工程結(jié)構(gòu)抗震試驗(yàn)（課堂PPT）

1、1 工程結(jié)構(gòu)抗震試驗(yàn)工程結(jié)構(gòu)抗震試驗(yàn) 25.15.1概述概述結(jié)構(gòu)抗震試驗(yàn)的目的：（1 1）確定結(jié)構(gòu)線性動(dòng)力特性，即結(jié)構(gòu)在彈性階段變形比較小的情況下的自振周期、振型、能量耗散和阻尼值；（2 2）研究結(jié)構(gòu)的非線性性能，如結(jié)構(gòu)進(jìn)入非線性階段的能量耗散、滯回特性、延性性能、破壞機(jī)理和破壞特征。5.1.15.1.1結(jié)構(gòu)抗震試驗(yàn)的結(jié)構(gòu)抗震試驗(yàn)的特點(diǎn)特點(diǎn)（1）荷載以動(dòng)力形式出現(xiàn)；（2）加速度作用引起慣性力；（3）動(dòng)荷載作用于結(jié)構(gòu)有應(yīng)變速率問題。35.1.25.1.2結(jié)構(gòu)抗震試驗(yàn)內(nèi)容結(jié)構(gòu)抗震試驗(yàn)內(nèi)容結(jié)構(gòu)抗震試驗(yàn)設(shè)計(jì) 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)抗震試驗(yàn) 中心結(jié)構(gòu)抗震試驗(yàn)分析 目的45.1.35.1.3結(jié)構(gòu)抗震試驗(yàn)分類結(jié)構(gòu)抗震試驗(yàn)

2、分類結(jié)構(gòu)抗震試驗(yàn)可以分為兩大類：結(jié)構(gòu)抗震靜力試驗(yàn)結(jié)構(gòu)抗震動(dòng)力試驗(yàn)室內(nèi):擬靜力試驗(yàn)、擬動(dòng)力試驗(yàn)、模擬振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)：人工地震模擬試驗(yàn)、天然地震試驗(yàn)55.1.3.1 5.1.3.1 擬靜力試驗(yàn)擬靜力試驗(yàn) 擬靜力試驗(yàn)又稱為低周反復(fù)加載試驗(yàn)或偽靜力試驗(yàn)，一般給試驗(yàn)對(duì)象施加低周反復(fù)作用的力或位移，來模擬地震時(shí)結(jié)構(gòu)的作用，并評(píng)定結(jié)構(gòu)的抗震性能和能力。擬靜力試驗(yàn)實(shí)質(zhì)上是用靜力加載方式模擬地震對(duì)結(jié)構(gòu)物的作用。優(yōu)點(diǎn)：在試驗(yàn)過程中可以隨時(shí)停下來觀測(cè)試件的開裂和破壞狀態(tài)，并可根據(jù)試驗(yàn)需要改變加載歷程。不足：試驗(yàn)的加載歷程是研究者事先主觀確定的，與實(shí)際地震作用歷程無關(guān)，不能反映實(shí)際地震作用時(shí)應(yīng)變速率的影響。65.1.

3、3.25.1.3.2擬動(dòng)力試驗(yàn)擬動(dòng)力試驗(yàn) 擬動(dòng)力試驗(yàn)又稱計(jì)算機(jī)加載器聯(lián)機(jī)試驗(yàn)，是將計(jì)算機(jī)的計(jì)算和控制與結(jié)構(gòu)試驗(yàn)有機(jī)地結(jié)合在一起的實(shí)驗(yàn)方法。 優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)的恢復(fù)力特性不再來自數(shù)學(xué)模型，而是直接從被試驗(yàn)結(jié)構(gòu)上實(shí)時(shí)側(cè)取。 不足：擬動(dòng)力試驗(yàn)不能反映實(shí)際地震作用時(shí)材料應(yīng)變速率的影響； 擬動(dòng)力試驗(yàn)只能通過單個(gè)或幾個(gè)加載器對(duì)試件加載，不能完全模擬地震作用時(shí)結(jié)構(gòu)實(shí)際所受的作用力分布75.1.3.35.1.3.3地震模擬振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)地震模擬振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn) 地震模擬振動(dòng)臺(tái)可以真實(shí)地再現(xiàn)地震過程，可以在振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面上再現(xiàn)天然地震記錄，安裝在振動(dòng)臺(tái)上的試件就能收到類似天然地震的作用。 地震模擬振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)可以再現(xiàn)結(jié)構(gòu)在地震作用下

