基于試驗(yàn)軟件的土木本科擬動(dòng)力試驗(yàn)教學(xué)方法初探

王貞

摘要：土木工程專業(yè)本科擬動(dòng)力試驗(yàn)教學(xué)具有重要意義，并且具有理論性強(qiáng)、綜合性強(qiáng)、課時(shí)少、重概念等特點(diǎn)。針對(duì)這些特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了基于混合試驗(yàn)軟件HyTest的“課堂講解”—“現(xiàn)場(chǎng)演示”—“模擬操作”一體化教學(xué)方案。實(shí)踐表明該方案能取得較理想的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：教學(xué)方法；土木工程試驗(yàn)；擬動(dòng)力試驗(yàn)；試驗(yàn)軟件

中圖分類號(hào)：G642.423 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2017）50-0143-03

一、引言

土木建筑結(jié)構(gòu)既是人們?nèi)粘Ｉ?、生產(chǎn)的環(huán)境基礎(chǔ)，也是災(zāi)害中人們生命財(cái)產(chǎn)安全的保障。因此，結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能和工作性能分析是土木工程專業(yè)重要課題之一。土木材料如混凝土、砌塊等具有強(qiáng)非線性，并且結(jié)構(gòu)形式多樣、常常具有大量冗余自由度，使得土木結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能分析既是非常重要的工作，也是難以完成的工作。鑒于此，土木建筑試驗(yàn)在整個(gè)土木工程學(xué)科知識(shí)體系中具有重要地位。土木工程試驗(yàn)，貫穿學(xué)生專業(yè)知識(shí)學(xué)習(xí)全程，更是貫穿未來職業(yè)工作的方方面面。

地震是威脅建筑結(jié)構(gòu)安全的重要因素之一，建筑結(jié)構(gòu)抗震試驗(yàn)方法的教學(xué)與知識(shí)傳授，對(duì)構(gòu)建學(xué)生專業(yè)知識(shí)體系、培養(yǎng)分析問題能力具有重要意義。作為三大抗震試驗(yàn)技術(shù)之一的擬動(dòng)力試驗(yàn)，具有加載設(shè)備要求低、能直接獲得結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)過程等突出優(yōu)勢(shì)，在抗震試驗(yàn)方法中占據(jù)重要地位。同時(shí)，該方法涉及實(shí)驗(yàn)加載設(shè)備、控制技術(shù)、數(shù)值分析方法、數(shù)據(jù)采集等環(huán)節(jié)，完整、全面介紹此類內(nèi)容在當(dāng)前現(xiàn)有課時(shí)安排下無法完成，學(xué)生更是無法在短時(shí)間內(nèi)接受如此豐富的內(nèi)容。本文借助混合試驗(yàn)軟件，以概念傳授為本，對(duì)該內(nèi)容的教學(xué)方法進(jìn)行了初步探討。

二、擬動(dòng)力試驗(yàn)方法的基本原理

擬動(dòng)力試驗(yàn)方法是以靜載試驗(yàn)加載速度實(shí)施、以獲取結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)為目的、試驗(yàn)機(jī)和計(jì)算機(jī)聯(lián)機(jī)完成的動(dòng)載試驗(yàn)方法，也稱聯(lián)機(jī)試驗(yàn)方法。該方法的理論基礎(chǔ)，是結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的時(shí)程分析法。地震作用下結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)微分方程為

