抗震性能試驗

1、第七章 抗震性能試驗7.1 概述7.1.1 結構抗震試驗的任務 1.對結構的抗震性能進行研究，主要從結構的強度、剛度、延性、耗能能力、恢復力特性等方面進行研究和評價。主要采用低周反復荷載試驗法。2.對結構的預期地震反應進行驗證，主要通過振動臺試驗或擬動力試驗，驗證結構的理論計算地震反應。 7.1 概述7.1.2 結構抗震試驗方法分類結構抗震靜力試驗:低周反復荷載試驗（又稱擬靜力試驗）、計算機-電液伺服聯(lián)機試驗（又稱擬動力試驗）結構抗震動力試驗:地震模擬振動臺試驗、強震觀測、人工爆破模擬地震試驗等7.2 工程結構抗震性能試驗方法7.2.1 擬靜力試驗 擬靜力試驗又稱為低周反復加載試驗或偽靜力試驗

2、，這種試驗方法是在20世紀60至70年代基于結構非線性地震反應分析的要求提出的，一般是給試驗對象施加低周反復作用的力或位移，來模擬地震時結構的作用，并評定結構的抗震性能和能力。擬靜力試驗實質上是用靜力加載方式模擬地震對結構物的作用。7.2 工程結構抗震性能試驗方法優(yōu)點：在試驗過程中可以隨時停下來觀測試件的開裂和破壞狀態(tài)，并可根據試驗需要改變加載歷程。不足：試驗的加載歷程是研究者事先主觀確定的，與實際地震作用歷程無關，不能反映實際地震作用時應變速率的影響。7.2 工程結構抗震性能試驗方法1）擬靜力試驗的設備及裝置 （1）加載設備 結構的擬靜力加載試驗設備有很多種，過去在試驗室中主要采用機械千斤頂

3、或液壓式千斤頂（液壓式千斤頂可以分為單向千斤頂和雙向千斤頂）進行試驗加載。由于這類加載設備主要是手動加載，自動化程度不高，試驗加載過程不容易控制，往往造成數據測量不穩(wěn)定、不準確，試驗結果分7.2 工程結構抗震性能試驗方法 析困難。近年來隨著經濟的發(fā)展和科學技術水平的不斷提高，結構加載設備有了質的改變，目前許多結構試驗室主要采用電液伺服加載系統(tǒng)進行結構的擬靜力加載試驗。 （2）加載的反力裝置 電液伺服加載器或液壓千斤頂一方面與試件連接，另一方面與反力裝置連接，以便給結構施加作用。同時試件也需要固定并模擬實際邊界條件，所以 7.2 工程結構抗震性能試驗方法 反力裝置和傳力裝置都是擬靜力加載試驗中所

4、必須的。目前常用的反力裝置主要有反力墻、反力臺座、門式鋼架、反力架和相應的各種組合載荷載。另外，加載反力裝置本身應當具有足夠的剛度、承載力和整體穩(wěn)定性，同時應盡可能地做到結構簡單、安裝方便。 每一種靜力加載試驗的目的不同，試件的尺寸、形狀和數量也不盡相同，所以其加載方式、加載7.2 工程結構抗震性能試驗方法 裝置和測量傳感器的選擇和安裝也有很大的差異每一項試驗要針對具體試驗內容來確定加載設備、加載反力裝置和測量傳感器。如下圖為一個典型的電液伺服擬靜力試驗加載系統(tǒng)。7.2 工程結構抗震性能試驗方法典型的電液伺服擬靜力試驗加載系統(tǒng)7.2 工程結構抗震性能試驗方法2）加載制度（1）單向加載制度 a.

5、位移控制加載； 這種方法以位移（包括線位移、角位移、曲率或應變）作為控制值或以屈服位移的倍數作為控制值，按一定的位移增幅進行循環(huán)加載。根據位移控制的幅值不同，位移控制加載又可分為變幅加載、等幅加載和變幅等幅混合加載，如下圖：7.2 工程結構抗震性能試驗方法7.2 工程結構抗震性能試驗方法 b.力控制加載； 力控制加載是在每次循環(huán)加載過程中以力的幅值為控制量進行循環(huán)加載。由于結構構件屈服后難以控制加載力，因此這種加載制度很少單獨使用。 c.力位移混合控制加載 這種加載制度是先以荷載控制進行加載，當試件達到屈服狀態(tài)時改用位移控制，直至試件破壞。7.2 工程結構抗震性能試驗方法 一般在結構屈服前，荷