4、結(jié)構(gòu)開裂、破壞的全過程，能反映應(yīng)變速率的影響，對(duì)超高層或原型結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體模型試驗(yàn)。 局限性：一般振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)都為模型試驗(yàn)，比列較小，容易產(chǎn)生尺寸效應(yīng)，難以模擬結(jié)構(gòu)構(gòu)造。85.1.3.45.1.3.4人工地震模擬試驗(yàn)人工地震模擬試驗(yàn) 采用地面或地下爆炸法引起地面運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力效應(yīng)來模擬某一烈度或某一確定性天然地震對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，對(duì)大比列模型或足尺結(jié)構(gòu)進(jìn)行試驗(yàn)，并已在實(shí)際工程試驗(yàn)中得到實(shí)踐。 優(yōu)點(diǎn)：方法直觀簡單，并可考慮場(chǎng)地的影響。 缺點(diǎn)：但試驗(yàn)費(fèi)用高、難度大。95.1.3.55.1.3.5天然地震試驗(yàn)天然地震試驗(yàn) 在頻繁出現(xiàn)地震的地區(qū)或短期預(yù)報(bào)可能出現(xiàn)較大地震的地區(qū)，有意識(shí)地建造一些試驗(yàn)性結(jié)構(gòu)或在已建結(jié)

5、構(gòu)上安裝測(cè)震儀，以便一旦發(fā)生地震時(shí)可以得到結(jié)構(gòu)的反應(yīng)。 優(yōu)點(diǎn)：方法真實(shí)、可靠。 缺點(diǎn)：費(fèi)用高，實(shí)現(xiàn)難度較大105.25.2擬靜力試驗(yàn)擬靜力試驗(yàn) 擬靜力試驗(yàn)方法是目前研究結(jié)構(gòu)或構(gòu)件抗震性能應(yīng)用最廣泛的試驗(yàn)方法，它是采用一定的荷載控制或變形控制對(duì)試件進(jìn)行低周反復(fù)加載，使試件從彈性階段直至破壞的一種試驗(yàn)。 試件種類：梁、板、柱、節(jié)點(diǎn)、墻、框架和整體結(jié)構(gòu)等。115.2.15.2.1加載裝置加載裝置 試驗(yàn)加載裝置多采用反力墻或者專用抗側(cè)力構(gòu)架，加載設(shè)備主要是用推拉千斤頂或電伺服結(jié)構(gòu)試驗(yàn)系統(tǒng)裝置，并用計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制和數(shù)據(jù)采集。圖5.1 典型的擬靜力試驗(yàn)系統(tǒng)加載12131415165.2.25.2.2加載制

6、度加載制度（1）單向反復(fù)加載制度 a.位移控制加載； b.力控制加載； c.力位移混合控制加載。175.2.35.2.3鋼管混凝土框架梁柱節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)鋼管混凝土框架梁柱節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)5.2.3.1試件形式：工字型、試件形式：工字型、X形形18（2）雙向反復(fù)加載制度a.x、y軸雙向同步加載；b. a.x、y軸雙向非同步加載。195.2.3.25.2.3.2試驗(yàn)裝置試驗(yàn)裝置a.梁柱節(jié)點(diǎn)組合體梁端加載裝置20b.梁柱節(jié)點(diǎn)組合體有側(cè)移柱端加載裝置21C.X型梁柱節(jié)點(diǎn)組合體試驗(yàn)裝置225.2.3.3試驗(yàn)加載程序控制作用力和控制位移的混合加載法5.2.3.4試驗(yàn)觀測(cè)項(xiàng)目荷載及支座反力；荷載變形曲線；塑性鉸區(qū)段曲線率

