5.4-6動力反應(yīng)疲勞試驗

1、5-45-4結(jié)構(gòu)動力反應(yīng)測定結(jié)構(gòu)動力反應(yīng)測定 n一、動應(yīng)變測定一、動應(yīng)變測定n二、動位移測定（振動變位圖）二、動位移測定（振動變位圖）n三、動力系數(shù)的測定三、動力系數(shù)的測定5-45-4結(jié)構(gòu)動力反應(yīng)測定結(jié)構(gòu)動力反應(yīng)測定n一、動應(yīng)變測定一、動應(yīng)變測定n（一）動態(tài)應(yīng)變測試的特點（一）動態(tài)應(yīng)變測試的特點 把應(yīng)變隨時間而變化的時間歷程曲線連續(xù)完整地記錄下來，然后再進(jìn)行定量分把應(yīng)變隨時間而變化的時間歷程曲線連續(xù)完整地記錄下來，然后再進(jìn)行定量分析析。n（二）動態(tài)應(yīng)變測量系統(tǒng)框圖（二）動態(tài)應(yīng)變測量系統(tǒng)框圖 應(yīng)變片應(yīng)變片動態(tài)電阻應(yīng)變儀動態(tài)電阻應(yīng)變儀記錄器記錄器n（三）應(yīng)變值的度量（三）應(yīng)變值的度量n標(biāo)定使電阻應(yīng)

2、變儀的橋臂產(chǎn)生一個標(biāo)準(zhǔn)的電阻變化量，折合成一個標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)變量 ，稱為標(biāo)定值，在記錄波形上記錄下一個高度 ，以此度量曲線上任一時刻的實際應(yīng)變，如圖5-19。n則應(yīng)變儀靈敏度取測量前后兩次標(biāo)定值的平均值，即取 ；或 式（5-35）則曲線上任一時刻的實際應(yīng)變可推出： ；或式（5-36）0iH圖5-19 動態(tài)應(yīng)變儀記錄標(biāo)定結(jié)果曲線 5-45-4結(jié)構(gòu)動力反應(yīng)測定結(jié)構(gòu)動力反應(yīng)測定03112HH 04222HH13101112hHHh24202222hHHh5-45-4結(jié)構(gòu)動力反應(yīng)測定結(jié)構(gòu)動力反應(yīng)測定n( (四四) )測量電橋測量電橋n在電橋盒上可接全橋和半橋，見圖5-20。n動態(tài)應(yīng)變多點測量時，一個測點一個

3、電橋，測點電橋一一對應(yīng)，不能采用“公共補償技術(shù)”。因為：動態(tài)動態(tài)應(yīng)變隨時間而變化，如果采用公共補償技術(shù)，就不能應(yīng)變隨時間而變化，如果采用公共補償技術(shù)，就不能將應(yīng)變隨時間而變化的時間歷程曲線連續(xù)完整地記將應(yīng)變隨時間而變化的時間歷程曲線連續(xù)完整地記錄下來錄下來。 Vi-EgVi+Eg+_Rg1Rg2短 接 片GViVi+Eg0+_-EgRg3Rg4Rg1Rg2a 半橋接法 b 全橋接法5-20 橋盒接橋圖 5-45-4結(jié)構(gòu)動力反應(yīng)測定結(jié)構(gòu)動力反應(yīng)測定n二、振動變位圖二、振動變位圖n1. 1. 定義定義 振動變位圖：結(jié)構(gòu)在特定荷載作用下的變形曲線振動變位圖：結(jié)構(gòu)在特定荷載作用下的變形曲線。n2.2.

