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模型试验与非线性分析哪个更仿真？ A专家：莫名想起了木兰辞这几句：雄兔脚扑朔，雌兔眼迷离；双兔傍地走，安能辨我是雄雌？感觉模型试验和非线性分析是雄兔和雌兔的关系。 B专家：个人不成熟的小看法：关键要看模型比例，如果是等比例模型，则试验更仿真，比例相差越多则模型试验所能反馈的细节信息丢失越多，仿真效果就会越差，反而不如非线性仿真效果好。 C专家：最真实的等比例模型试验，就是实际地震。 D专家：非线性分析需要模型检验与验证(V&V)，而验证非线性分析结果，通常用模型试验。到底哪个更仿真？这个提问是个大大的坑啊！好提问！ E专家：这就是为何我们很多与抗震相关的学者、工程师特别注意真实震害相关资料的搜集与研究的原因。 F专家：构件试验其实绝大多数时候是测试结构的抗力。而我们一直认为，结构作用的不确定性，远大于结构抗力的不确定性。计算模型的改进一个重要价值是让结构的作用能分析得更加清楚。 G专家：分析模型的一大好处就是可重复利用、反复分析，这是实际模型无能为力的。 H专家：关键是模型试验和非线性分析，都要用“模型”，而模型不确定性，如何验证？ I专家：作用不确定性我举个例子：比如剪力墙结构在地震下倒塌比例比较小。我们分析发现，在地震作用下，剪力墙很早就会开裂，而剪力墙一开裂刚度立刻下降一大截（可以达到50%以上），随之地震作用也会迅速降低。而我们计算地震力都是按照剪力墙的弹性地震力计算的，这样一来剪力墙的地震安全储备就高了很多。也就是说，剪力墙抗力的计算模型的误差在15%范围内，而剪力墙受到地震力作用的计算模型误差在50%以上。 J专家：总体来说，作用的不确定性大于结构抗力的不确定性，但是这个不确定性，主要是“物理不确定性”。而作用和抗力，都需要“计算模型”，这就是“模型不确定性”。George E.P. Box有句名言可以说明模型不确定性：All models are wrong, but some are useful. K专家：已完成的大量试验，为确定模型与验证模型提供了条件。可是，试验成本太大，现代非线性分析工具已能代替部分试验，如受弯为主的结构，但对受剪为主与复杂的结构，还需要试验特别是大尺寸试验研究。 L专家：分析模型的“不确定性”可以通过多软件互证予以适当消解，但分析模型准确性在底层还是要受到当下研究水平的制约。这正是结构设计非常特殊的地方，我们需要在“All models are wrong” 的前提下确保建筑物的安全。 M专家：记得E_Defense之前举行过结构分析比赛，然后完成足尺RC框架结构模型的试验，最后是分组评价预测结果，如层模型、杆模型与精细化模型，精度也各有千秋，层模型结果不一定最差。 N专家：我觉得我们应该想想实验的目的是什么？实验的目的是为了进一步做数值仿真确认参数，实验成本太大，我们不得不用数值模拟来代替。数值模拟的基本模型不也是来源于实验的验证，一点浅见。 O专家：汶川地震之前做了那么多节点试验，谁在汶川地震前说按照现行设计方法“强柱弱梁”实现不了？ P专家：我们过度强调结构的承载力。例如弹性或不屈服而忽略结构或构件的刚度，结构的内力需求与刚度影响的关系太大，例如消能减震子结构要求大震不屈服，用弹性刚度算的话，这个力超大，就算不屈服，砼也会开裂，刚度大大降低。 Q专家：我有一个问题请教一下各位老师，对于宏观尺度来讲，基于震害统计的易损性曲线作为模型来预测未来震害损失更准确，还是基于数值模拟的计算结果更靠谱？ R专家：二种方法其实没有可比性，细节决定成败，仿真结果好坏直接决定于试验模型的细节与分析模型的假定。 S专家：我国现代化大城市基本没有震害统计数据，所以“基于震害统计的易损性曲线作为模型来预测未来震害损失”是个伪命题。 