其中M、C、R分別為結(jié)構(gòu)質(zhì)量矩陣、阻尼矩陣和恢復(fù)力向量；d、v、a分別為結(jié)構(gòu)位移、速度、加速度向量；I是所有元素為1的列向量，ag為地震動(dòng)。對(duì)運(yùn)動(dòng)方程（1）進(jìn)行數(shù)值求解，就可得到結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)，如結(jié)構(gòu)最大位移、最大加速度等。不過，在數(shù)值求解之前需要建立各部分的數(shù)值模型。由于土木材料具有強(qiáng)非線性，難以建立準(zhǔn)確的恢復(fù)力模型，也就是說R（d）與真實(shí)情況可能差別較大。一種解決辦法是，對(duì)質(zhì)量和阻尼部分建立數(shù)值模型，對(duì)恢復(fù)力部分采用真實(shí)試件進(jìn)行模擬。具體而言，對(duì)以二階微分方程描述的數(shù)值部分采用逐步積分算法求解，對(duì)真實(shí)試驗(yàn)部分采用液壓伺服控制系統(tǒng)進(jìn)行加載，如圖1所示。以常用的顯式Newmark法為例，其對(duì)應(yīng)的時(shí)間離散運(yùn)動(dòng)方程和算法假定可以表示為

其中下標(biāo)i表示第i次采樣，下標(biāo)E表示試件，Δt表示積分步長(zhǎng)。假設(shè)第i步的位移、速度和加速度均已知，則可根據(jù)公式（3）得到第i+1步的位移；把該位移發(fā)送給作動(dòng)器進(jìn)行加載，實(shí)現(xiàn)之后采集試件反力，即得RE（di+1）；再聯(lián)立求解公式（2）和（4），即可得第i+1步的速度和加速度，從而完成該步的所有計(jì)算。采用顯式Newmark法的擬動(dòng)力試驗(yàn)的主要步驟見表1。

三、擬動(dòng)力試驗(yàn)教學(xué)的特點(diǎn)

由前述擬動(dòng)力試驗(yàn)方法的原理可見，擬動(dòng)力試驗(yàn)教學(xué)具有如下特點(diǎn)：

1.理論性強(qiáng)：擬動(dòng)力試驗(yàn)方法以結(jié)構(gòu)地震時(shí)程分析為基礎(chǔ)，涉及結(jié)構(gòu)模型簡(jiǎn)化、結(jié)構(gòu)建模、數(shù)值分析方法等內(nèi)容。部分內(nèi)容在本科階段僅點(diǎn)到為止，部分內(nèi)容是研究生階段的課程，有些內(nèi)容即使在博士階段也不會(huì)講授。

2.綜合性強(qiáng)：擬動(dòng)力試驗(yàn)涉及模型相似、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、液壓伺服加載等內(nèi)容，是其他章節(jié)內(nèi)容的大演練、大綜合。而液壓伺服加載系統(tǒng)相關(guān)內(nèi)容，在其他試驗(yàn)方法中很少涉及。

3.課時(shí)少：教學(xué)改革不斷壓縮教學(xué)課時(shí)，使得《建筑結(jié)構(gòu)試驗(yàn)》課程本身的課時(shí)有限，能分給擬動(dòng)力試驗(yàn)部分內(nèi)容的課時(shí)更少。我們能夠分配給該部分內(nèi)容的課時(shí)通常是2課時(shí)課堂教學(xué)和1課時(shí)演示試驗(yàn)。

4.重概念：前三個(gè)特點(diǎn)決定了本部分內(nèi)容的教學(xué)效果更強(qiáng)調(diào)原理、概念和基礎(chǔ)知識(shí)，而不對(duì)細(xì)節(jié)面面俱到。

鑒于該部分課程的特點(diǎn)，如何在有限的課時(shí)內(nèi)充分吸引學(xué)生注意力，快速傳授相關(guān)知識(shí)和概念，并為感興趣的同學(xué)提供進(jìn)一步提高的機(jī)會(huì)，是本部分內(nèi)容教學(xué)亟待解決的問題。