4、測定方法測定方法 安設(shè)多個測點，將各個測點的振動曲線記錄下來，見圖5-21（a），根據(jù)相位關(guān)系確定變位的正、負(fù)號，再按振幅（即變位）大小以一定比例畫在圖上，連成結(jié)構(gòu)在實際動荷載作用下的振動變位圖，見圖5-21（b）。n3.3.振動變位圖與振型的區(qū)別振動變位圖與振型的區(qū)別n振型:按結(jié)構(gòu)的固有頻率振動，由慣性力引起的彈性變形曲線，與外荷載無關(guān)，屬于結(jié)構(gòu)本身的動力特性。n振動變位圖：是結(jié)構(gòu)在特定荷載作用下的變形曲線。屬于結(jié)構(gòu)的動力反應(yīng)，與荷載的大小、方向、頻率、以及變化規(guī)律有關(guān)。n一般來說并不和結(jié)構(gòu)的某一振型相一致。一般來說并不和結(jié)構(gòu)的某一振型相一致。圖5-21雙外伸梁的振動變位圖 5-45-4結(jié)構(gòu)

5、動力反應(yīng)測定結(jié)構(gòu)動力反應(yīng)測定n二、動力系數(shù)的測定二、動力系數(shù)的測定n1. 1. 定義定義 在動荷載作用下，結(jié)構(gòu)的動撓度與靜撓度的比值。在動荷載作用下，結(jié)構(gòu)的動撓度與靜撓度的比值。即：n 式（5-37）n2.2.測定方法測定方法 (1)有軌移動荷載 先使移動荷載以極慢的速度駛過結(jié)構(gòu)，由此得跨中最大靜撓度，然后，再使移動荷載以各種速度駛過，找出最大動撓度，見圖5-22（a）。n(2)無軌動荷載 采取一次高速通過，記錄圖形如圖5-22（b），取曲線最大值為 ，同時在曲線上繪出中線，相應(yīng)于 處中線的高度即為 (即 ，a為振動的峰-峰值），由式（5-37）可求出動力系數(shù)。dyjdyyjydydyjy2a

6、yydjn yjydyjyda圖5-22動力系數(shù)測定5-45-4結(jié)構(gòu)動力反應(yīng)測定結(jié)構(gòu)動力反應(yīng)測定5-55-5結(jié)構(gòu)抗震試驗n5-5-1 5-5-1 擬靜力試驗擬靜力試驗n一、一、 試驗方法試驗方法n以一定的荷載或位移作為控制值對試件進(jìn)行低周反復(fù)加載，以獲得結(jié)構(gòu)的非線性的荷載變形特性。擬靜力試驗又稱低周反復(fù)加載試驗或恢復(fù)力特性試驗。（實質(zhì)上是用靜力加載方式來模擬地震對結(jié)構(gòu)物的作用。）n二、試驗設(shè)備與加載裝置二、試驗設(shè)備與加載裝置n加載設(shè)備（千斤頂、電液伺服加載系統(tǒng)）、反力墻、試驗臺座、荷載架等。n三、三、 單向反復(fù)加載制度單向反復(fù)加載制度n三種方法：控制位移加載、控制作用力加載、控制作用力和控制位

7、移的混合加載。n1.1.控制位移加載法控制位移加載法n以位移（線位移、角位移、曲率或應(yīng)變）作為控制值或以屈服位移的數(shù)倍作為控制值，按一定的位移增幅進(jìn)行循環(huán)加載。n在位移控制加載中，根據(jù)位移控制的幅值不同，又可分為變幅加載、等幅加載和變幅等幅混合加載三種,如圖5-23所示.5-5結(jié)構(gòu)抗震試驗5-5-1 擬靜力試驗n變幅位移控制加載變幅位移控制加載多用于研究構(gòu)件的恢復(fù)力特性，并建立其恢復(fù)力模型，一般每級位移幅值下循環(huán)二三次。n等幅位移控制加載等幅位移控制加載主要用于確定構(gòu)件在特定位移幅值下的特定性能如極限滯回耗能、強度降低率和剛度退化率。n混合位移控制加載混合位移控制加載可以綜合研究構(gòu)件的性能，包

