第六章結(jié)構(gòu)擬靜力與擬動力試驗

1、第六章 結(jié)構(gòu)擬靜力與擬動力試驗安徽工業(yè)大學(xué)建工學(xué)院一、擬靜力試驗 1. 概述 用靜力方法研究地震作用下構(gòu)件的受力和變形性能； 用低周往復(fù)循環(huán)加載的方法對結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行靜力試驗，試驗中控制結(jié)構(gòu)的變形值或荷載量，使結(jié)構(gòu)構(gòu)件在正反兩個方向反復(fù)加載和卸載，用以模擬結(jié)構(gòu)在地震作用下的受力過程。 通過試驗獲得結(jié)構(gòu)構(gòu)件超過彈性極限后的荷載變形工 作性能和破壞特征，用以比較和驗證抗震構(gòu)造措施的有 效性和確定結(jié)構(gòu)的抗震極限承載能力的可靠性，進(jìn)而為 建立數(shù)學(xué)模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗震非線性計算機分析提供依據(jù)。目的：目的： 擬靜力試驗，也稱偽靜力試驗，低周反復(fù)荷載試驗，屬于工程結(jié)構(gòu)抗震試驗；基本原理：基本原理：一、擬靜力試驗

2、2. 加載設(shè)備與加載反力裝置 加載設(shè)備：推拉千斤頂或電液伺服作動器 擬靜力試驗加載裝置的設(shè)計應(yīng)根據(jù)不同結(jié)構(gòu)或試件研究的目的， 提供與實際結(jié)構(gòu)受力情況盡可能一致的模擬邊界條件，即盡可 能使試件滿足試驗的支承方式和受力條件的要求。 加載反力裝置：包括豎向反力裝置和水平向反力裝置， 如反力 墻、反力臺座、專用的水平反力架、鋼結(jié)構(gòu)豎向反力架等；加載裝置類型加載裝置類型.以剪切變形為主的構(gòu)件 試件上下對稱，推拉千斤頂或作動器安裝在試件的1/2高度上，平行聯(lián)桿機構(gòu)的杠桿和L型杠桿均應(yīng)有足夠的剛度，連接鉸應(yīng)作精密加工，盡可能減小間隙和摩阻力。一、擬靜力試驗 2. 加載設(shè)備與加載反力裝置加載裝置類型加載裝置類

3、型.以彎剪變形為主的構(gòu)件 垂直荷載的施加宜采用仿重力荷載架，盡可能減小滾動摩擦力對推力抵消作用。一、擬靜力試驗 2. 加載設(shè)備與加載反力裝置加載裝置類型加載裝置類型.梁柱節(jié)點 垂直水平力加于柱頂，梁有縱向反復(fù)位移，但不可上下移動。豎向荷載用千斤頂在柱頂施加，屬自平衡系統(tǒng)，在反復(fù)水平力作用下其柱頂上壓力不隨柱頂位移而改變，從而能計入幾何非線性的影響。 為此，該裝置可模擬實際框架結(jié)構(gòu)節(jié)點的受力狀態(tài)。但為了簡化，取相鄰梁（或相鄰柱）反彎點間距離為節(jié)點的梁長（柱高），這樣節(jié)點試件的上下和左右桿端均可按鉸接處理。一、擬靜力試驗 3. 加載制度與加載方法單向反復(fù)加載制度單向反復(fù)加載制度 變形控制加載法變形

