結(jié)構(gòu)動力特性分析

1、第一節(jié)結(jié)構(gòu)抗震試驗方法簡介結(jié)構(gòu)抗震試驗的主要任務(wù)是構(gòu)件或結(jié)構(gòu)的動力破壞機理與破壞特征，確定結(jié)構(gòu)的動力特性，為結(jié)構(gòu)的動力理論模型提供基礎(chǔ)。結(jié)構(gòu)試驗主要類型有：自振特性試驗、性反復(fù)靜力加載試驗、振動臺試驗和擬動力試驗。第一節(jié)結(jié)構(gòu)抗震試驗方法簡介（續(xù)一）一、自振特性試驗二、期性反復(fù)靜力加載試驗三、振動臺試驗四、擬動力試驗一、自振特性試驗自振特性試驗以獲取或確定結(jié)構(gòu)的自振周期、振型和阻尼為目的。實用的方法通常有三種:1. 自由振動法厶共振法3. 脈動法。jgajgiWWMimaiMBIIfc：-1-»>動力特片生唄！J定1、自由振動法自由振動法利用阻尼振動衰減原理求取自振特性。該法借助

2、一定的張拉釋放裝置或反沖激振器使結(jié)構(gòu)在一定的初位移（或初速度）狀態(tài)下開始自由衰減振動f通過記錄振動衰減曲線f便可利用動力學(xué)理論求出自振周期。自振衰減曲線上兩個相鄰波峰之間即等于結(jié)構(gòu)自振周期。2020/3/1831、自由振動法自由振動衰減量測系統(tǒng)有阻尼自由振動的運動方程:x(t)=xmettsin(m+cp自由振動時間歷程曲線In-=rfT.弘+1'V一衰減系數(shù)振頻率："丄In厶.2=丄心T簽+i'32”乞hi了一阻尼比Li滬iirL»<即基本周期的倒數(shù)。2020/3/182、共振法共振法采用能產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)簡諧振動的起振機或激振器作為振源。實驗時，把激振器安

3、裝在結(jié)構(gòu)適當(dāng)位置，當(dāng)逐漸加大激振器的輸出力量時，可以迫使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生周期性的強迫振動。在一定輸出力量下，逐漸改變激振器的激振頻率,則可促成結(jié)構(gòu)的共振反應(yīng)。通過測量結(jié)構(gòu)振動反應(yīng)的幅值，可以得到共振曲線和振型曲線。1T通過對共振曲線的分析，可以獲得結(jié)構(gòu)的自振頻凰阻尼比一一一一72020,2.共振法（振動荷載法）共振法測量原理框圖2020/3/188參數(shù)測定共振時的振動圖形牙口共振曲線衰減系數(shù)：_CD7/=-22020/3/18cr；c<<r;弊4由共振曲線求阻尼系數(shù)和阻尼比阻尼比：吧9用共振法測建筑物振型2020/3/18103.脈動法脈動：由于人為活動弄口自然環(huán)境的影響，建筑物在一般情況

4、下都經(jīng)常產(chǎn)生微幅振動（振動以微米計）O這種微幅振動稱之為建筑物的脈動。脈動法：是通過測量建筑物的脈動反應(yīng)波形來確定建筑物的動力特性。脈動信號的功率譜峰值對應(yīng)著結(jié)構(gòu)的固有頻率。二、周期性反復(fù)靜力加載試驗擬靜力試驗:周期性加載是指按一定的力或位移周期性地反復(fù)或重復(fù)加載。擬靜力試驗始于50年代后期.為確定構(gòu)件和結(jié)構(gòu)的恢復(fù)力模型進行的。根據(jù)試驗所得的荷載位移關(guān)系曲線反映結(jié)構(gòu)耗能能力的強弱f觀察并研究結(jié)構(gòu)破壞機理。擬靜力試驗加載試驗裝置的基本組成部分為:反力裝置加載器，試驗臺座。Iay舉舷備厶z、期性反復(fù)靜力加載試驗1.靜力試驗加載制度的分類(1)單向反復(fù)加載1) 控制位移加載法又可分為變幅加載、等幅加