8、括等幅部分的強度和剛度變化，以及在變幅部分、特別是大變形增長強度和耗能能力的變化。圖5-24所示也一種混合加載制度。圖5-23位移控制加載制度圖5-24 考慮二次地震影響的混合位移加載5-55-5結(jié)構(gòu)抗震試驗n2.2.力控制加載力控制加載n在加載過程中，以力作為控制值，按一定的力幅值進(jìn)行循環(huán)加載。n3.3.力力- -位移混合控制加載位移混合控制加載n先以力控制進(jìn)行加載，當(dāng)試件達(dá)到屈服狀態(tài)時改用位移控制，一直到試件破壞。圖5-25為在梁-柱節(jié)點擬靜力試驗中的一種力-位移混合加載制度。圖5-25力-位移加載制度示意5-55-5結(jié)構(gòu)抗震試驗n4. 4. 雙向反復(fù)加載制度雙向反復(fù)加載制度n1 1）X

9、X、Y Y軸雙向同步加載軸雙向同步加載n與單向反復(fù)加載相同，低周反復(fù)荷載在與構(gòu)件截面主軸成 角的方向進(jìn)行斜向加載，使X、Y兩個主軸方向的分量同步作用。n反復(fù)加載同樣可以采用控制位移、控制作用力和兩者混合控制的加載制度。n2 2） X X、Y Y軸雙向非同步加載軸雙向非同步加載n由于X、Y兩個方向不同步地先后或交替加載變化方案如圖5-26。圖5-26雙向低周反復(fù)加載制度n5 5滯回曲線和骨架曲線滯回曲線和骨架曲線n（1 1）曲線圖形）曲線圖形加載一周得到的荷載位移曲線叫滯回曲線，滯回環(huán)面積大小反映了試件的耗能能力。根據(jù)結(jié)構(gòu)恢復(fù)力特性的試驗結(jié)果，可將滯回曲線歸納為梭形、弓形、反S形及Z形四種基本形

10、狀，如圖5-27。 (a) (b) (c) (d) 圖5-27四種典型的滯回曲線 5-55-5結(jié)構(gòu)抗震試驗n這四種滯回曲線的發(fā)生各有特點：n（a）梭形：通常發(fā)生于受彎、偏壓、壓彎以及不發(fā)生剪切破壞的彎剪構(gòu)件；n（b）弓形：通常發(fā)生于剪跨比較大、剪力較小，且配有一定箍筋的彎剪構(gòu)件和偏壓構(gòu)件，它反映了一定的滑移影響；n（c）反S形：通常發(fā)生于一般框架和有剪力撐的框架、梁柱節(jié)點及剪力墻等，它反映了更多的滑移影響；n（d）Z形：通常發(fā)生于小剪跨而斜裂縫又可以充分發(fā)展的構(gòu)件以及錨固鋼筋有較大滑移的構(gòu)件，它反映了大量的滑移影響。 5-55-5結(jié)構(gòu)抗震試驗n（2 2）骨架曲線）骨架曲線在變位移幅值加載時，將

11、各次荷載變形滯回曲線中，取所有每一級荷載第一次循環(huán)的峰值點連接的包絡(luò)線作為骨架曲線。見圖5-28。圖5-28骨架曲線與單次加載曲線5-55-5結(jié)構(gòu)抗震試驗5-55-5結(jié)構(gòu)抗震試驗n（3 3） 強度強度n1 1）屈服荷載）屈服荷載n有明顯屈服點的試件，如圖5-29所示Q- 曲線的拐點E點對應(yīng)的荷載為屈服強度、變形為屈服變形。n如果沒有明顯的屈服點，如圖5-30所示，可采用能量等效面積法能量等效面積法近似確定。由最大荷載點A作水平線AB,由原點作割線OD與AB交于D點，由D點引垂線與曲線OA交于E點，使面積ADCA與面積相等，則此時的E點即為構(gòu)件的屈服點， E點對應(yīng)的荷載Qy為屈服荷載，位移為屈服