4、控制加載法 單向反復(fù)加載制度有變形控制加載、荷載控制加載 以及荷載變形雙控制加載3種方法；目前在結(jié)構(gòu)抗震恢復(fù)力特性試驗中使用最為普遍和最 多的一種加載方法；加載過程中以位移為控制值，以屈服位移的倍數(shù)作為 加載的控制值，這里位移的概念是廣義的，它可以是 線位移，也可以是轉(zhuǎn)角、曲率或應(yīng)變等相應(yīng)的參量。當(dāng)構(gòu)件不具有明確的屈服點時（如軸力大的柱子）或干脆無屈服點時（如無筋砌體），往往由研究者主觀制定一個認(rèn)為恰當(dāng)?shù)奈灰浦祦砜刂圃囼灱虞d。一、擬靜力試驗 3. 加載制度與加載方法單向反復(fù)加載制度單向反復(fù)加載制度 變形控制加載法變形控制加載法將變幅、等幅兩種加載制度結(jié)合起來運用，可以綜合地研究構(gòu)件的性能，其中

5、包括等幅加載法的強度和剛度變化，以及變幅加載時，特別是大變形增長情況下強度和耗能能力的變化，采用這種加載制度時，等幅部分的循環(huán)次數(shù)應(yīng)隨研究對象和要求的不同而異，一般可選36次。根據(jù)控制位移值規(guī)律的不同變幅加載等幅加載變幅等幅混合加載這種加載制度每加載一周后，都會增加位移的幅值，當(dāng)對一個構(gòu)件的性能不太了解，作為探索性的研究或者在確定恢復(fù)力模型的時候，多用變幅加載來研究構(gòu)件的強度、變形和耗能的性能。主要用于研究構(gòu)件的強度退化和剛度退化規(guī)律。一、擬靜力試驗 3. 加載制度與加載方法單向反復(fù)加載制度單向反復(fù)加載制度 該加載制度在兩種大幅值控制位移之間有幾次小幅值位移循環(huán)，這是為了模擬構(gòu)件承受二次地震作

6、用，其中小循環(huán)加載用來模擬余震的作用。一、擬靜力試驗 3. 加載制度與加載方法單向反復(fù)加載制度單向反復(fù)加載制度荷載控制加載法荷載控制加載法 通過控制施加于結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的作用力數(shù)值的變化來實現(xiàn)低周反復(fù)加載的要求，與變形控制加載方法不同，變形控制加載法可以直觀的根據(jù)試驗對象屈服位移的倍數(shù)來研究結(jié)構(gòu)的恢復(fù)特性。荷載變形雙控制加載法荷載變形雙控制加載法 試驗中先控制作用力后控制位移的加載方法，用荷載控制法加載時，并不考慮實際位移是多少，由初始設(shè)定的控制力值開始加載，逐級增加控制力，經(jīng)過結(jié)構(gòu)開裂階段后，一直加到試件屈服，再用位移控制加載，直到結(jié)構(gòu)破壞。一、擬靜力試驗 3. 加載制度與加載方法單向反復(fù)加載制

7、度單向反復(fù)加載制度荷載變形雙控制加載法荷載變形雙控制加載法我國規(guī)范規(guī)定的加載制度我國規(guī)范規(guī)定的加載制度混凝土結(jié)構(gòu)試驗方法標(biāo)準(zhǔn)中給出的加載方法和加載程序，要求根據(jù)結(jié)構(gòu)構(gòu)件特點和試驗研究目的確定，并應(yīng)符合相關(guān)規(guī)定，見教材P79。一、擬靜力試驗 3. 加載制度與加載方法雙向反復(fù)加載制度雙向反復(fù)加載制度 為了研究地震作用對結(jié)構(gòu)構(gòu)件的空間組合效應(yīng)，克服結(jié)構(gòu)構(gòu) 件在采用單方向（平面內(nèi)）加載時，不考慮另一方向（平面 外）地震作用對結(jié)構(gòu)影響造成的局限性，可在 、 兩個主軸方 向同時施加低周反復(fù)荷載；（1 1）X X、Y Y軸雙向軸雙向 同步加載同步加載（2 2）X X、Y Y 軸雙向軸雙向 非同步加載非同步加

