堂样题走查）

6.1 范围与重点分布

• 考题全部出自课件，不超纲；选择题约 2 分/题，客观题占比高——“把课件看懂就能拿下”。
• 老师点名的主考点：第 1、2、3 讲（灾害认知/防灾理念与韧性/抗震基础）、第 8–9 讲（隔震）、第 10 讲（消能减震）、第 11 讲（基础隔震设计）、第 18 讲（地质灾害）；第 1、2 讲的历史与发展部分出题少。
• 隔震与减震相关综合题是重中之重，核心概念与公式要"背熟且会判断”。

6.2 选择题样题要点

6.3 判断题样题要点

× 混凝土构件火灾下只会升温、不会爆裂脱落与明显变形
   （温度场不均→附加应力→开裂、剥落，高强混凝土还会爆裂）
× 距震中越远烈度一定越低（软土厚层可放大长周期成分，场地效应能翻盘）
√ 地震波向外传播时短周期成分先衰减，远处长周期成分相对突出
× 预应力混凝土构件抗火性能优于普通钢筋混凝土（劣于：预应力筋高温
   强度劣化快＋预应力损失，只是裂缝开展迟、一定时间内筋受保护）
× 黏滞阻尼器出力只取决于位移（取决于相对速度，速度相关型）
× 斜拉索风雨激振已有完善计算理论（至今没有）
√ 大规模开采地下水会引起地面沉降
× 半主动控制不需要任何外部能源（需微量能量调节参数）

6.4 案例分析题答题模板（老师给的"四步法"）

① 识别主导灾种（风险＝危险性×暴露度×易损性，结合场景证据）
② 分析成因与机理链条（灾害作用→结构响应→损伤机制）
③ 提出对策：避让／抗／耗／控／复，分工程措施+非工程措施+监测预警
④ 落在目标：功能保持与快速恢复（韧性指标：损失小＋恢复快）
答题格式：先结论，再依据，后结合事实，切忌机械罗列条文

课堂走查例题：岩溶园区塌陷案——园区周边出现环状凹坑与塌陷孔，建设单位拟"简单回填绿化、无需地下管线监测"。判其不合理：诱因是地下水位变动+邻近工程长期降水，岩溶空腔失稳（内因空洞、外因水）；较浅塌坑可挖填设反滤层，深大者须灌浆/跨越/桩基处理；长期运营必须布设岩溶与地下水勘察、控制不合理抽水、设最低水位线与监测网络。

6.5 计算题两种类型（老师口头划定）

1. 隔震结构计算（单质点/层模型）：水平地震作用→层剪力按各支座水平刚度比例分配→支座剪应力、位移验算；形状系数 S1≥15、S2 取 3～6；位移限值链 Di ≤ min(0.55d, 3tr)、D ≤ 3/4d；罕遇压应力 ≤30MPa、拉应力 ≤1MPa；“公式全在课件上，务必会代”。
2. 单自由度动力计算：运动方程 m·ẍ + c·ẋ + k·x = −m·ẍg，弹性恢复力 F=kx、阻尼力 F=cẋ；由振型分解反应谱 α 求地震作用，或给时程求位移/加速度响应与阻尼比、恢复力位移相位关系。