12、位移。n2 2）極限荷載）極限荷載n構(gòu)件所能承受的最大荷載。n3 3）破壞荷載）破壞荷載n構(gòu)件加載至極限荷載下降至85%時所對應(yīng)的荷載值，變形作為極限變形極限變形。圖5-29有明顯屈服點構(gòu)件的屈服荷載圖5-30無明顯屈服點構(gòu)件的屈服荷載n（4 4）剛度）剛度反映結(jié)構(gòu)變形能力。n加載剛度n切向剛度Ko、開裂剛度Kc、屈服剛度Ky、屈服后剛度Ksn卸載剛度Kun重復(fù)加載剛度n等效剛度Ken（5 5）延性系數(shù)）延性系數(shù)n延性系數(shù)是表示結(jié)構(gòu)構(gòu)件塑性變形能力的指標(biāo)，反映是結(jié)構(gòu)抗震性能的好壞。骨架曲線上，結(jié)構(gòu)骨架曲線上，結(jié)構(gòu)破壞時的極限變形和屈服時的屈服變形之比稱為破壞時的極限變形和屈服時的屈服變形之比稱

13、為延性系數(shù)延性系數(shù)，即n 式（5-38）n式中： -破壞荷載點相應(yīng)的變形（廣義變形）。n -屈服點變形。5-55-5結(jié)構(gòu)抗震試驗圖5-31 P-曲線yuuy5-55-5結(jié)構(gòu)抗震試驗n（6 6）能量耗散）能量耗散n結(jié)構(gòu)構(gòu)件吸收能量的好壞，可由滯回曲線所包圍的滯回環(huán)面積和它的形狀來衡量。由滯回環(huán)的面積可以求得等效粘滯阻尼系數(shù)he。見圖5-32。n式（5-39）nHe愈高，結(jié)構(gòu)的耗能能力也愈強。n（7 7）不同加載制度引起的耗能差異）不同加載制度引起的耗能差異圖5-32等效粘滯阻尼系數(shù)計算三角形面積圖形面積OBDABChe215-55-5結(jié)構(gòu)抗震試驗n（7 7）不同加載制度引起的耗）不同加載制度引起

14、的耗能差異能差異n骨架曲線與滯回環(huán)之間包不住的面積叫做損失面積（陰影部分），對比圖5-33（a）（c）可知，損失面積隨身循環(huán)次數(shù)增加而加大；而滯回環(huán)的總面積也隨周數(shù)增加而增大，并超出單調(diào)加載的面積。此外，循環(huán)開始時位移愈大則損失面積愈?。▽Ρ葓D5-33的（a）、（d）不同加載方案對耗能能力有影響。n如果在達(dá)到極限力前就進(jìn)行大量循環(huán)則有可能找不到極限力（圖5-33（c）。n從以上分析知：地震是隨機波，采用周期性加載有一定的局限性。圖5-33不同加載方案對耗能的影響5-6 5-6 結(jié)構(gòu)疲勞試驗結(jié)構(gòu)疲勞試驗n疲勞現(xiàn)象疲勞現(xiàn)象:結(jié)構(gòu)在等幅等頻或變幅變頻的多次重復(fù)和反復(fù)荷載作用下，由于結(jié)構(gòu)某一部分局部損

15、傷的遞增和積累，導(dǎo)致裂紋的形成并逐步擴展，材料的極限強度降低，以致結(jié)構(gòu)在低于相同靜力荷載作用情況下被破壞。5-6 5-6 結(jié)構(gòu)疲勞試驗結(jié)構(gòu)疲勞試驗n5-6-15-6-1結(jié)構(gòu)疲勞試驗的目的結(jié)構(gòu)疲勞試驗的目的n1.1.研究性疲勞試驗的內(nèi)容研究性疲勞試驗的內(nèi)容n（1）鋼筋及混凝土的應(yīng)力隨荷載重復(fù)次數(shù)的變化；n（2）開裂荷載及開裂；n（3）裂縫寬度、長度、間距及隨荷載重復(fù)次數(shù)的變化。n（4）疲勞破壞荷載及承受疲勞荷載的重復(fù)次數(shù)；n（5）最大撓度及其變化規(guī)律；n（6）疲勞破壞特征。n2.2.檢驗性疲勞試驗的內(nèi)容檢驗性疲勞試驗的內(nèi)容（1）抗裂性及開裂荷載；（2）裂縫寬度及其發(fā)展；（3）最大撓度及其變化幅度