5、載和變幅等幅混合加載等方法。a.變幅加載控制位移的變幅加載如圖8/(a)所示o142020/3/1815(b)控制作用力“14(a)控制位移二%圖直1偽證力試驗低周反復(fù)加載制度b. 等幅加載控制位移的等幅加載如圖8-2所示:c. 變幅等幅混合加載等幅兩種加載制度結(jié)合起來，如混合加載制度是將變幅、圖8-3所示。圖82控制位移的等幅加載制度圖圖83控制位移的變幅等幅混合加載制度三、振動臺試驗2) 控制作用力加載法控制作用力的加載制度如圖8-1(b)所示。3) 控制作用力和控制位移的混合加載法混合加載法是先控制作用力，一直加到屈服荷載，再用位移控制。從轉(zhuǎn)變?yōu)榭刂莆灰萍虞d起，即按屈服位移值的倍數(shù)卩值控

6、制，直到結(jié)構(gòu)破壞。60年代末，先后在日本、美國開展振動臺的研制和試驗。我國在6070年代f建造部分側(cè)重于進行正弦波振動試驗的振動臺80年代建造了一批大、中型地震模擬振動臺試驗?zāi)康模毫私饨Y(jié)構(gòu)抗震性能.破壞機制.驗證計算模型的正確性振動臺組成:臺體、激振器.控制系統(tǒng)、測量記錄系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等部分。2020/3/1817tfi翻岬iiiiiiriiiiiHiijfiiiiiiifiiiiiiiiiiiiiifiiiiiiiIflHIIIIIIIIIIIHflllllllllllllfllllHIIIIIIHIIIIIIIIIIIIIIIIIhiiiiiiiiiiihiHIIIIII交通銀行大廈振動

7、臺試驗18:、振動臺試驗r試驗四個過程:結(jié)構(gòu)自振特性的標(biāo)定.線性階段的試驗.非線性階段的試驗和極限破壞試驗。技術(shù)難點在于如何處理試驗?zāi)Ｐ团c原型的相似關(guān)系問題。一般采取增加附加質(zhì)量的方法來滿足密度相似要求。192020/3/18四、擬動力試驗擬動力試驗（又稱為偽動力試驗或計算機加載器聯(lián)機試驗）即是指計算機與試驗機聯(lián)機對試件進行加載試驗。擬動力試驗：把電液伺服試驗裝置與計算機控制系統(tǒng)結(jié)合起來利用加載試驗給出結(jié)構(gòu)恢復(fù)力的實際數(shù)據(jù)利用計算機數(shù)值分析技術(shù)給出加載試驗的逐步控制數(shù)據(jù),為原型結(jié)構(gòu)模擬地震試驗。2020/3/#20圖5.11擬動力試驗流程圖rr丁rIVRVJam-wVra«z*

8、87;-WVBkMSH-r*一-i«-一*Lg亠cm11*1墓j二盜W匚二l二二m擬動力試驗輸入地面運動加速度,計算下一步的位移值，位移值的轉(zhuǎn)換,量測恢復(fù)力及位移值,由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)處理和反應(yīng)分析。整個試驗工作的流程是連續(xù)循環(huán)進行的,全部由計算機自動控制操作。擬動力試驗具有以下特點:擬動力試驗在整個數(shù)值分析過程中不需要對結(jié)構(gòu)的恢復(fù)力特性作任何假設(shè),這對于分析非線性的系統(tǒng)性能特別有利。21四、擬動力試驗地震模擬振動臺試驗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，且彼此配重不足,不能很好滿足相似條件，特別是進入彈塑性階段工作時,更不可能滿足相似條件,導(dǎo)致地震作用破壞形

