第七章結(jié)構(gòu)動(dòng)力試驗(yàn)

1、第七章 結(jié)構(gòu)動(dòng)力試驗(yàn)安徽工業(yè)大學(xué)建工學(xué)院一、模擬地震振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn) 1. 概述 模擬地震振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)是結(jié)構(gòu)抗震研究的重要手段（方法）； 通過(guò)振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)，研究新型結(jié)構(gòu)計(jì)算理論， 有助于力學(xué)計(jì)算模型的建立。 地震對(duì)結(jié)構(gòu)的作用是由于地面運(yùn)動(dòng)而引起的一種慣性力，通過(guò)振動(dòng)臺(tái)對(duì)結(jié)構(gòu)輸入正弦波或地震波，可以再現(xiàn)各種形式地震波輸入后的結(jié)構(gòu)反應(yīng)和地震震害發(fā)生的過(guò)程，觀測(cè)試驗(yàn)結(jié)構(gòu)在相應(yīng)各個(gè)階段的力學(xué)性能，進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)分析，使人們對(duì)地震破壞作用進(jìn)行深入的研究；一、模擬地震振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn) 2. 試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷幕疽?模型結(jié)構(gòu)應(yīng)與原型結(jié)構(gòu)的幾何相似； 應(yīng)采用與實(shí)際結(jié)構(gòu)性能相近的材料制作模型； 振動(dòng)臺(tái)上進(jìn)行模型試驗(yàn)，由于振動(dòng)臺(tái)面

2、尺寸限制，一般采用縮尺模型來(lái)進(jìn)行試驗(yàn)； 試驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵聪嗨评碚摽紤]模型的設(shè)計(jì)問(wèn)題，要使原型與模型保持相似，兩者必須在時(shí)間、空間、物理、邊界和運(yùn)動(dòng)條件等各方面都滿足相似條件的要求； 振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭谱鞴に噾?yīng)嚴(yán)格要求。一、模擬地震振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn) 3. 加載過(guò)程及試驗(yàn)方法 在模擬地震振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)前，要重視加載過(guò)程的設(shè)計(jì)及試驗(yàn)方法的制定，不適當(dāng)?shù)募虞d設(shè)計(jì)，可能會(huì)使試驗(yàn)結(jié)果與試驗(yàn)?zāi)康南嗖钌踹h(yuǎn)； 所選荷載過(guò)大，試件可能會(huì)很快進(jìn)入塑性階段乃至破壞倒塌，難以完整地量測(cè)到結(jié)構(gòu)彈性和塑性階段的全過(guò)程數(shù)據(jù)，甚至發(fā)生安全事故； 所選荷載過(guò)小，可能無(wú)法達(dá)到預(yù)期的試驗(yàn)效果，產(chǎn)生不必要的重復(fù)試驗(yàn)，且多次重復(fù)試驗(yàn)對(duì)試件會(huì)產(chǎn)生損傷積累

3、，因此，為獲得系統(tǒng)的試驗(yàn)資料，必須周密地設(shè)計(jì)加載程序。一、模擬地震振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn) 3. 加載過(guò)程及試驗(yàn)方法加載程序的基本要求：加載程序的基本要求：（1）振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面輸出能力的選擇 主要考慮振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面輸出的頻率范圍、最大位移、速度和加 速度、臺(tái)面承載力等性能，在試驗(yàn)前應(yīng)認(rèn)真核查振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面特 性曲線是否滿足試驗(yàn)要求。（2）輸入地震波 為了真實(shí)模擬地震時(shí)地面運(yùn)動(dòng)，對(duì)輸入給振動(dòng)臺(tái)的波形有一 定的要求： 1）要選擇適當(dāng)?shù)牡卣鹩涗浕蛉斯さ卣鸩?，使其占主?dǎo)分量的 周期與結(jié)構(gòu)周期相似。這樣能使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生多次瞬時(shí)共振，從而得 到清晰的變化和破壞形式；一、模擬地震振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn) 3. 加載過(guò)程及試驗(yàn)方法加載程序的基本要求：加