16、；（4）疲勞強度。5-6 5-6 結(jié)構(gòu)疲勞試驗結(jié)構(gòu)疲勞試驗n5-6-25-6-2結(jié)構(gòu)疲勞試驗的方法n1.1.疲勞試驗荷載疲勞試驗荷載n（1 1）試驗荷載取值）試驗荷載取值n荷載上限值Qmax：按試件在荷載標(biāo)準(zhǔn)值的最不利組合產(chǎn)生的效應(yīng)值計算而得的。n荷載下限值Qmin：根據(jù)疲勞試驗機性能而定，Qmin不應(yīng)小于液壓脈動加載器最大動荷載的3%。n計算Qmax和Qmin時應(yīng)予考慮加載過程中構(gòu)件和加載器運動部件的慣性力影響。n（2 2）疲勞荷載的頻率選擇）疲勞荷載的頻率選擇n疲勞荷載的頻率：疲勞試驗荷載在單位時間內(nèi)重復(fù)作用的次數(shù)。n一般不大于10Hz。為避免試驗時在構(gòu)件中產(chǎn)生動力反應(yīng)，甚至使構(gòu)件或加載裝

17、置發(fā)生共振，加載頻率應(yīng)小于試件和加載裝置自振頻率的80%，或大于其自振頻率的130%。5-6 5-6 結(jié)構(gòu)疲勞試驗結(jié)構(gòu)疲勞試驗n2.2.疲勞試驗加載程序疲勞試驗加載程序n等幅疲勞試驗加載程序包括靜載試驗、疲勞試驗和破壞試驗三個階段。n（1 1）靜載試驗階段）靜載試驗階段 n預(yù)載后，先作兩次或三次加載、卸載循環(huán)的靜載試驗，每級荷載值取最大荷載Qmax的20%，分五級加載，在加載過程中，當(dāng)分級加載經(jīng)過Qmin時，應(yīng)增設(shè)一個級次。對于允許出現(xiàn)裂縫的試件，應(yīng)在臨近開裂階段加密荷載分級。n（2 2）疲勞試驗階段）疲勞試驗階段n先加載至Qmin，調(diào)節(jié)加載頻率，施加Qmax，保持荷載穩(wěn)定使誤差不大于3%。宜

18、在重復(fù)加載到1萬次、10萬次、50萬次、100萬次、200萬次及40萬次時停機進(jìn)行靜載試驗，測讀應(yīng)變、撓度，觀測裂縫。測讀動應(yīng)變和動撓度宜在重復(fù)加載到1萬次、2萬次、5萬次、10萬次、20萬次、50萬次、100萬次、150萬次、200萬次、300萬次及400萬次時分別進(jìn)行。 5-6 5-6 結(jié)構(gòu)疲勞試驗結(jié)構(gòu)疲勞試驗n（3 3）破壞試驗階段）破壞試驗階段 n在試驗重復(fù)荷載達(dá)到要求加載的次數(shù)后，可采用靜載或疲勞試驗的方法，進(jìn)行試件破壞試驗。n當(dāng)采用靜載試驗方法時，可繼續(xù)進(jìn)行分級加載，但荷載級距可以加大，最后求得破壞荷載值，如圖5-34所示。圖5-34疲勞試驗靜載破壞加載程序5-6 5-6 結(jié)構(gòu)疲勞試驗結(jié)構(gòu)疲勞試驗n當(dāng)采用疲勞試驗進(jìn)行破壞試驗時，可按原定的Qmax和Qmin的荷載幅值繼續(xù)施加重復(fù)荷載，直至破壞，求得試件施加重復(fù)荷載的極限次數(shù)，即疲勞壽命，如圖5-35所示。圖5-35疲勞試驗破壞的加載程序5-6 5-6 結(jié)構(gòu)疲勞試驗結(jié)構(gòu)疲勞試驗n根據(jù)研究和試驗要求的不同