模型試驗與非線性分析哪個更模擬？——楊博士每日一問匯總【貳】

模型試驗與非線性分析哪個更模擬？

A專家：莫名想起了木蘭辭這幾句：雄兔腳撲朔，雌兔眼迷離；雙兔傍地走，安能辨我是雄雌？感覺模型試驗和非線性分析是雄兔和雌兔的關係。

B專家：個人不成熟的小看法：關鍵要看模型比例，如果是等比例模型，則試驗更模擬，比例相差越多則模型試驗所能反饋的細節信息丟失越多，模擬效果就會越差，反而不如非線性模擬效果好。

C專家：最真實的等比例模型試驗，就是實際地震。

D專家：非線性分析需要模型檢驗與驗證(V&V)，而驗證非線性分析結果，通常用模型試驗。到底哪個更模擬？這個提問是個大大的坑啊！好提問！

E專家：這就是為何我們很多與抗震相關的學者、工程師特別注意真實震害相關資料的搜集與研究的原因。

F專家：構件試驗其實絕大多數時候是測試結構的抗力。而我們一直認為，結構作用的不確定性，遠大於結構抗力的不確定性。計算模型的改進一個重要價值是讓結構的作用能分析得更加清楚。

G專家：分析模型的一大好處就是可重複利用、反覆分析，這是實際模型無能為力的。

H專家：關鍵是模型試驗和非線性分析，都要用「模型」，而模型不確定性，如何驗證？

I專家：作用不確定性我舉個例子：比如剪力牆結構在地震下倒塌比例比較小。我們分析發現，在地震作用下，剪力牆很早就會開裂，而剪力牆一開裂剛度立刻下降一大截（可以達到50%以上），隨之地震作用也會迅速降低。而我們計算地震力都是按照剪力牆的彈性地震力計算的，這樣一來剪力牆的地震安全儲備就高了很多。也就是說，剪力牆抗力的計算模型的誤差在15%範圍內，而剪力牆受到地震力作用的計算模型誤差在50%以上。

J專家：總體來說，作用的不確定性大於結構抗力的不確定性，但是這個不確定性，主要是「物理不確定性」。而作用和抗力，都需要「計算模型」，這就是「模型不確定性」。George E.P. Box有句名言可以說明模型不確定性：All models are wrong, but some are useful.

K專家：已完成的大量試驗，為確定模型與驗證模型提供了條件。可是，試驗成本太大，現代非線性分析工具已能代替部分試驗，如受彎為主的結構，但對受剪為主與複雜的結構，還需要試驗特別是大尺寸試驗研究。

L專家：分析模型的「不確定性」可以通過多軟體互證予以適當消解，但分析模型準確性在底層還是要受到當下研究水平的制約。這正是結構設計非常特殊的地方，我們需要在「All models are wrong」 的前提下確保建築物的安全。

M專家：記得E_Defense之前舉行過結構分析比賽，然後完成足尺RC框架結構模型的試驗，最後是分組評價預測結果，如層模型、桿模型與精細化模型，精度也各有千秋，層模型結果不一定最差。

N專家：我覺得我們應該想想實驗的目的是什麼？實驗的目的是為了進一步做數值模擬確認參數，實驗成本太大，我們不得不用數值模擬來代替。數值模擬的基本模型不也是來源於實驗的驗證，一點淺見。

O專家：汶川地震之前做了那麼多節點試驗，誰在汶川地震前說按照現行設計方法「強柱弱梁」實現不了？

P專家：我們過度強調結構的承載力。例如彈性或不屈服而忽略結構或構件的剛度，結構的內力需求與剛度影響的關係太大，例如消能減震子結構要求大震不屈服，用彈性剛度算的話，這個力超大，就算不屈服，砼也會開裂，剛度大大降低。

Q專家：我有一個問題請教一下各位老師，對於宏觀尺度來講，基於震害統計的易損性曲線作為模型來預測未來震害損失更準確，還是基於數值模擬的計算結果更靠譜？

R專家：二種方法其實沒有可比性，細節決定成敗，模擬結果好壞直接決定於試驗模型的細節與分析模型的假定。

S專家：我國現代化大城市基本沒有震害統計數據，所以「基於震害統計的易損性曲線作為模型來預測未來震害損失」是個偽命題。

T專家：其實這也是我一直擔心的問題，目前的震害資料是否能夠真實的反應建築的實際震害，用數值分析或者實驗結果來校正現在有數據的易損性曲線效果是不是更好一些?