4、載程序的基本要求：（2）輸入地震波 2）選擇與之相適應(yīng)的場(chǎng)地土地震記錄，使選擇的地震記錄的頻譜特性盡可能與場(chǎng)地土的頻譜特性相一致，并應(yīng)考慮地震烈度和震中距離的影響； 3）常見(jiàn)輸入波有下面幾種： 強(qiáng)震實(shí)測(cè)記錄，在這方面國(guó)內(nèi)外都已取得一些較完整 記錄可供試驗(yàn)選用； 按需要的地質(zhì)條件或參照相近的地震記錄，做出人工 地震波； 按規(guī)范的譜值構(gòu)造人工地震波，這主要用于檢驗(yàn)性試 驗(yàn)。一、模擬地震振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn) 3. 加載過(guò)程及試驗(yàn)方法加載過(guò)程加載過(guò)程 根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康牡牟煌?，在選擇和設(shè)計(jì)臺(tái)面輸入加速度時(shí)程曲線后，試驗(yàn)的加載過(guò)程可選擇一次性加載及多次加載等不同的方案。 （1）一次性加載 一次性加載就是在一次加載過(guò)程中

5、，完成結(jié)構(gòu)從彈性到彈 塑性直至破壞階段的全過(guò)程； 按在試驗(yàn)過(guò)程中，連續(xù)記錄結(jié)構(gòu)的位移、速度、加速度及 應(yīng)變等輸出信號(hào)，并觀察記錄結(jié)構(gòu)的裂縫形成和發(fā)展過(guò) 程， 從而研究結(jié)構(gòu)在彈性、彈塑性及破壞階段的各種性能，如剛度 變化、能量吸收等，并且還可以從結(jié)構(gòu)反應(yīng)來(lái)確定結(jié)構(gòu)各個(gè)階 段的周期和阻尼比；一、模擬地震振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn) 3. 加載過(guò)程及試驗(yàn)方法加載過(guò)程加載過(guò)程 （1）一次性加載（2）多次加載 主要特點(diǎn)是能較好地連續(xù)模擬結(jié)構(gòu)在一次強(qiáng)烈地震中的整 個(gè)表現(xiàn)及反應(yīng)，但因?yàn)槭窃谡駝?dòng)臺(tái)臺(tái)面運(yùn)動(dòng)的情況下對(duì)結(jié) 構(gòu)進(jìn)行量測(cè)和觀察，測(cè)試的難度較大。 與一次性加載方法相比，多次加載法是目前模擬地震振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)中比較常用的試驗(yàn)方

6、法一、模擬地震振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn) 3. 加載過(guò)程及試驗(yàn)方法加載過(guò)程加載過(guò)程 （2）多次加載步驟 進(jìn)行模型結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性試驗(yàn)，測(cè)定結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性； 給臺(tái)面輸入運(yùn)動(dòng)，使結(jié)構(gòu)薄弱部位產(chǎn)生微裂； 加大輸入運(yùn)動(dòng)，使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生中等裂縫； 增大輸入運(yùn)動(dòng)，使結(jié)構(gòu)主要部位產(chǎn)生破壞； 給再增大輸入運(yùn)動(dòng)，使結(jié)構(gòu)變?yōu)闄C(jī)動(dòng)體系，稍加荷載就 會(huì)發(fā)生倒塌。各個(gè)加載階段的周期、阻尼、振型、剛度退化、能量吸收能力及滯回反應(yīng)等特性一、模擬地震振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn) 4. 量測(cè)方案 一般需觀測(cè)結(jié)構(gòu)的位移、加速度、應(yīng)變反應(yīng)、結(jié)構(gòu)的開(kāi)裂部位、裂縫的發(fā)展、結(jié)構(gòu)的破壞部位和破壞形式等； 位移和加速度測(cè)點(diǎn)一般布置在產(chǎn)生最大位移或加速度的部位，對(duì)于整體結(jié)構(gòu)的房屋模型

7、試驗(yàn)，則在主要樓面和頂層高度的位置上布置位移和加速度傳感器； 結(jié)構(gòu)構(gòu)件的主要受力部位和截面，應(yīng)測(cè)量鋼筋和混凝土的應(yīng)變、鋼筋和混凝土的粘結(jié)滑移等參數(shù)； 測(cè)量層間位移時(shí)，應(yīng)在相鄰兩樓層布置位移或加速度傳感器，將加速度傳感器測(cè)到的信號(hào)，通過(guò)二次積分即可轉(zhuǎn)化為位移信號(hào)； 測(cè)得的位移、加速度和應(yīng)變傳感器的所有信號(hào)被連續(xù)輸入計(jì)算機(jī)或?qū)Ｓ脭?shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理，試驗(yàn)結(jié)果可由計(jì)算機(jī)終端顯示或利用繪圖儀、打印機(jī)等外圍設(shè)備輸出。一、模擬地震振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn) 5. 安全措施 （2）試件與振動(dòng)臺(tái)的安裝應(yīng)牢固，對(duì)安裝螺栓的強(qiáng)度和剛度 應(yīng)進(jìn)行驗(yàn)算； （1）試件設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)進(jìn)行吊裝驗(yàn)算，避免試件在吊裝過(guò)程中發(fā) 生破壞； （3