7、或轉(zhuǎn)角；節(jié)點(diǎn)核心區(qū)剪切角；梁柱縱筋應(yīng)力；核心區(qū)箍筋應(yīng)力；鋼筋滑移。235.2.45.2.4試驗(yàn)數(shù)據(jù)的確定試驗(yàn)數(shù)據(jù)的確定通過擬靜力試驗(yàn)可以得到如下數(shù)據(jù)：5.2.4.1 開裂荷載：對(duì)于混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件，取出現(xiàn)第一條垂直裂縫或斜裂縫時(shí)的荷載。5.2.4.2 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時(shí)所承受的最小荷載和與其相應(yīng)的變形為屈服變形，對(duì)混凝土構(gòu)件系指受拉主筋應(yīng)力屈服時(shí)的荷載或相應(yīng)變形。5.2.4.3極限荷載：取試驗(yàn)結(jié)構(gòu)構(gòu)件所能承受的最大荷載值。245.2.4.4 破損荷載和極限變形在試驗(yàn)過程中，試驗(yàn)構(gòu)件達(dá)到極限荷載后，出現(xiàn)大較大變形，但仍有可能修復(fù)時(shí)所對(duì)應(yīng)的荷載值，稱為

8、破損荷載。一般宜取極限荷載下降的15%時(shí)所對(duì)應(yīng)的荷載值作為破損荷載，其相應(yīng)的變形為極限變形。5.2.4.5 骨架曲線取荷載位移曲線各級(jí)第一循環(huán)的峰點(diǎn)（回載頂點(diǎn)）連接起來的包絡(luò)線作為骨架曲線。骨架曲線在研究非線性地震時(shí)，反映了每次循環(huán)的荷載位移曲線達(dá)到最大峰點(diǎn)的軌跡，反映了試驗(yàn)構(gòu)件的抗震烈度、承載力和延性特點(diǎn)25265.2.4.6 延性系數(shù)是指試驗(yàn)構(gòu)件塑性變形能力的一個(gè)指標(biāo)，反映了結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗震性能的好壞，按下式計(jì)算：275.2.4.7 退化率反映試驗(yàn)結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗力隨反復(fù)加載次數(shù)的增加而降低的指標(biāo)。（1）當(dāng)研究承載力退化時(shí)，用承載力降低系數(shù)表示退化率并按下式計(jì)算：（2）當(dāng)研究剛度退化時(shí)，即在位移不變

9、的條件下，隨反復(fù)加載次數(shù)的增加而剛度降低的情況，用環(huán)線剛度表示退化率并按下式計(jì)算：285.2.4.8 能量耗散 試件結(jié)構(gòu)構(gòu)件的能量耗散能力，應(yīng)以荷載變形滯回曲線包圍的面積來衡量，能量耗散系數(shù)E應(yīng)按下式計(jì)算（圖5.14）；29305.3 5.3 擬動(dòng)力試驗(yàn)擬動(dòng)力試驗(yàn) 擬動(dòng)力試驗(yàn)是由計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)值分析并控制加載。315.3.1 5.3.1 擬動(dòng)力試驗(yàn)設(shè)備擬動(dòng)力試驗(yàn)設(shè)備擬動(dòng)力試驗(yàn)的加載設(shè)備與擬靜力試驗(yàn)類似，一般由計(jì)算機(jī)、液壓伺服加載器、傳感器、試驗(yàn)臺(tái)架等組成。由給定地震加速度記錄通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行非線性結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析，將計(jì)算機(jī)得到的位移反應(yīng)作為輸入數(shù)據(jù)，以控制加載器對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行試驗(yàn)。這種方法需要在試驗(yàn)前假定