6、載變化大，而位移變化小，此時采用控制作用力加載；結構屈服后，荷載變 化小，位移變化大，此時采用控制位移加載。下圖為擬靜力試驗中經常采用的一種力-位移混合加載制度。7.2 工程結構抗震性能試驗方法7.2 工程結構抗震性能試驗方法（2）兩方向加載制度a.同步加載當用兩個加載器在兩個方向同時加載時，兩個主軸方向的分量是同步的，其加載制度與單向受力加載的加載制度相同。b.非同步加載非同步加載要用兩個加載器分別在截面兩個主軸方向加載。此時，由于X、Y方向可以先后加載 7.2 工程結構抗震性能試驗方法 荷載，因而是不同步的。如下圖所示為常用的僅有X、Y方向側向力的加載途徑，其中：（a）為單向加載；（b）為

7、X方向恒載，Y方向加載；（c）為X、Y方向先后加載；（d）為X、Y方向交替加載；（e）為8字形加載；（f）為方形加載。7.2 工程結構抗震性能試驗方法7.2 工程結構抗震性能試驗方法7.2.2 擬動力試驗 擬動力試驗是20世紀70年代發(fā)展起來的一種計算機-電液伺服結構試驗裝置的聯(lián)機系統(tǒng)，是將地震反應所產生的慣性力作為荷載加在試驗結構上，使結構所產生的非線性力學特征與結構在實際地震動作用下所經歷的真實過程完全一致。但是這種試驗是用靜力方式進行的而不是在振動過程中完成的，故稱擬動力試驗。擬動力試驗彌補7.2 工程結構抗震性能試驗方法 了擬靜力試驗的一些不足之處。 擬動力試驗的目的是真實模擬地震對結

8、構的作用，其基本原理是用計算機直接參與試驗的執(zhí)行和控制，包括利用計算機按地震實際反應技術得到的位移時程曲線驅動和控制電液伺服加載器（又稱作動器）對結構施加荷載。同時進行結構反應的測量和數據采集，經檢測裝置處理后，聯(lián)機系統(tǒng)將結構試驗得到的反應量立即輸入計算機，從而得到結構的瞬時非線性變形和恢復力之間的7.2 工程結構抗震性能試驗方法關系，再由計算機算出下一次加載后的變形，并將計算機所得到的各控制點的變形轉變?yōu)榭刂菩盘?，驅動加載器強迫結構按實際地震反應實現(xiàn)結構的變形和受力。整個試驗由專用軟件系統(tǒng)通過數據庫和運行系統(tǒng)來執(zhí)行操作指令并完成整個系統(tǒng)的控制和運行。7.2 工程結構抗震性能試驗方法優(yōu)點：結構

9、的恢復力特性不再來自數學模型，而是直接從被試驗結構上實時側?。挥捎谠囼灱虞d過程接近靜態(tài)，因此可使試驗人員有足夠的時間觀測結構性能的變化和結構損壞過程，獲得較為詳細的試驗資料；可以對一些足尺模擬或大比例模擬進行試驗；可以緩慢地再現(xiàn)地震的反應。不足：擬動力試驗不能反映實際地震作用時材料7.2 工程結構抗震性能試驗方法 應變速率的影響；擬動力試驗只能通過單個或幾個加載器對試件加載，不能完全模擬地震作用時結構實際所受的作用力分布。7.2 工程結構抗震性能試驗方法 擬動力試驗加載的設備及裝置（1）計算機 在擬動力試驗中，計算機是整個試驗系統(tǒng)的心臟，加載過程的控制和試驗數據采集都由計算機來實現(xiàn)，同時對試驗

10、結構的其他反應參數（如應變、位移等）進行演算和處理。（2）電液伺服作用器 擬動力試驗是計算機聯(lián)機試驗，作動器必須7.2 工程結構抗震性能試驗方法 具有電液伺服功能。電液伺服作動器由加載器、控制系統(tǒng)和液壓源組成，它可將力、位移、速度、加速度等物理量直接作為控制參數。由于它能較精確地模擬試件所受外力，產生真實的試驗狀態(tài)，所以在近代試驗加載技術中被用于模擬各種振動荷載，特別是地震荷載等。 （3）傳感器 擬動力試驗中一般采用電測傳感器。常用的傳7.2 工程結構抗震性能試驗方法 感器有力傳感器、位移傳感器、應變計等。力傳感器一般裝在電液伺服作動器中。 （4）試驗裝置 試驗可采用與靜力試驗或擬靜力試驗一樣