9、態(tài)失真;擬靜力試驗只能得到構(gòu)件或結(jié)構(gòu)在反復(fù)荷載作用下的恢復(fù)力滯回特性,不能得到結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)全過程;而擬動力試驗則是加載試驗技術(shù)與計算機技術(shù)相結(jié)合的當(dāng)代先進的抗震試驗方法z可以進行大比例模型或足尺結(jié)構(gòu)抗震試驗,可慢速再現(xiàn)結(jié)構(gòu)在地震作用下的彈性一彈塑性一倒塌全過程反應(yīng),這是具有廣泛發(fā)展前途的抗震試驗方法。第二節(jié)動力性能的一般特性一、動力彈性模量與動力極限強度二、恢復(fù)力曲線三、強度退化與剛度退化四、裂面效應(yīng)與包興格效應(yīng)一、動力彈性模量與動力極限強度結(jié)構(gòu)材料承受動荷載時的性能與承受靜荷載時的性能往往有較大的差別。動力彈性模量高于靜力彈性模量。動力極限強度也高于靜力極限強度。二、恢復(fù)力曲線曲線：結(jié)構(gòu)或構(gòu)

10、件在茱融用下得到的=11圖5rr恢復(fù)力曲線骨架曲線：滯回曲線的外包絡(luò)線。多數(shù)情況中,骨架曲線與單調(diào)加載的力變形曲線基本一致?；謴?fù)力曲線：滯回曲線與骨架曲線合稱為恢復(fù)力曲線,它表示構(gòu)件或結(jié)構(gòu)的變形履歷過程。2020/3/1825二、恢復(fù)力曲線圖5.18重復(fù)加荷下的應(yīng)力應(yīng)變曲線恢復(fù)力代表構(gòu)件或結(jié)構(gòu)在外荷載去除后恢復(fù)原來形狀的能力。循環(huán)往復(fù)加載：正向加載八卸載-反向加載八反向卸載"再正向加載重復(fù)加載：加載-卸載"再加載2020/3/1826三、強度退化與剛度退化2020/3/1827在循環(huán)往復(fù)荷載作用下<當(dāng)保持相同的峰點位移時，常常出現(xiàn)峰值荷載隨循環(huán)次數(shù)增多而降低的現(xiàn)象&g

11、t;稱作強度退化。p.度退化三、強度退化與剛度退化當(dāng)保持相同的峰值荷載時峰點位移往往隨循環(huán)次數(shù)增加而增加稱作剛度退化。退化性質(zhì)反映結(jié)構(gòu)累積損傷的影響是結(jié)構(gòu)動力性能的重要特性之一。一（b）刖度退化2020/3/1828圖5.21混凝土裂面?zhèn)鲌R效應(yīng)四、裂面效應(yīng)與包興格效應(yīng)裂面效應(yīng)即裂面接觸效應(yīng)也就是在反復(fù)荷載下的鋼混材料,開裂的腔再受壓時,具有裂面局部接觸以傳遞壓力的效應(yīng)。造成裂面效應(yīng)的根本原因是在裂面重新受壓時,骨料咬合作用使裂縫在完全閉合之前就已傳遞較大的壓力。試驗指出,裂縫越竟,裂面接觸效應(yīng)越顯著。裂面效應(yīng)與包興格效應(yīng)循環(huán)往復(fù)加荷荷載變位曲線的另一特點是屈服后反向加載時應(yīng)力可能明顯降低<

12、;這一現(xiàn)象稱之為包興格效應(yīng)。圖5.22包興格效應(yīng)2020/3/1830第三節(jié)基本構(gòu)件的動力特性一、鋼筋混凝土構(gòu)件二、鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件三、砌體構(gòu)件、鋼筋混凝土構(gòu)件1、受彎構(gòu)件；2、壓彎構(gòu)件；3、受扭構(gòu)件；4、梁-柱節(jié)點;2020/3/18315、剪力墻;1、受彎構(gòu)件受彎構(gòu)件：受彎構(gòu)件是指沒有軸力影響,且以彎矩作用為主的梁式構(gòu)件。在循環(huán)往復(fù)荷載下的破壞屬于纖維性破壞,即受拉鋼筋超過屈服應(yīng)力后受壓鋼筋壓曲而破壞,因此,構(gòu)件具有較大的延性。對比試驗表明,對稱配筋梁具有較好的延性,耗能能力亦較非對稱配筋梁好。加密箍筋可以増加耗能能力但不能完全消除捏攏現(xiàn)象。1訂1=J1Br“：Vfk_nU_丁Hp/耳T.L.d