10、結(jié)構(gòu)的恢復(fù)力特性模型。325.3.2 試驗(yàn)步驟（1）在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中輸入地震加速度時(shí)程曲線，（2）把n時(shí)刻的地震加速度值代入運(yùn)動(dòng)方程，解除n時(shí)刻地震反應(yīng)。（3）由計(jì)算機(jī)控制電液伺服加載器，將 施加到結(jié)構(gòu)上，實(shí)現(xiàn)這一地震反應(yīng)。（4）測(cè)量 ，代入運(yùn)動(dòng)方程，計(jì)算n+1時(shí)刻的位移 ，量測(cè)結(jié)構(gòu)反力 。（5）重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)步驟，連續(xù)進(jìn)行加載實(shí)驗(yàn)，直到實(shí)驗(yàn)結(jié)束。nXnF1nX1nF335.3.3 擬動(dòng)力試驗(yàn)的特點(diǎn)和局限性特點(diǎn)（1）擬動(dòng)力試驗(yàn)?zāi)苓M(jìn)行原型或接近原型的結(jié)構(gòu)試驗(yàn)。（2）擬動(dòng)力試驗(yàn)過程利于觀察和研究，特別是破壞過程。局限性（1）對(duì)于力學(xué)特征隨時(shí)間而變化的結(jié)構(gòu)物的地震反應(yīng)分析將受到一定限制，也不能分析研究依

11、賴于時(shí)間的粘滯阻尼的效果（2）擬動(dòng)力試驗(yàn)要求需要一定的設(shè)備和技術(shù)條件。345.4 模擬地震振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn) 模擬地震振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)可以適時(shí)地再現(xiàn)各種地震波的作用過程，并進(jìn)行人工地震波模擬實(shí)驗(yàn)，它是在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)研究結(jié)構(gòu)地震的反應(yīng)和破壞機(jī)理的最直接的方法。35363738395.4.2 試驗(yàn)加載過程試驗(yàn)加載過程5.4.2.1 一次性加載過程一次性加載過程可以連續(xù)模擬結(jié)構(gòu)在一次強(qiáng)烈地震中的可以連續(xù)模擬結(jié)構(gòu)在一次強(qiáng)烈地震中的整個(gè)表現(xiàn)與反應(yīng)，但對(duì)試驗(yàn)過程中的量整個(gè)表現(xiàn)與反應(yīng)，但對(duì)試驗(yàn)過程中的量測(cè)和觀察要求過高，破壞階段的觀測(cè)比測(cè)和觀察要求過高，破壞階段的觀測(cè)比較危險(xiǎn)。較危險(xiǎn)。40（2）多次加載過程（1）動(dòng)力特性試驗(yàn)

12、（2）振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面輸入運(yùn)動(dòng)，使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生微裂縫。（3）加大臺(tái)面輸入運(yùn)動(dòng)，使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生中等程度的開裂。（4）加入臺(tái)面輸入加速度的幅值，結(jié)構(gòu)振動(dòng)使其主要部位產(chǎn)生破壞，但結(jié)構(gòu)還有一定的承載能力。（5）繼續(xù)加大臺(tái)面運(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)生破壞倒塌。415.4.3 試驗(yàn)的觀測(cè)和動(dòng)態(tài)反應(yīng)量測(cè) 在模擬地震振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)中一般需要觀測(cè)： 結(jié)構(gòu)的位移; 加速度; 應(yīng)變反應(yīng); 結(jié)構(gòu)的開裂部位； 裂縫的發(fā)展； 結(jié)構(gòu)的破壞部位； 破壞形式等。425.5 人工地震模擬試驗(yàn) 在結(jié)構(gòu)抗震研究中，利用各種精力和動(dòng)力試驗(yàn)加載設(shè)備對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行加載試驗(yàn)，盡管能夠滿足部分模擬試驗(yàn)的要求，但是都有一定的局限性，所以，試圖采用炸藥