T专家：其实这也是我一直担心的问题，目前的震害资料是否能够真实的反应建筑的实际震害，用数值分析或者实验结果来校正现在有数据的易损性曲线效果是不是更好一些? U专家：可否就剪力墙开裂与刚度退化进行研究，在计算分析时可以比较准确地考虑进行中、大震分析，甚至小震（高烈度）。 V专家：针对某一特定建筑进行数值模拟，很多人做过。 W专家：我认为结构层次的易损性曲线预测方法是一个传统的，很好用但是缺点也很多的方法。易损性曲线其实就是横坐标为地震烈度，纵坐标是结构损坏程度的一个曲线。但是地震烈度和结构损坏程度这两个都不是一个客观的物理量，用起来问题很多。所以我们这些年一直大力推动“城市抗震弹塑性分析”，就是想解决这个问题。 X专家：我之前也转不过来这个弯，但是想想大数据分析就是在寻找两个变量之间的相关性然后从宏观尺度上得到一定的规律，对区域分析如果精度要求不高（损失没有量级上的差异），是否采用统计方法也可以呢？ Y专家：我国现代化大城市哪有地震统计数据啊？ Z专家：地震局早期一直做区域震害预测工作，在不少城市都做过群体震害预测，最近几年似乎比较少了。 AA专家：1、汶川地震灾后应急评估过程中，发现有大量的填充墙破坏。结构设计时目前只以0.6~1.0的人为刚度折减系数考虑，而整体结构缩尺模型实验一般均难以考虑填充墙的影响。粗略的文献检索发现，填充墙对结构刚度的影响在极端情况下远不只三倍，且其阻尼影响的研究很有限。2、很多学者的实验研究是以单榀结构为对象的，例如连梁式阻尼器，相信数值模拟和试验均可得出很满意的效果。但一旦放入整体结构分析，就会发现楼板面外刚度的约束将十分显著，减震效果将大打折扣。3、我们近期碰巧做过某个结构非线性分析与模型实验结果的对比，发现二者差别较大，结构的破坏楼层部位都不一致。开始我们将原因归结为非线性分析方法仍需进步。但仔细思考后，认为缩尺实验的真实仿真能力也相当值得怀疑。通常缩尺实验因为重力的相似比问题，需要在楼层上加很重的铅块配重，所以楼板均很厚（我们碰到的模型楼板厚度接近层高的1/4），这时原来实际框剪结构的弯剪变形状态将变为实验模型接近于板柱体系的剪切型变形。缩尺模型实验结果与非线性分析完全就是在做两个结构，完美对上了才不正常。4、中国应该有个E-Defense。 AB专家：汽车设计精度远高于土木，还要做碰撞试验，没有见过缩尺模型的碰撞吧。 AC专家：这是个大课题，加载设备还得好好研究。 AD专家：汽车是大量复制的产品，挑取一定样本做实验是可行的，建筑基本都是独一无二的。 AE专家：汽车再做缩尺实验，就像玩具车。材料如果还用真正的汽车材料，碰撞速度还用原来的速度，能量也达不到啊。 AF专家：感觉做统计学的研究不错，全国高校那么多试验，花了不少钱，数据结果，都没有利用起来。 AG专家：为什么剪力墙结构会好很多，那是因为墙和梁板都属于二维世界，这属于同一纬度的战争，就容易解决。 AH专家：剪力墙抗震好，但是感觉剪力墙弹塑性很难模拟，特别是L型，T型墙，带转角的，模拟起来跟实际差距比较大。一片一片的墙单元，而实际是相互作用，形成转角后刚度也跟单纯的两个单元叠加有差距。 AI专家：这是很多人惯性思维，觉得板很薄，应该影响不大，但从历次震害来看，是我们大大低估了梁板共同作用效应。 AJ专家：同意低估了！还是要做更多的基础性工作来评估。 AK专家：结构的问题感觉越讨论越只能回到“艺术”。 AL专家：其实是一种思维方式的转变，逐渐从确定性思维中走出来，学会在模糊与混沌中把握结构的本质，然后做到以安全为底线的高效与合理。 AM专家：拓扑优化、弹塑性分析、倒塌分析等一系列的尝试是希望逐渐把一些模糊性、概念性的东西清晰化，把人的直觉，变成可操作的流程，然后变成确定性的东西。大家努力的结果就是逐渐扩展确定性的地盘，消减模糊领域，让艺术科学化。 |
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