13、lu.金匚71、受彎構(gòu)件-鋼筋屈服前,循環(huán)往復(fù)荷載下梁的骨架曲線與單調(diào)EF3加荷時梁的力變形曲線基本重合,滯回環(huán)基本呈穩(wěn)定的梭形,剛度與強度退化均較小。而在鋼筋屈服以后,由于鋼筋的包興格效應(yīng)、混凝土裂縫的開張與閉合、鋼筋與混凝土之間粘結(jié)力的破壞,滯曲線將出現(xiàn)"捏攏"現(xiàn)象，同時，剛度退化現(xiàn)象亦漸趨明顯。-1001圖5貂受彎構(gòu)件典型恢復(fù)力曲線1、受彎構(gòu)件剪力的存在不利于受彎構(gòu)件覆好地發(fā)揮抗震性能。圖<4TTL(a) 剪力相對較小,滯回曲線基本呈"梭形,圖(b) 剪力較大,滯回環(huán)呈現(xiàn)顯著的"捏攏現(xiàn)象,耗能能力明顯降低。(b)2、壓彎構(gòu)件壓彎構(gòu)件主要模擬框

14、架或排架柱的受力情況。由于軸力的存在,使構(gòu)件延性降低,耗能能力減小。在無軸力情況下,滯回環(huán)最為豐滿,隨著軸壓比的提高,滯回環(huán)呈捏攏現(xiàn)象,最終成為所謂"弓形"的滯回曲線。202C圖525壓彎構(gòu)件的滯回曲線36鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件1、梁與柱2、梁一柱節(jié)點連接3、梁一柱節(jié)點域4、支撐2020/3/1837.十十卜1、梁與柱鋼是一種良好的抗震材料，然而這種說法是有條件的，在循環(huán)往復(fù)荷載作用下整體或局部的失穩(wěn)與低周疲勞斷裂都有可能導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件出現(xiàn)非延性破壞。2021FCtN)PA(mi>10HO382、梁一柱節(jié)點連接!rJ»r鋼結(jié)構(gòu)的梁一柱節(jié)點連接，有全焊接、翼板焊接、腹板螺

15、栓連接和全螺栓連接等諸多形式。良好的焊接節(jié)點（包括翼板焊接、腹板螺栓連接節(jié)點）具有穩(wěn)定的滯回性2020/3/18圖5飛4梁節(jié)點連接的滯回曲線39能，而螺栓連接節(jié)點則可能因螺栓的滑動使滯回環(huán)呈滑移形式。3、梁一柱節(jié)點域ID鋼框架中的梁一柱節(jié)點域在梁不平衡彎矩和柱端剪力作用下，會產(chǎn)生較大的剪切變形，對結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形均有較大影響。滿足局部穩(wěn)定條件的梁一柱節(jié)點域具有飽滿、穩(wěn)定的滯回曲線。（町節(jié)點域變形滯回曲線圖5箔梁-柱節(jié)點域的變形及滯回曲線單件支撐在不同變形幅度下的循環(huán)往復(fù)試驗滯回曲線典型情況如圖。這一發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致人們曾試圖將兩個交叉支撐視為兩個單桿支撐,利用單桿支撐的滯回性質(zhì)來集合交叉支撐的滯回性質(zhì)