8、）試驗(yàn)人員在上下振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面時(shí)應(yīng)注意臺(tái)面和基坑地面之 間的間隙，防止發(fā)生墜人或摔傷事故； （4）傳感器應(yīng)與試件牢固連接，并應(yīng)采取預(yù)防掉落的措施， 避免因振動(dòng)引起傳感器掉落或損壞； （5）有可能發(fā)生倒塌的試件，應(yīng)在振動(dòng)臺(tái)四周鋪設(shè)軟墊，并利用吊車通過(guò)繩索或鋼絲繩進(jìn)行防護(hù)，防止試件倒塌時(shí)損壞振動(dòng)臺(tái)和周圍設(shè)備，進(jìn)行倒塌試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)將傳感器全都拆除，同時(shí)認(rèn)真做好攝像記錄工作； （6）試驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)做好警戒標(biāo)志，振動(dòng)臺(tái)開(kāi)啟和振動(dòng)過(guò)程中 任何人不得進(jìn)入試驗(yàn)區(qū)。二、結(jié)構(gòu)疲勞試驗(yàn) 1. 概述 結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在重復(fù)荷載作用下達(dá)到破壞時(shí)的應(yīng)力比其靜力強(qiáng)度要低得多，這種現(xiàn)象稱為疲勞； 工程結(jié)構(gòu)中存在著許多疲勞現(xiàn)象，如吊車梁，承

9、受懸掛吊車作用的屋架等；結(jié)構(gòu)疲勞試驗(yàn)的目的就是要了解在重復(fù)荷載作用下結(jié)構(gòu)的性能及變化規(guī)律； 疲勞問(wèn)題涉及的范圍比較廣，對(duì)某一種結(jié)構(gòu)而言，它包含材料的疲勞和結(jié)構(gòu)構(gòu)件的疲勞。二、結(jié)構(gòu)疲勞試驗(yàn) 2. 測(cè)試內(nèi)容 對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的疲勞試驗(yàn)大多采用等幅勻速脈動(dòng)荷載，借以模擬結(jié)構(gòu)構(gòu)件在使用階段不斷反復(fù)加載和卸載的受力狀態(tài)； 結(jié)構(gòu)構(gòu)件疲勞試驗(yàn)一般均在專門的疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，大部分采用電液伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)或電磁脈沖千斤頂施加重復(fù)或反復(fù)荷載，也有采用偏心輪式振動(dòng)設(shè)備加載；檢驗(yàn)性疲勞試驗(yàn)主要測(cè)試抗裂性、開(kāi)裂荷載、裂縫寬度及其發(fā)展、最大撓度及其變化規(guī)律以及疲勞強(qiáng)度和疲勞壽命研究性的疲勞試驗(yàn)各階段截面應(yīng)力分布狀況、中和軸變化

10、規(guī)律、抗裂性及開(kāi)裂荷載、裂縫及其發(fā)展情況、最大撓度及其變化規(guī)律、疲勞強(qiáng)度以及疲勞破壞特征分析技術(shù)性能指標(biāo)（單脈動(dòng)、對(duì)稱）二、結(jié)構(gòu)疲勞試驗(yàn) 3. 疲勞試驗(yàn)荷載疲勞試驗(yàn)荷載取值疲勞試驗(yàn)荷載取值疲勞試驗(yàn)荷載頻率疲勞試驗(yàn)荷載頻率 疲勞試驗(yàn)的上限荷載Q max是根據(jù)構(gòu)件在最大標(biāo)準(zhǔn)荷載最不利組合下產(chǎn)生的效應(yīng)值計(jì)算而得；荷載下限Q min是根據(jù)疲勞試驗(yàn)設(shè)備的要求而定，通常不低于Q max的3。 荷載頻率是指單位時(shí)間內(nèi)重復(fù)作用的次數(shù)，影響材料的塑性變形和徐變；目前，國(guó)內(nèi)外尚無(wú)統(tǒng)一的頻率規(guī)定，主要依據(jù)疲勞試驗(yàn)機(jī)的性能而定，一般而言，取值不宜過(guò)高； 荷載頻率不應(yīng)使構(gòu)件及荷載架發(fā)生共振，同時(shí)應(yīng)使構(gòu)件在試驗(yàn)時(shí)與實(shí)際工