8、載一、擬靜力試驗 4. 量測方案 擬靜力試驗量測內(nèi)容可根據(jù)試驗研究的目的而定， 不同試驗結(jié)構(gòu)構(gòu)件有不同的量測內(nèi)容，以梁柱節(jié)點 為例，通常有以下量測項目；（1 1）荷載及變形）荷載及變形（2 2）塑性鉸區(qū)段曲率或轉(zhuǎn)角）塑性鉸區(qū)段曲率或轉(zhuǎn)角（3 3）節(jié)點核心區(qū)剪切角）節(jié)點核心區(qū)剪切角（4 4）梁柱縱筋應(yīng)力）梁柱縱筋應(yīng)力（5 5）核心區(qū)箍筋應(yīng)力核心區(qū)箍筋應(yīng)力（7 7）裂縫）裂縫（6 6）鋼筋滑移）鋼筋滑移一、擬靜力試驗 5. 數(shù)據(jù)分析 低周反復(fù)加載試驗的結(jié)果通常由荷載變形滯回曲線以及相 關(guān)參數(shù)描述，它們是研究結(jié)構(gòu)抗震性能的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)； 進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗震性能研究時，根據(jù)骨架曲線和滯回曲線，可從 結(jié)構(gòu)的承載力

9、、延性、退化以及能量耗散等方面進(jìn)行綜合分 析來評定結(jié)構(gòu)的抗震性能。荷載位移曲線的各級第一循環(huán)的峰點（卸載頂點）連接起來的包絡(luò)線作為骨架曲線 滯回環(huán)的形狀隨反復(fù)加載循環(huán)次數(shù)的增加而改變，對混凝 土結(jié)構(gòu)來說，滯回環(huán)的形狀可以反映鋼筋的滑移或剪切變形 的擴展情況，其面積的縮小，標(biāo)志著耗能能力的退化，因 此可根據(jù)滯回環(huán)的形狀和面積來衡量和判斷試驗構(gòu)件的耗 能能力和破壞機制； 骨架曲線在研究非線性地震反應(yīng)時，反映了每次循環(huán)的荷載 變形曲線達(dá)到最大峰點的軌跡及試驗構(gòu)件的開裂荷載、極 限荷載和延性特征；一、擬靜力試驗 5. 數(shù)據(jù)分析抗力與變形抗力與變形開裂荷載開裂荷載取試驗結(jié)構(gòu)或構(gòu)件出現(xiàn)第一條垂直裂縫或斜裂

10、縫時的荷載屈服荷載和屈服變形屈服荷載和屈服變形取試驗結(jié)構(gòu)構(gòu)件在荷載稍有增加而變形有較大增長時所能承受的最小荷載和其相應(yīng)的變形為屈服變形極限荷載極限荷載取試驗構(gòu)件所能承受的最大荷載值破壞荷載和極限變形破壞荷載和極限變形在試驗過程中，當(dāng)試驗構(gòu)件喪失承載力或超過極限荷載后，下降到0.85倍極限荷載時，所對應(yīng)的荷載值即為破壞荷載，其相應(yīng)變形為極限變形 u一、擬靜力試驗 5. 數(shù)據(jù)分析延性系數(shù)延性系數(shù) = u = u y y結(jié)構(gòu)構(gòu)件的延性系數(shù)荷載下降段相應(yīng)于破壞荷載的變形 延性系數(shù)是試驗結(jié)構(gòu)構(gòu)件延性系數(shù)是試驗結(jié)構(gòu)構(gòu)件塑性變形能力塑性變形能力的一個指的一個指標(biāo)，按下式計算：標(biāo)，按下式計算：相應(yīng)于屈服荷載的

