第六章結(jié)構(gòu)擬靜力與擬動(dòng)力試驗(yàn)

1、第六章 結(jié)構(gòu)擬靜力與擬動(dòng)力試驗(yàn)安徽工業(yè)大學(xué)建工學(xué)院一、擬靜力試驗(yàn) 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(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行靜力試驗(yàn)，試驗(yàn)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(gè)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(guò)程。 通過(guò)試驗(yàn)獲得結(jié)構(gòu)構(gòu)件超過(guò)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(yàn)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(xiàn)性計(jì)算機(jī)分析提供依據(jù)。目的：目的： 擬靜力試驗(yàn)，也稱(chēng)偽靜力試驗(yàn)，低周反復(fù)荷載試驗(yàn)，屬于工程結(jié)構(gòu)抗震試驗(yàn)；基本原理：基本原理：一、擬靜力試驗(yàn)

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(dòng)器 擬靜力試驗(yàn)加載裝置的設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)不同結(jié)構(gòu)或試件研究的目的， 提供與實(shí)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(mǎn)足試驗(yàn)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(tái)座、專(zhuān)用的水平反力架、鋼結(jié)構(gòu)豎向反力架等；加載裝置類(lèi)型加載裝置類(lèi)型.以剪切變形為主的構(gòu)件 試件上下對(duì)稱(chēng)，推拉千斤頂或作動(dòng)器安裝在試件的1/2高度上，平行聯(lián)桿機(jī)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(yàn) 2. 加載設(shè)備與加載反力裝置加載裝置類(lèi)型加載裝置類(lèi)

