顾冬生

（江南大学环境与土木工程学院，江苏无锡 214122）

在我国的高等教育中，土木工程是比较重要的专业类别，每年都有大批土木工程的本科和硕士毕业生投入国家建设中。在未来的几十年内，土木工程仍将发挥重要作用，影响着我国基础建设的发展与进步。随着科学技术的快速发展与土木行业的不断革新，土木行业与高校对毕业生的要求也越来越高，除了要有扎实的理论基础，还要有较强的实践能力和专业技能。

土木工程结构试验教学是土木工程一门重要的基础课程，可以培养学生掌握基本实验方法、提高动手能力与创新能力[1]，有利于学生综合能力提高。结构抗震试验作为土木工程结构试验课程重要组成部分，对于其教学也要引起足够重视。结构抗震试验教学旨在通过实践来培养学生对结构抗震性能的理解，提高结构设计综合能力。但由于教学条件制约等原因，目前高校试验教学水平参差不齐，还达不到理想的教学效果。

1 结构抗震试验教学现状与存在的问题

结构抗震试验操作成本高，如一般的振动台试验，一根柱成本就上千，一系列试验做下来代价很高，这对一些高校和实验室来说负担太大，甚至有些高校缺少条件开展相关试验。另外，实验试件安装定位比较复杂、仪器设备造价高以及试验对安全性要求比较高，使得抗震试验开展非常困难[2-3]，这样学生很难掌握抗震试验的核心思想，对抗震性能评价参数也没有直观认识。结构抗震试验一般难度较大，需要试验人员具有扎实的理论基础和操作技能，还要有处理突发事件的应变能力，大部分学生还不具备这些条件。大部分结构抗震试验可视化程度不够，试验过程中各种数据的变化不能直观地显示出来，影响试验教学效果。

很多高校有开展试验教学，但因为抗震试验难度较大，对试验指导人员要求也比较高，所以开展这方面试验积极性不高。这些造成长期以来对抗震试验教学重视不够，也缺乏鼓励措施[4]。

2 数值仿真技术的意义

随着科技的进步尤其是计算机技术的发展，数值仿真技术已经趋于成熟，目前已经成功应用到了包括结构、机械等多个领域。在土木工程行业，市面上流行的商业有限元软件就是数值仿真技术应用的成果。有限元软件能对结构进行模拟，并对结构进行分析，把分析结果和相关参数可视化。把数值仿真技术应用到结构抗震试验教学中，为试验教学开辟一条新道路，弥补了传统试验教学对设备要求高，试验比较复杂的不足。数值仿真技术的灵活性和开放性为试验教学增添了无数可能，通过改变模拟试验参数，学生可以方便地得到运行结果，这激发了学生学习的兴趣，也能培养学生的创新能力。

通过数值仿真试验和真实试验相结合，学生可以在真实试验前进行预试验，提高了试验的成功率，增加了学生的积极性，而且，数值仿真试验一般能在短时间内得到试验结果，并具有较高的可靠度。数值仿真试验可以增加学生对理论知识的理解与运用，通过学习使用有限元软件，在一次次建模与分析的过程中，学生对理论知识的理解与记忆也越来越深。而且，数值仿真试验教学促进学生的学习，培养学生的动手能力，为学生打下软件基础，有利于学生的就业发展。

数值仿真技术目前已经趋于成熟，有限元软件也越来越完善。目前流行的商业有限元软件有ABAQUS、ANSYS、MSC、OpenSees 等。

3 数值仿真试验教学案例

框架结构在水平地震作用下，柱子是主要受力构件，抵抗地震作用产生的力和弯矩作用。为研究框架柱抗震性能，有必要进行框架柱抗倾覆试验，试验教学能加深学生对柱结构的认识。我们通过理论学习已经对柱子在水平力作用下受力模式有了一定的了解，但对柱子的内力与变形缺少感性的认识。在试验教学之前，对框架柱进行抗倾覆的数值仿真试验，加强学生对试验的理解与认识。

钢筋混凝土框架柱抗倾覆试验如图1 所示，通过对柱顶施加低周往复荷载，控制柱顶的位移，来得到试验柱的力与位移关系，研究框架柱的抗倾覆性能。采用有限元软件OpenSees 进行数值仿真试验，OpenSees 是一个以美国加州大学伯克利分校为主导开发的开放性程序软件体系，主要适用与土木工程结构、岩土和抗震分析。该软件开发以来经过多次升级更新，目前已经广泛用于钢筋混凝土结构、桥梁、岩土工程在内众多的实际工程和振动台试验项目，经验证明其具有较好的非线性数值模拟精度。

图1 钢筋混凝土框架柱抗倾覆试验

进行数值仿真试验时，先用OpenSees 软件对柱子的截面和材料进行模拟，根据试件的实际参数定义截面的尺寸、配筋、材料，框架柱的数值仿真计算模型如图2 所示，可以让学生直观地看到试件的配件情况和钢筋布置。对试件柱施加约束条件，对柱底3 个自由度进行约束，对柱顶施加轴压力，在侧向施加水平位移，完全模拟真实试验时的边界条件，进行同样的抗倾覆分析。

图2 框架柱数值仿真试验模型

模拟计算结果和结论与实际试验结果对比，可以验证数值仿真试验的可靠性。试验结果对比如图3 所示。可以看出，数值仿真试验的结果和实际试验吻合很好，具有较高的精度。对试验结果进行分析，钢筋混凝土框架柱承受低周往复荷载时，随着位移增加，侧向承载力逐渐减小，构件的刚度也逐渐减小。这表明构件在模拟的地震作用下，不断发生损伤和破坏，直至破坏。随着侧向变形的增加，构件表现出较好的耗能能力和延性，这些参数可以用来评估构件的抗震性能。在计算分析时，学生可以通过改变截面参数或荷载来得到不同的分析结果，可以提高学生对框架柱抗倾覆性能理解，建立比较定量的认识。再结合一定量的现有的试验过程的录像资料，可以进一步让学生了解构件的破坏过程，如混凝土的开裂和剥离等，这样学生就能对抗震性能有了比较全面的认识。

图3 试验结果对比

4 结语

将数值仿真技术应用到土木工程结构抗震试验教学中，给试验教学带来一条新思路，也带来诸多便利。目前高校土木工程的试验教学水平参差不齐，有必要加大对数值仿真试验教学的推广，提高教学质量。另外，数值分析软件的开发与改进也是现在的重点工作，应加大力度扩大软件的应用领域，开发新的应用模块，增强软件的稳定性与实用性。