11、變形一、擬靜力試驗 5. 數(shù)據(jù)分析退化率退化率強度降低系數(shù)位移延性系數(shù)為j時，第1次加載循環(huán)的峰點荷載值 退化率反映試驗結(jié)構(gòu)退化率反映試驗結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗力構(gòu)件抗力隨反復(fù)加載次數(shù)增隨反復(fù)加載次數(shù)增加而降低的指標(biāo)。當(dāng)研究加而降低的指標(biāo)。當(dāng)研究強度退化強度退化時，用時，用強度降低強度降低系數(shù)系數(shù)表示并按下式計算：表示并按下式計算：位移延性系數(shù)為j時，第i次加載循環(huán)的峰點荷載值,min1,maxijijQQ一、擬靜力試驗 5. 數(shù)據(jù)分析退化率退化率環(huán)線剛度位移延性系數(shù)為j時，第i次加載循環(huán)的峰點位移值 當(dāng)研究當(dāng)研究剛度退化剛度退化時，即在位移不變條件下，隨反時，即在位移不變條件下，隨反復(fù)加載次數(shù)的增加而剛

12、度降低的情況，用復(fù)加載次數(shù)的增加而剛度降低的情況，用環(huán)線剛度環(huán)線剛度表示并按下式計算：表示并按下式計算：位移延性系數(shù)為j時，第i次加載循環(huán)的峰點荷載值11nijiinijiQk一、擬靜力試驗 5. 數(shù)據(jù)分析能量耗散能量耗散12ABCeOBDShS二、擬動力試驗 1. 概述 真實模擬地震對結(jié)構(gòu)的作用 擬動力試驗又稱聯(lián)機試驗，是將地震實際反應(yīng)所產(chǎn)生的慣性力作為荷載施加在試驗結(jié)構(gòu)上，使結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的非線性力學(xué)特征與結(jié)構(gòu)在實際地震動作用下所經(jīng)歷的真實過程完全一致。但是，這種試驗是用靜力方式進(jìn)行的而不是在振動過程中完成的，故稱擬動力試驗。目的：目的：二、擬動力試驗 1. 概述 用計算機直接參與試驗的執(zhí)行和

13、控制，包括利用計算機按地震實際反應(yīng)計算得到的位移時程曲線驅(qū)動和控制電液伺服加載器（又稱作動器）對結(jié)構(gòu)施加荷載； 同時進(jìn)行結(jié)構(gòu)反應(yīng)的量測和數(shù)據(jù)采集，經(jīng)檢測裝置處理后，聯(lián)機系統(tǒng)將結(jié)構(gòu)試驗得到的反應(yīng)量立即輸入計算機，從而得到結(jié)構(gòu)的瞬時非線性變形和恢復(fù)力之間的關(guān)系，再由計算機算出下一次加載后的變形，并將計算所得到的各控制點的變形轉(zhuǎn)變?yōu)榭刂菩盘枺?qū)動加載器強迫結(jié)構(gòu)按實際地震反應(yīng)實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的變形和受力。基本原理基本原理二、擬動力試驗 1. 概述 擬動力試驗，其實質(zhì)就是按照某種確定性的地震反應(yīng)進(jìn)行加載，而由于結(jié)構(gòu)的恢復(fù)力模型未知，運動方程無法求解，故采用“邊試驗、邊求解”的方法分步得到實測的結(jié)構(gòu)恢復(fù)力模型，然

14、后可完成整個試驗加載過程?；驹砘驹硗ㄟ^計算機分步求解結(jié)構(gòu)非線性地震反應(yīng)微分方程二、擬動力試驗 2. 試驗設(shè)備 擬動力試驗的加載設(shè)備一般由計算機、加載裝置與加載控制系統(tǒng)等組成。整個試驗系統(tǒng)的心臟，加載過程的控制和試驗數(shù)據(jù)采集都由計算機來實現(xiàn)，同時對試驗結(jié)構(gòu)的其它反應(yīng)參數(shù)，如應(yīng)變、位移等進(jìn)行演算和處理。（利用分步試驗結(jié)果，求解動力方程，根據(jù)某一時刻的地面運動加速度計算結(jié)構(gòu)位移，并以此控制加載系統(tǒng)）根據(jù)該時刻由計算機傳來的位移指令轉(zhuǎn)換為電壓信號輸入，用于電液伺服系統(tǒng)，使加載器按指定指令工作。 加載設(shè)備可利用擬靜力試驗設(shè)備，但必須可聯(lián)機控制加載，同時其承載能力應(yīng)大于試驗設(shè)計荷載的150。二、擬