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(dòng)摩擦力對(duì)推力抵消作用。一、擬靜力試驗(yàn) 2. 加載設(shè)備與加載反力裝置加載裝置類(lèi)型加載裝置類(lèi)型.梁柱節(jié)點(diǎn) 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(dòng)。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(jì)入幾何非線(xiàn)性的影響。 為此，該裝置可模擬實(shí)際框架結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的受力狀態(tài)。但為了簡(jiǎn)化，取相鄰梁（或相鄰柱）反彎點(diǎn)間距離為節(jié)點(diǎn)的梁長(zhǎng)（柱高），這樣節(jié)點(diǎn)試件的上下和左右桿端均可按鉸接處理。一、擬靜力試驗(yàn) 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(yàn)中使用最為普遍和最 多的一種加載方法；加載過(guò)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(xiàn)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(diǎn)時(shí)（如軸力大的柱子）或干脆無(wú)屈服點(diǎn)時(shí)（如無(wú)筋砌體），往往由研究者主觀制定一個(gè)認(rèn)為恰當(dāng)?shù)奈灰浦祦?lái)控制試驗(yàn)加載。一、擬靜力試驗(yàn) 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(lái)運(yùn)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(qiáng)度和剛度變化，以及變幅加載時(shí)，特別是大變形增長(zhǎng)情況下強(qiáng)度和耗能能力的變化，采用這種加載制度時(shí)，等幅部分的循環(huán)次數(shù)應(yīng)隨研究對(duì)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(huì)增加位移的幅值，當(dāng)對(duì)一個(gè)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(shí)候，多用變幅加載來(lái)研究構(gòu)件的強(qiáng)度、變形和耗能的性能。主要用于研究構(gòu)件的強(qiáng)度退化和剛度退化規(guī)律。一、擬靜力試驗(yàn) 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(lái)模擬余震的作用。一、擬靜力試驗(yàn) 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(guò)控制施加于結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的作用力數(shù)值的變化來(lái)實(shí)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(yàn)對(duì)象屈服位移的倍數(shù)來(lái)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(yàn)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(shí)，并不考慮實(shí)際位移是多少，由初始設(shè)定的控制力值開(kāi)始加載，逐級(jí)增加控制力，經(jīng)過(guò)結(jié)構(gòu)開(kāi)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(yàn) 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(guó)規(guī)范規(guī)定的加載制度我國(guó)規(guī)范規(guī)定的加載制度混凝土結(jié)構(gòu)試驗(yàn)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(diǎn)和試驗(yàn)研究目的確定，并應(yīng)符合相關(guān)規(guī)定，見(jiàn)教材P79。一、擬靜力試驗(yàn) 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(duì)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(shí)，不考慮另一方向（平面 外）地震作用對(duì)結(jié)構(gòu)影響造成的局限性，可在 、 兩個(gè)主軸方 向同時(shí)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(yàn) 4. 量測(cè)方案 擬靜力試驗(yàn)量測(cè)內(nèi)容可根據(jù)試驗(yàn)研究的目的而定， 不同試驗(yàn)結(jié)構(gòu)構(gòu)件有不同的量測(cè)內(nèi)容，以梁柱節(jié)點(diǎn) 為例，通常有以下量測(cè)項(xiàng)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(diǎn)核心區(qū)剪切角）節(jié)點(diǎn)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(yàn) 5. 數(shù)據(jù)分析 低周反復(fù)加載試驗(yàn)的結(jié)果通常由荷載變形滯回曲線(xiàn)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(shí)，根據(jù)骨架曲線(xiàn)和滯回曲線(xiàn)，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(lái)評(píng)定結(jié)構(gòu)的抗震性能。荷載位移曲線(xiàn)的各級(jí)第一循環(huán)的峰點(diǎn)（卸載頂點(diǎn)）連接起來(lái)的包絡(luò)線(xiàn)作為骨架曲線(xiàn) 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(duì)混凝 土結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，滯回環(huán)的形狀可以反映鋼筋的滑移或剪切變形 的擴(kuò)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(lái)衡量和判斷試驗(yàn)構(gòu)件的耗 能能力和破壞機(jī)制； 骨架曲線(xiàn)在研究非線(xiàn)性地震反應(yīng)時(shí)，反映了每次循環(huán)的荷載 變形曲線(xiàn)達(dá)到最大峰點(diǎn)的軌跡及試驗(yàn)構(gòu)件的開(kāi)裂荷載、極 限荷載和延性特征；一、擬靜力試驗(yàn) 5. 數(shù)據(jù)分析抗力與變形抗力與變形開(kāi)裂荷載開(kāi)裂荷載取試驗(yàn)結(jié)構(gòu)或構(gòu)件出現(xiàn)第一條垂直裂縫或斜裂

10、縫時(shí)的荷載屈服荷載和屈服變形屈服荷載和屈服變形取試驗(yàn)結(jié)構(gòu)構(gòu)件在荷載稍有增加而變形有較大增長(zhǎng)時(shí)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(yàn)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(yàn)過(guò)程中，當(dāng)試驗(yàn)構(gòu)件喪失承載力或超過(guò)極限荷載后，下降到0.85倍極限荷載時(shí)，所對(duì)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(yàn) 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(yàn)結(jié)構(gòu)構(gòu)件延性系數(shù)是試驗(yàn)結(jié)構(gòu)構(gòu)件塑性變形能力塑性變形能力的一個(gè)指的一個(gè)指標(biāo)，按下式計(jì)算：標(biāo)，按下式計(jì)算：相應(yīng)于屈服荷載的