【考点】两道计算题分别对应第 10、11 讲与第 3、4 讲的核心公式——复习时按公式表逐条默写。

7 复习要点总结

必背知识点：

1. 拟静力试验：三类抗震试验划分；设备三件套（反力架/反力墙＋荷载位移传感器＋数据采集）；力控/位移控/混合控的切换逻辑；骨架曲线四特征点（开裂、屈服、峰值、极限）
2. 性能指标：μΔ=Δu/Δy、μφ=φu/φy；强度储备 ηu=γR·(fu/fy)、屈服强度系数 φy=γR·(fy/fcuk)；割线刚度 Ki 逐级退化；承载力随循环次数退化；耗能 he＝滞回环面积/等面积三角形（SE/2π·S△）
3. 振动台：台面-伺服液压-振动控制-数据采集四件套；相似三定理与量纲分析；几何/荷载/质量三大相似条件；模型设计四步（材料与缩尺比→配重方案→配重孔位→传感器与量测参数）；先测动力特性、逐级输入、频率下移追踪损伤
4. 抗震虚拟仿真：针对量测点位有限、现象转瞬即逝、不可重复的短板；三大平台（抗震虚拟仿真/结构振动与抗震/抗震减灾）
5. 材料高温试验：力学三类型（瞬态/徐变/松弛）；恒温制度三参数（起始荷载、升温速率、恒温时间）、以试件中心温度为准；热物性四参数（λ、c、a、ε）与方法（热线恒流、激光闪射、DSC 量热 5～20℃/min、发射率两种测法）
6. 构件抗火：构件三类（承重/分隔/承重分隔）；三判据数字（平均温升 140℃、任一点 180℃、ф6 探棒 150mm、ф25mm、窜火 10s）；楼板与承重墙取三者最小、梁柱取丧失承载能力时间；ISO 834 式 T−T0=345·lg(8t+1)；受火条件（梁底+两侧、柱所有露明面、板底面、墙任一表面）；缩尺≤1/2；先加载后受火
7. 风洞：低速边界层风洞；三种流场（均匀流场/格栅紊流场/B 类地貌，来流布置各不同）；测压-底座天平-节段模型-全桥气动弹性四类试验；第二自模区（超临界）雷诺数效应与相似准则；与现场实测互验
8. 考试框架：10/29 晚开卷，30/10/30/20；主考点讲次（1、2、3、8-9、10、11、18）；计算题=隔震+单自由度；案例题"识别—机理—对策—目标"四步

重要案例：

• 装配式节点系列拟静力试验（承插式空心柱—梁节点、灌浆套筒节点、螺栓连接墙板抗滑键螺杆剪断、频率-损伤反演）
• 超高层装配整体式框架—核心筒（约 250m）台面输入 vs 土—结构共同作用；复杂连体框架（型钢—钢板混凝土组合、电偶传感器）；3 层钢框架 X 形软钢阻尼器（12 条地震波）
• 覆面墙耐火试验（约 130min 判定）、轻钢龙骨墙 vs 170mm ALC 板对比、H 型钢柱+组合梁框架耐火试验
• 超高层刚性模型测压风洞试验（1:200、高宽比约 5）；TTU 类有机玻璃模型（3m×3m、144 测压孔）
• 岩溶园区塌陷案例（降水→空洞失稳→监测必要性）

易错点提醒：

• 拟静力不能反映应变率与真实循环时程——它模拟的是"典型受力特征"
• 屈服点判定方法有多种（平台/能量等效/割线交点），无平台时不能瞎取
• 振动台模型与风洞模型一样，相似常数无法全部满足，须抓主要矛盾
• 耐火试验三项判据任一超限即"到限"：楼板、承重墙取最先发生者定耐火极限；梁柱等只要求承载能力的构件取丧失承载能力的时间
• 隔热性判据是"平均 140℃/任一点 180℃“两个温升数字，别与温度绝对值混用
• 抗火试验先加载后受火；受火条件按构件实际受热面（板单面、梁三面、柱所有露明面），不是任意面
• B 类地貌紊流场靠尖锥+粗糙元生成，只放格栅是均匀紊流场——两种流场别混
• “主动须电源、半主动仅需微量能量”——判断题常设的坑
• 预应力构件抗火劣于普通钢筋混凝土，不是优于

可能考题形式：

• 本讲即考前辅导：所有样题（选择、判断、案例、计算两类）都在课件与本次串讲范围内，按 §6 清单逐条过一遍公式与史实条目；第8章自身重点＝耐火极限判定准则与构件对应关系、ISO 834 曲线数值、振动台相似条件与模型设计流程、拟静力性能指标公式