四、混合試驗(yàn)軟件HyTest

混合試驗(yàn)軟件HyTest是一款用于土木工程領(lǐng)域混合試驗(yàn)的軟件，支持全結(jié)構(gòu)擬動(dòng)力試驗(yàn)、基于靜力子結(jié)構(gòu)的混合試驗(yàn)，既能完成本地混合試驗(yàn)也能完成網(wǎng)絡(luò)混合試驗(yàn)。為了實(shí)現(xiàn)與常用的MTS加載系統(tǒng)通信，HyTest采用VB COM對(duì)控制軟件進(jìn)行二次開發(fā)，具備發(fā)送命令、保存數(shù)據(jù)、坐標(biāo)變換、網(wǎng)絡(luò)通信等功能。HyTest主要包括三大組成部分（如圖2所示）——協(xié)調(diào)器、試驗(yàn)控制系統(tǒng)接口程序Connector和數(shù)值模擬接口。協(xié)調(diào)器用于求解結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方程，協(xié)調(diào)與同步各部分的信息，控制試驗(yàn)進(jìn)程。Connector負(fù)責(zé)把協(xié)調(diào)器求解的位移發(fā)送給MTS控制系統(tǒng)進(jìn)行加載，并把加載之后獲得的試件反力反饋給協(xié)調(diào)器。在不連接MTS控制系統(tǒng)時(shí)，Connector還能根據(jù)設(shè)定的試件剛度計(jì)算試件反力，從而能夠與協(xié)調(diào)器一起模擬擬動(dòng)力試驗(yàn)過程。數(shù)值接口程序既可完成層剪切型結(jié)構(gòu)模型反力計(jì)算，也可用于與有限元軟件OpenSEES、ABAQUS通信。

五、擬動(dòng)力試驗(yàn)教學(xué)方法初探

鑒于擬動(dòng)力試驗(yàn)教學(xué)的特點(diǎn)，在實(shí)踐中以混合試驗(yàn)軟件HyTest為載體，采用“課堂講解”—“現(xiàn)場(chǎng)演示”—“模擬操作”相結(jié)合的教學(xué)方法。具體而言，在課堂上介紹擬動(dòng)力試驗(yàn)方法的基本原理、基本步驟及數(shù)據(jù)處理，并介紹HyTest的架構(gòu)及操作。在實(shí)驗(yàn)室中，以鋼結(jié)構(gòu)柱的擬動(dòng)力試驗(yàn)（見圖3）為例，介紹整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)，包括試驗(yàn)軟件HyTest、MTS控制軟件、作動(dòng)器、油源、水箱、分油器、傳感器、采集系統(tǒng)等，并現(xiàn)場(chǎng)操作HyTest軟件，完成建模、剛度模擬、擬動(dòng)力試驗(yàn)整個(gè)過程。課后作業(yè)是“單自由度結(jié)構(gòu)地震分析擬動(dòng)力試驗(yàn)HyTest模擬”，即采用HyTest軟件在不連接MTS加載系統(tǒng)的情況下模擬試驗(yàn)過程。

該部分內(nèi)容的教學(xué)設(shè)計(jì)，拋棄了空洞說教，使理論和方法變成了摸得著看得見的實(shí)物，并且能夠親自操作，親身感受，其教學(xué)效果理應(yīng)更加理想。從學(xué)生反饋來看，該方法實(shí)施后學(xué)生積極性提高了，教學(xué)效率也提高了，收到了較理想的成效。

六、總結(jié)

結(jié)合本科擬動(dòng)力試驗(yàn)內(nèi)容教學(xué)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了基于混合試驗(yàn)軟件HyTest的“課堂講解”—“現(xiàn)場(chǎng)演示”—“模擬操作”一體化教學(xué)方案。實(shí)踐表明該方法能取得較理想的教學(xué)效果。

Abstract：Teaching of pseudo-dynamic tests is of great importance to undergraduates majored in civil engineering. This teaching is characterized by strong sense of theory，strong comprehensiveness，limited teaching hours and emphasizing concepts. For these features，this paper designs an integrated teaching plan based on hybrid testing software – HyTest，namely classroom explanation，live demo and simulated operation. Practice shows that this method is relatively effective.

Key words：teaching method；civil engineering experiment；pseudo-dynamic test；testing softwareendprint