11、變形一、擬靜力試驗(yàn) 5. 數(shù)據(jù)分析退化率退化率強(qiáng)度降低系數(shù)位移延性系數(shù)為j時(shí)，第1次加載循環(huán)的峰點(diǎn)荷載值 退化率反映試驗(yàn)結(jié)構(gòu)退化率反映試驗(yàn)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(qiáng)度退化強(qiáng)度退化時(shí)，用時(shí)，用強(qiáng)度降低強(qiáng)度降低系數(shù)系數(shù)表示并按下式計(jì)算：表示并按下式計(jì)算：位移延性系數(shù)為j時(shí)，第i次加載循環(huán)的峰點(diǎn)荷載值,min1,maxijijQQ一、擬靜力試驗(yàn) 5. 數(shù)據(jù)分析退化率退化率環(huán)線(xiàn)剛度位移延性系數(shù)為j時(shí)，第i次加載循環(huán)的峰點(diǎn)位移值 當(dāng)研究當(dāng)研究剛度退化剛度退化時(shí)，即在位移不變條件下，隨反時(shí)，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(xiàn)剛度環(huán)線(xiàn)剛度表示并按下式計(jì)算：表示并按下式計(jì)算：位移延性系數(shù)為j時(shí)，第i次加載循環(huán)的峰點(diǎn)荷載值11nijiinijiQk一、擬靜力試驗(yàn) 5. 數(shù)據(jù)分析能量耗散能量耗散12ABCeOBDShS二、擬動(dòng)力試驗(yàn) 1. 概述 真實(shí)模擬地震對(duì)結(jié)構(gòu)的作用 擬動(dòng)力試驗(yàn)又稱(chēng)聯(lián)機(jī)試驗(yàn)，是將地震實(shí)際反應(yīng)所產(chǎn)生的慣性力作為荷載施加在試驗(yàn)結(jié)構(gòu)上，使結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的非線(xiàn)性力學(xué)特征與結(jié)構(gòu)在實(shí)際地震動(dòng)作用下所經(jīng)歷的真實(shí)過(guò)程完全一致。但是，這種試驗(yàn)是用靜力方式進(jìn)行的而不是在振動(dòng)過(guò)程中完成的，故稱(chēng)擬動(dòng)力試驗(yàn)。目的：目的：二、擬動(dòng)力試驗(yàn) 1. 概述 用計(jì)算機(jī)直接參與試驗(yàn)的執(zhí)行和

13、控制，包括利用計(jì)算機(jī)按地震實(shí)際反應(yīng)計(jì)算得到的位移時(shí)程曲線(xiàn)驅(qū)動(dòng)和控制電液伺服加載器（又稱(chēng)作動(dòng)器）對(duì)結(jié)構(gòu)施加荷載； 同時(shí)進(jìn)行結(jié)構(gòu)反應(yīng)的量測(cè)和數(shù)據(jù)采集，經(jīng)檢測(cè)裝置處理后，聯(lián)機(jī)系統(tǒng)將結(jié)構(gòu)試驗(yàn)得到的反應(yīng)量立即輸入計(jì)算機(jī)，從而得到結(jié)構(gòu)的瞬時(shí)非線(xiàn)性變形和恢復(fù)力之間的關(guān)系，再由計(jì)算機(jī)算出下一次加載后的變形，并將計(jì)算所得到的各控制點(diǎn)的變形轉(zhuǎn)變?yōu)榭刂菩盘?hào)，驅(qū)動(dòng)加載器強(qiáng)迫結(jié)構(gòu)按實(shí)際地震反應(yīng)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的變形和受力?；驹砘驹矶?、擬動(dòng)力試驗(yàn) 1. 概述 擬動(dòng)力試驗(yàn)，其實(shí)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(yùn)動(dòng)方程無(wú)法求解，故采用“邊試驗(yàn)、邊求解”的方法分步得到實(shí)測(cè)的結(jié)構(gòu)恢復(fù)力模型，然