16、。但后來的研究表明,這種近似難以反應(yīng)兩支撐間的相互作用影響。2020/3/18IFrAhtux，itwrWmLMCk列拉力列壓力2）蕨型的滯回環(huán)41第四節(jié)整體結(jié)構(gòu)的動力性能、周期與阻尼二、內(nèi)力重分布與變形集中、雙向地震作用扭轉(zhuǎn)反應(yīng)2020/3/18#期與阻尼對建筑物進行大規(guī)模的自振特性的觀測，積累了數(shù)以千計的試驗數(shù)據(jù)，得到經(jīng)驗公式，按我國試驗數(shù)據(jù)總結(jié)的常見結(jié)構(gòu)基本周期計算公式。表52?，F(xiàn)塔構(gòu)墓本周期經(jīng)蟹公式序號試驗樣本數(shù)帚經(jīng)除公式!備法B1多層磚石房屋86T=0,168(H+1.2)H為房屋高度，下同2鋼混單層廠房.83T橫=.37+0.000tWH3)眇為經(jīng)驗系數(shù)66丁詼=他(0.18+Q.

17、00019卩上"fiP)1L為廠房跨度3框架結(jié)構(gòu)房屋!160T=0.33+O.OOft69H7BE為房屋寬度，卜冏4剪力墻結(jié)掏房屋80T=0.D4+0.038H/4/F5框架工業(yè)廠房62T=0.254-Q.00015H2*74/B6磚煙囪29T=0.26+O,OO24fiP/DD溝煙囪筒身+育度處截面外玄徑，下同7鋼筋混凝土煙囪39T0.45+0.00UH7D適用于高度低于150陽范圍，一;亠、周期與阻丿結(jié)構(gòu)自振周期的大小與結(jié)構(gòu)的變形階段密切相關(guān)。上述經(jīng)驗結(jié)果一般是指在彈性變形狀態(tài)下的值。在非線性變形狀態(tài)下，結(jié)構(gòu)自振周期是一個變量。帶構(gòu)造柱多層磚房試驗結(jié)果說明，開裂后，結(jié)構(gòu)第一頻率下

18、降約一半，相當(dāng)于結(jié)構(gòu)剛度降低4倍；開裂后，較高振型振動所消耗能量顯著增加。圖5.38豬體結(jié)構(gòu)開裂詢后頻譜孌化-二、內(nèi)力重分布與變形集中在循環(huán)往復(fù)荷載作用下，由于荷載的反向作用和結(jié)構(gòu)內(nèi)部的累積，使內(nèi)力重分布規(guī)律更趨復(fù)雜而不易掌握。鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的彈塑性性能及破壞機理,除與其基本構(gòu)件的恢復(fù)力特性密切關(guān)系外，還與結(jié)構(gòu)中塑性較形成的過程有重要關(guān)系O在框架結(jié)構(gòu)首先出現(xiàn)梁塑性較后，若能使框架在內(nèi)力重分配中依次較均勻地出現(xiàn)塑性較，則框架結(jié)構(gòu)將具有最好的延性。2020/3/1845塑性餃的形成是非線性變形在構(gòu)件一小區(qū)段內(nèi)地集中,與之類似,整體結(jié)構(gòu)層間屈服會造成菲線性變形在該層的集中。在地震中,結(jié)構(gòu)將首先在

19、薄弱層發(fā)生破壞。由于結(jié)構(gòu)內(nèi)力重分布的作用,結(jié)構(gòu)累積損傷效應(yīng).結(jié)構(gòu)振動內(nèi)力傳播的特點等因素的綜合影響,這種薄弱層的破壞將迅速惡化,形成非線性變形集中于這一層或幾層的不利情況。試驗表明,在彈性變形階段變形較大的層在彈塑性階段不一定變形最大。說明彈塑性變形的集中不僅與層間剛度有關(guān),還與層間強度密切相關(guān)。2020/3/1847三、雙向地震作用雙向地震作用：相互垂直的兩個水平方向或水平向與豎向兩種情況。在雙向地震作用下，結(jié)構(gòu)構(gòu)件存在著強度相互作用影響和剛度相互作用影響，將使結(jié)構(gòu)在雙向地震作用下的反應(yīng)增大。試驗指出，雙向地震波對非對稱結(jié)構(gòu)位移反應(yīng)的影響較對稱結(jié)構(gòu)大；雙向地震波對框架柱的局部屈曲有不利的影響