15、動力試驗 3. 試驗步驟 擬動力試驗是由專用軟件系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)庫和運行系統(tǒng)來執(zhí)行操作指令并完成預(yù)定試驗過程的，主要試驗步驟包括：（1）在計算機系統(tǒng)中輸入地震加速度時程曲 線，并按一定的時間間隔數(shù)字化；二、擬動力試驗 4. 試驗數(shù)據(jù)的整理與分析原始數(shù)據(jù)原始數(shù)據(jù)反映結(jié)構(gòu)性能反映結(jié)構(gòu)性能的數(shù)據(jù)、公式、圖表等的數(shù)據(jù)、公式、圖表等人工記錄或計算機采集的試驗數(shù)據(jù)不能直接說明試驗的結(jié)果或解答試驗所提出的問題整理換算、統(tǒng)計分析、歸納演繹數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理如測量應(yīng)變來計算出結(jié)構(gòu)的應(yīng)力（或內(nèi)力）分布；由結(jié)構(gòu)的加速度數(shù)據(jù)積分計算出其速度、位移等二、擬動力試驗 4. 試驗數(shù)據(jù)的整理與分析試驗數(shù)據(jù)的取舍試驗數(shù)據(jù)的取舍試驗誤

16、差及誤差分析試驗誤差及誤差分析試驗結(jié)果的表達(dá)試驗結(jié)果的表達(dá)試驗數(shù)據(jù)的取舍試驗數(shù)據(jù)的取舍量測數(shù)據(jù)修約數(shù)值修約規(guī)則教材P88異常數(shù)據(jù)的剔除3準(zhǔn)則格拉布斯（Grubbs）方法肖維納（Chauvenet）準(zhǔn)則在測量中，有時會遇到個別測量值的誤差較大，并且難以解釋，這些個別數(shù)據(jù)就是所謂的異常數(shù)據(jù)，應(yīng)該把它們從試驗數(shù)據(jù)中剔除。二、擬動力試驗 4. 試驗數(shù)據(jù)的整理與分析試驗誤差及誤差分析試驗誤差及誤差分析被量測的物理量的真實值與量測值之間的偏差稱為誤差，誤差是必然存在的 誤差的類型（性質(zhì)劃分）過失誤差系統(tǒng)誤差隨機誤差誤差分析粗心大意、操作不當(dāng)或思想不集中所造成的，是可以避免的儀器的缺陷、外界因素的影響或觀測

17、者感覺器官的不完善等固定原因引起的，難以消除其全部影響，服從一定的規(guī)律、符號相同，對量測結(jié)果有積累影響的誤差。由于各種隨機（偶然）因素所引起的可以避免的誤差，其大小和符號各不相同，其特點見教材P91系統(tǒng)誤差及過失誤差均可以通過采取一定的措施，加強量測人員的技術(shù)水平和工作責(zé)任心來加以避免；隨機誤差是由一些偶然因素造成的，雖然其大小和符號均難以預(yù)計，但從統(tǒng)計學(xué)的觀點而言，它是服從統(tǒng)計規(guī)律的。二、擬動力試驗 4. 試驗數(shù)據(jù)的整理與分析試驗結(jié)果的表達(dá)試驗結(jié)果的表達(dá) 表達(dá)方式表達(dá)方式表格法圖形法函數(shù)方式曲線圖形態(tài)圖謝謝！人有了知識，就會具備各種分析能力，人有了知識，就會具備各種分析能力，明辨是非的能力。明辨是非的能力。所以我們要勤懇讀書，