11、作時(shí)的受力狀態(tài)一致，為此荷載頻率與構(gòu)件自振頻率之比應(yīng)滿足小于0.5或大于1.3。 二、結(jié)構(gòu)疲勞試驗(yàn) 3. 疲勞試驗(yàn)荷載疲勞試驗(yàn)控制次數(shù)疲勞試驗(yàn)控制次數(shù) 構(gòu)件經(jīng)受下列控制次數(shù)的疲勞荷載作用后，抗裂性（即縫寬度）、剛度、承載力必須滿足現(xiàn)行規(guī)范中有關(guān)規(guī)定。中級(jí)工作制吊車梁：n=2106次重級(jí)工作制吊車梁：n=4106次二、結(jié)構(gòu)疲勞試驗(yàn) 4. 加載方法試驗(yàn)的主要過(guò)程試驗(yàn)的主要過(guò)程(1) (1) 預(yù)加靜載試驗(yàn)預(yù)加靜載試驗(yàn) 對(duì)構(gòu)件施加不大于上限荷載20的預(yù)加靜載12次，消除松動(dòng)及接觸不良，并使儀表運(yùn)動(dòng)正常;(2) (2) 正式疲勞試驗(yàn)正式疲勞試驗(yàn) 先做疲勞前的靜載試驗(yàn)(對(duì)比構(gòu)件經(jīng)受反復(fù)荷載后受力性能有何變

12、化),荷載分級(jí)加到疲勞上限荷載; 再進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，首先調(diào)節(jié)疲勞機(jī)上下限荷載，待示值穩(wěn)定后讀取第一次動(dòng)載讀數(shù)，以后每隔一定次數(shù)讀取數(shù)據(jù)。二、結(jié)構(gòu)疲勞試驗(yàn) 4. 加載方法試驗(yàn)的主要過(guò)程試驗(yàn)的主要過(guò)程(2) (2) 正式疲勞試驗(yàn)正式疲勞試驗(yàn) 最后做破壞試驗(yàn)，達(dá)到要求的疲勞次數(shù)后進(jìn)行破壞試驗(yàn)有兩種情況： 一種是繼續(xù)施加疲勞荷載直至破壞，得了承受疲勞荷載的次數(shù)； 另一種是作靜載破壞試驗(yàn)，荷載分級(jí)可以加大。二、結(jié)構(gòu)疲勞試驗(yàn) 5. 測(cè)試內(nèi)容疲勞強(qiáng)度疲勞強(qiáng)度 疲勞試驗(yàn)的測(cè)試內(nèi)容與靜力試驗(yàn)中的觀測(cè)內(nèi)容基本相同，主要包括構(gòu)件的變形、應(yīng)變分布及裂縫變化； 與常規(guī)靜載試驗(yàn)不同之處，疲勞試驗(yàn)所獲取的數(shù)據(jù)一般都是以荷載相同為前提條件，測(cè)試數(shù)據(jù)隨循環(huán)次數(shù)的變化反映出結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的性能變化即結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的疲勞性能。 結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度與應(yīng)力幅和循環(huán)次數(shù)有關(guān)，當(dāng)循環(huán)應(yīng)力小于某一值時(shí)，荷載重復(fù)次數(shù)增加不會(huì)引起疲勞現(xiàn)象，而大于該值，則會(huì)產(chǎn)生疲勞破壞，此應(yīng)力值稱為疲勞強(qiáng)度。二、結(jié)構(gòu)疲勞試驗(yàn) 5. 測(cè)試內(nèi)容應(yīng)變測(cè)量應(yīng)變測(cè)量 一般采用電阻應(yīng)變片測(cè)量動(dòng)應(yīng)變，測(cè)點(diǎn)布置依試驗(yàn)的具體要求而定。裂縫測(cè)量裂縫測(cè)量 裂逢的開(kāi)始出現(xiàn)和微裂縫的寬度對(duì)構(gòu)件安全使用具有重要意義，因此，疲勞試驗(yàn)中的裂縫測(cè)量也非常重要，目前測(cè)裂縫的方法主要是利用光學(xué)儀器、目測(cè)、應(yīng)變傳感器電測(cè)裂縫。撓