14、后可完成整個(gè)試驗(yàn)加載過(guò)程?；驹砘驹硗ㄟ^(guò)計(jì)算機(jī)分步求解結(jié)構(gòu)非線(xiàn)性地震反應(yīng)微分方程二、擬動(dòng)力試驗(yàn) 2. 試驗(yàn)設(shè)備 擬動(dòng)力試驗(yàn)的加載設(shè)備一般由計(jì)算機(jī)、加載裝置與加載控制系統(tǒng)等組成。整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)的心臟，加載過(guò)程的控制和試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集都由計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)，同時(shí)對(duì)試驗(yàn)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(yàn)結(jié)果，求解動(dòng)力方程，根據(jù)某一時(shí)刻的地面運(yùn)動(dòng)加速度計(jì)算結(jié)構(gòu)位移，并以此控制加載系統(tǒng)）根據(jù)該時(shí)刻由計(jì)算機(jī)傳來(lái)的位移指令轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)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(yàn)設(shè)備，但必須可聯(lián)機(jī)控制加載，同時(shí)其承載能力應(yīng)大于試驗(yàn)設(shè)計(jì)荷載的150。二、擬

15、動(dòng)力試驗(yàn) 3. 試驗(yàn)步驟 擬動(dòng)力試驗(yàn)是由專(zhuān)用軟件系統(tǒng)通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)和運(yùn)行系統(tǒng)來(lái)執(zhí)行操作指令并完成預(yù)定試驗(yàn)過(guò)程的，主要試驗(yàn)步驟包括：（1）在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中輸入地震加速度時(shí)程曲 線(xiàn)，并按一定的時(shí)間間隔數(shù)字化；二、擬動(dòng)力試驗(yàn) 4. 試驗(yàn)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(jì)算機(jī)采集的試驗(yàn)數(shù)據(jù)不能直接說(shuō)明試驗(yàn)的結(jié)果或解答試驗(yàn)所提出的問(wèn)題整理?yè)Q算、統(tǒng)計(jì)分析、歸納演繹數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理如測(cè)量應(yīng)變來(lái)計(jì)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(jì)算出其速度、位移等二、擬動(dòng)力試驗(yàn) 4. 試驗(yàn)數(shù)據(jù)的整理與分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)的取舍試驗(yàn)數(shù)據(jù)的取舍試驗(yàn)誤

16、差及誤差分析試驗(yàn)誤差及誤差分析試驗(yàn)結(jié)果的表達(dá)試驗(yàn)結(jié)果的表達(dá)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的取舍試驗(yàn)數(shù)據(jù)的取舍量測(cè)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(cè)量中，有時(shí)會(huì)遇到個(gè)別測(cè)量值的誤差較大，并且難以解釋?zhuān)@些個(gè)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(yàn)數(shù)據(jù)中剔除。二、擬動(dòng)力試驗(yàn) 4. 試驗(yàn)數(shù)據(jù)的整理與分析試驗(yàn)誤差及誤差分析試驗(yàn)誤差及誤差分析被量測(cè)的物理量的真實(shí)值與量測(cè)值之間的偏差稱(chēng)為誤差，誤差是必然存在的 誤差的類(lèi)型（性質(zhì)劃分）過(guò)失誤差系統(tǒng)誤差隨機(jī)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(cè)

17、者感覺(jué)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(hào)相同，對(duì)量測(cè)結(jié)果有積累影響的誤差。由于各種隨機(jī)（偶然）因素所引起的可以避免的誤差，其大小和符號(hào)各不相同，其特點(diǎn)見(jiàn)教材P91系統(tǒng)誤差及過(guò)失誤差均可以通過(guò)采取一定的措施，加強(qiáng)量測(cè)人員的技術(shù)水平和工作責(zé)任心來(lái)加以避免；隨機(jī)誤差是由一些偶然因素造成的，雖然其大小和符號(hào)均難以預(yù)計(jì)，但從統(tǒng)計(jì)學(xué)的觀點(diǎn)而言，它是服從統(tǒng)計(jì)規(guī)律的。二、擬動(dòng)力試驗(yàn) 4. 試驗(yàn)數(shù)據(jù)的整理與分析試驗(yàn)結(jié)果的表達(dá)試驗(yàn)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(xiàn)圖形態(tài)圖謝謝！人有了知識(shí)，就會(huì)具備各種分析能力，人有了知識(shí)，就會(huì)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(shū)，