11、的臺座，試驗裝置的承載能力應大于試驗設計荷載的100%。試驗安裝時，應考慮推拉力作用時試件與臺座之間可能發(fā)生的松動。反力架與試件底部宜通過剛性拉桿連接，使之不發(fā)生相對位移。7.2 工程結構抗震性能試驗方法7.2.3 模擬地震振動臺試驗 動力試驗比靜力試驗更能反映結構在地震作用下的真實動力特征，而模擬地震的試驗更接近于結構在地震作用下的工作狀態(tài)，它是在試驗室內研究結構地震反應和破壞機理的最直接方法。這種設備具有一套先進的數據采集與處理系統(tǒng)，從而使結構動力試驗得到了很大的發(fā)展與提高，并大大促進了結構抗震研究工作的開展。模擬地震7.2 工程結構抗震性能試驗方法 振動臺試驗不僅用于檢驗結構抗震設計理論

12、、方法和計算模型準確與否，還可以用于研究過程結構動力特征、設備抗震性能以及檢驗結構抗震措施合理性等內容。振動臺能夠模擬天然地震振動，將結構模型固定在振動臺上，輸入地震波，則可以觀測和測試結構模型的振動反應和破壞過程。不過地震模擬振動臺也有其局限性，一般振動臺試驗都為模型試驗，比例較小，容易產生尺寸效7.2 工程結構抗震性能試驗方法 應，模型與原型的相似關系復雜，而且由于臺面尺寸和承載能力的限制，只能進行小比例模型的試驗，往往配重不足，不能很好地滿足相似條件，特別是進入彈塑性階段工作時，更是如此，往往會導致地震工作形態(tài)失真。如下圖為東方明珠電視塔的振動臺模型試驗。7.2 工程結構抗震性能試驗方法

13、模擬地震振動臺是再現(xiàn)各種地震波對結構進行動力試驗的一種先進試驗設備，主要由以下幾個部分組成：臺面和基礎、高壓油源和管路系統(tǒng)、電液伺服加載器、模擬控制系統(tǒng)、計算機控制系統(tǒng)和相應的數據采集處理系統(tǒng)。下圖為模擬地震振動臺系統(tǒng)示意圖：7.2 工程結構抗震性能試驗方法7.3 工程結構抗震性能的評定工程結構抗震試驗的目的，最終是對結構或結構構件進行抗震性能和抗震能力的評定。在擬靜力試驗中，確定結構構件抗震性能的主要指標為其滯回曲線和骨架曲線。 1）確定結構構件抗震性能的主要指標 （1）滯回曲線 在低周反復試驗中，加載一周所得到的荷載-位移曲線（P-曲線）稱為滯回曲線。根據恢復力7.3 工程結構抗震性能的評

14、定 特性試驗結果，滯回曲線可以歸納為4種基本情況：（a）梭形：受彎、偏壓、壓彎及不發(fā)生剪切破壞的試件。（b）弓形：有一定的滑移影響，有“捏縮”效應，多發(fā)生在剪跨比大或剪力較小又配有一定箍筋的彎剪和偏壓剪的試件。（c）反S形：有更多的滑移影響。常發(fā)生在一般和有剪刀撐的框架、梁柱節(jié)點和剪力墻。7.3 工程結構抗震性能的評定（d）Z形：有大量的滑移影響。發(fā)生在小剪跨而斜裂縫充分發(fā)展的試件。及錨固鋼筋有較大滑動的試件。許多構件，往往開始是梭形，然后發(fā)展到弓形 、反S形或最后達到Z形。后3種形式主義取決于滑移量的大小，滑移的大小將引起滯回曲線圖形性質的變化。下圖為典型的滯回曲線：7.3 工程結構抗震性能

15、的評定7.3 工程結構抗震性能的評定滯回環(huán)的面積代表試件的耗能能力。面積越大說明試件的耗能能力越強，試件的抗震性能越好。（2）骨架曲線在變位移幅值加載的低周反復試驗中，如果把荷載-位移曲線所有每次循環(huán)峰點（開始卸載點）連接起來的包絡線，就得到骨架曲線。如下圖所示：7.3 工程結構抗震性能的評定7.3 工程結構抗震性能的評定 2）骨架曲線和滯回曲線包括的幾個重要控制指標 （1）強度反映結構強度的指標有：開裂強度、屈服強度、極限荷載、破壞荷載。 （2）剛度反映結構剛度的指標有：初次加載剛度、卸載剛度、反向加載卸載剛度、重復加載剛度、等效剛度。 7.3 工程結構抗震性能的評定(3)延性延性系數是反映結構構件塑性變形能力的指標，它表示了結構構件抗震性能的好壞