20、。理論分析表明，雙向地震作用對彈塑性層間相對位移的影響比對樓層位移反應(yīng)的影響大;對結(jié)構(gòu)下層的影響比對結(jié)構(gòu)上層的影響大。2020/3/1847；L»4-*-«w.r«“r廠:rJllkAIU*I*1riBr-W-i.VMliflMMMMM'UMKMWWi1MMMMto四、扭轉(zhuǎn)反應(yīng)實際工程中，存在結(jié)構(gòu)質(zhì)心與剛心不重合的結(jié)構(gòu)物。震害調(diào)查表明，這種結(jié)構(gòu)特征使地震中的扭轉(zhuǎn)破壞現(xiàn)象十分突出。試驗發(fā)現(xiàn)，偏心結(jié)構(gòu)在雙向地震作用下的扭轉(zhuǎn)反應(yīng)突出而且明顯，角部破壞嚴(yán)重，邊墻首先開裂，墻體塌落自外向內(nèi)發(fā)展是扭轉(zhuǎn)反應(yīng)的典型表現(xiàn)。一般規(guī)律：在結(jié)構(gòu)的初始損傷階段，扭轉(zhuǎn)反應(yīng)隨結(jié)構(gòu)損傷的

21、發(fā)展而增加，而在結(jié)構(gòu)進入到接近或超過層間屈服的嚴(yán)重?fù)p傷階段，扭轉(zhuǎn)反應(yīng)又趨于降低。第五節(jié)恢復(fù)力曲線模型一、恢復(fù)力曲線的實驗擬合法二、幾個重要的恢復(fù)力曲線模型2020/3/1849、恢復(fù)力曲線的實驗擬合法實驗擬合法是根據(jù)實驗散點圖，利用一定的數(shù)學(xué)模型，定量地確定出架曲和不同控制變形下的，然后將骨架曲線和各標(biāo)準(zhǔn)滯回環(huán)結(jié)合起來組成恢復(fù)力,并利用不同控制變形下的標(biāo)準(zhǔn)滯回環(huán)相比較確定反復(fù)加荷時的退化規(guī)律。實驗擬合法所依據(jù)的背景一般是周期性的擬靜力試驗。51ATI1、骨架曲線釆用無量綱坐標(biāo)，將實驗數(shù)據(jù)點在"ZP、圖上。這里,P、分別表示屈服變形和屈服荷載。從圖上可見，屈服之前，軸力對骨架曲線的影響

22、不大；在A點，實驗點的趨勢有一明顯轉(zhuǎn)折；屈服之后，離散性較大，總的趨勢是隨軸力的增加，延性段逐漸減小，下降段斜率逐漸增加。于是折線來表示骨架曲線。2、標(biāo)準(zhǔn)滯回環(huán)與上述做法類似，可以得到近屈服點和近極限點處的兩種標(biāo)準(zhǔn)滯回環(huán)。(a)因5.45典型滯回環(huán)驗扌13、剛度退化規(guī)律以屈服滯回環(huán)的剛度為冷，以極限滯回環(huán)的剛度為Ku,則退化剛度妁可表示為：/、（1刃氏）心二心+心-KJ丄y（1-/氏）上式表明，剛度退化隨&絕對值的增加而發(fā)展。應(yīng)該指出，由于從實驗擬合的角度出發(fā)，上式同時表達了滯回環(huán)各線段的剛度退化規(guī)律，對應(yīng)于圖的各線段，剛度禺與心分別由公式（5.6）取值.I把骨架曲線、標(biāo)準(zhǔn)滯回環(huán)、剛度退化規(guī)律相結(jié)合，就可