U專家：可否就剪力牆開裂與剛度退化進行研究，在計算分析時可以比較準確地考慮進行中、大震分析，甚至小震（高烈度）。

V專家：針對某一特定建築進行數值模擬，很多人做過。

W專家：我認為結構層次的易損性曲線預測方法是一個傳統的，很好用但是缺點也很多的方法。易損性曲線其實就是橫坐標為地震烈度，縱坐標是結構損壞程度的一個曲線。但是地震烈度和結構損壞程度這兩個都不是一個客觀的物理量，用起來問題很多。所以我們這些年一直大力推動「城市抗震彈塑性分析」，就是想解決這個問題。

X專家：我之前也轉不過來這個彎，但是想想大數據分析就是在尋找兩個變數之間的相關性然後從宏觀尺度上得到一定的規律，對區域分析如果精度要求不高（損失沒有量級上的差異），是否採用統計方法也可以呢？

Y專家：我國現代化大城市哪有地震統計數據啊？

Z專家：地震局早期一直做區域震害預測工作，在不少城市都做過群體震害預測，最近幾年似乎比較少了。

AA專家：1、汶川地震災後應急評估過程中，發現有大量的填充牆破壞。結構設計時目前只以0.6~1.0的人為剛度折減係數考慮，而整體結構縮尺模型實驗一般均難以考慮填充牆的影響。粗略的文獻檢索發現，填充牆對結構剛度的影響在極端情況下遠不只三倍，且其阻尼影響的研究很有限。2、很多學者的實驗研究是以單榀結構為對象的，例如連梁式阻尼器，相信數值模擬和試驗均可得出很滿意的效果。但一旦放入整體結構分析，就會發現樓板面外剛度的約束將十分顯著，減震效果將大打折扣。3、我們近期碰巧做過某個結構非線性分析與模型實驗結果的對比，發現二者差別較大，結構的破壞樓層部位都不一致。開始我們將原因歸結為非線性分析方法仍需進步。但仔細思考後，認為縮尺實驗的真實模擬能力也相當值得懷疑。通常縮尺實驗因為重力的相似比問題，需要在樓層上加很重的鉛塊配重，所以樓板均很厚（我們碰到的模型樓板厚度接近層高的1/4），這時原來實際框剪結構的彎剪變形狀態將變為實驗模型接近於板柱體系的剪切型變形。縮尺模型實驗結果與非線性分析完全就是在做兩個結構，完美對上了才不正常。4、中國應該有個E-Defense。

AB專家：汽車設計精度遠高於土木，還要做碰撞試驗，沒有見過縮尺模型的碰撞吧。

AC專家：這是個大課題，載入設備還得好好研究。

AD專家：汽車是大量複製的產品，挑取一定樣本做實驗是可行的，建築基本都是獨一無二的。

AE專家：汽車再做縮尺實驗，就像玩具車。材料如果還用真正的汽車材料，碰撞速度還用原來的速度，能量也達不到啊。

AF專家：感覺做統計學的研究不錯，全國高校那麼多試驗，花了不少錢，數據結果，都沒有利用起來。

AG專家：為什麼剪力牆結構會好很多，那是因為牆和梁板都屬於二維世界，這屬於同一緯度的戰爭，就容易解決。

AH專家：剪力牆抗震好，但是感覺剪力牆彈塑性很難模擬，特別是L型，T型牆，帶轉角的，模擬起來跟實際差距比較大。一片一片的牆單元，而實際是相互作用，形成轉角後剛度也跟單純的兩個單元疊加有差距。

AI專家：這是很多人慣性思維，覺得板很薄，應該影響不大，但從歷次震害來看，是我們大大低估了梁板共同作用效應。

AJ專家：同意低估了！還是要做更多的基礎性工作來評估。

AK專家：結構的問題感覺越討論越只能回到「藝術」。

AL專家：其實是一種思維方式的轉變，逐漸從確定性思維中走出來，學會在模糊與混沌中把握結構的本質，然後做到以安全為底線的高效與合理。

AM專家：拓撲優化、彈塑性分析、倒塌分析等一系列的嘗試是希望逐漸把一些模糊性、概念性的東西清晰化，把人的直覺，變成可操作的流程，然後變成確定性的東西。大家努力的結果就是逐漸擴展確定性的地盤，消減模糊領域，讓藝術科學化。