13、爆炸產(chǎn)生瞬時(shí)的地面運(yùn)動(dòng)來模擬天然地震對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。435.5.1 爆破方法（1）直接爆破法 在現(xiàn)場(chǎng)安裝炸藥并加以引爆 引爆后地面運(yùn)動(dòng)的基本現(xiàn)象是：地震運(yùn)動(dòng)加速度峰值隨裝藥量增加而增高；地面運(yùn)動(dòng)加速度峰值離爆心距離愈近則愈高；地面運(yùn)動(dòng)加速度持續(xù)時(shí)間離爆心距離愈遠(yuǎn)則愈長。 缺點(diǎn)是需要很大的裝藥量才能產(chǎn)生較好的效果，而且所產(chǎn)生的人工地震與天然地震總是相差較遠(yuǎn)。 44（2）密閉爆破法 密閉爆破是一種圓筒形的爆破線源，這種爆破線源是一只可重復(fù)使用的橡膠套管，鋼筒設(shè)有排氣孔，而在鋼筒上部留有空段，并用聚酯薄膜封頂。鋼管內(nèi)裝藥量雖不大，但引爆后爆炸生成物在控制的速率下排入膨脹橡膠內(nèi)，然后在它爆炸后的規(guī)定時(shí)間

14、內(nèi)用分裝的少量炸藥把封頂聚酯薄膜崩裂。 這樣，引爆后會(huì)產(chǎn)生兩次加速度運(yùn)動(dòng)：一次是從鋼圓筒排到外圍橡膠筒所引起的；另一次是由于氣體從崩破的薄膜封口排到大氣中引起的。這樣的爆破線可以在一定條件下同時(shí)引爆，形成爆破陣。455.5.2 人工地震模擬試驗(yàn)的動(dòng)力反應(yīng)問題 人工地震與天然地震之間尚存在一定的差異： 人工地震（炸藥爆破）加速度的幅值高、衰減快、破壞范圍??； 人工地震的主頻率高于天然地震； 人工地震的主震持續(xù)時(shí)間一般在幾十毫秒至幾百毫秒，比天然地震的持續(xù)時(shí)間短很多。46為了更真實(shí)的模擬天然地震，可采取如下措施：（1）縮小實(shí)驗(yàn)對(duì)象的尺寸（2-3倍），從而提高被試驗(yàn)對(duì)象的自振頻率，可以保留試驗(yàn)對(duì)象在

15、結(jié)構(gòu)構(gòu)造和材料性能上的特點(diǎn)，保持結(jié)構(gòu)的真實(shí)性；（2）將試驗(yàn)對(duì)象建造在覆蓋層較厚的土層上，可以利用松軟土層的濾波作用，消耗地震波中的高頻分量，相對(duì)地提高低頻分量的幅值；（3）增加爆心與試驗(yàn)對(duì)象的距離，使地震波的高頻分量在傳播中有極大的損耗，相對(duì)的提高低頻分量的影響。475.5.3 人工地震模擬試驗(yàn)的量測(cè)技術(shù)問題（1）在試驗(yàn)中主要是測(cè)量地面與建筑物的動(dòng)態(tài)參數(shù)，而不是直接測(cè)量爆破源的一些參數(shù)，所以要求測(cè)量儀器的頻率一般在100Hz至幾百赫茲，就可以滿足動(dòng)態(tài)測(cè)量的頻響要求。（2）爆破試驗(yàn)中干擾影響嚴(yán)重，特別是爆破過程中產(chǎn)生的電磁場(chǎng)干擾，這對(duì)于高頻響應(yīng)較好、靈敏度較高的傳感器和記錄設(shè)備尤為嚴(yán)重。為此采用低主抗的傳感器，盡可能地縮短傳感器至放大器之間連接導(dǎo)線的距離，并進(jìn)行屏蔽和接地。（3）整個(gè)試驗(yàn)的爆炸時(shí)間較短，記錄下的波形不到一秒鐘，所以動(dòng)應(yīng)變測(cè)量中，可以動(dòng)應(yīng)變測(cè)量用線繞電阻代替溫度補(bǔ)償片，可節(jié)省電阻應(yīng)變計(jì)和貼片工作量。（4）結(jié)構(gòu)和地面質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)參數(shù)的動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)量，由于爆炸