土木工程結(jié)構(gòu)試驗(yàn)：第五章 工程結(jié)構(gòu)抗震試驗(yàn)1

1、1第五章 工程結(jié)構(gòu)抗震試驗(yàn) 5.1 概述地震對(duì)人類威脅最大的自然災(zāi)害之一2008年05月12日14時(shí)28分，四川汶川發(fā)生8.0級(jí)地震，死亡人數(shù)69227人，17923人失蹤，直接經(jīng)濟(jì)損失8451億人民幣。2第五章 工程結(jié)構(gòu)抗震試驗(yàn) 5.1 概述地震對(duì)人類威脅最大的自然災(zāi)害之一2010年04月14日7時(shí)49分青海玉樹(shù)發(fā)生7.1級(jí)地震，遇難2220人，失蹤70人。3第五章 工程結(jié)構(gòu)抗震試驗(yàn) 5.1 概述地震對(duì)人類威脅最大的自然災(zāi)害之一2010年1月12日當(dāng)?shù)貢r(shí)間16時(shí)53分，海地首都太子港發(fā)生7.3級(jí)地震，死亡人數(shù)2030萬(wàn)人。4第五章 工程結(jié)構(gòu)抗震試驗(yàn) 5.1 概述地震對(duì)人類威脅最大的自然災(zāi)害之

2、一2010年2月27日當(dāng)?shù)貢r(shí)間凌晨3時(shí)34分，智利康塞普西翁發(fā)生8.8級(jí)地震，死亡人數(shù)799人。第五章 工程結(jié)構(gòu)抗震試驗(yàn) 5.1 概述地震對(duì)人類威脅最大的自然災(zāi)害之一2011年3月11日當(dāng)?shù)貢r(shí)間14時(shí)46分，日本本州島附近發(fā)生9.0級(jí)地震，官方確認(rèn)死亡人數(shù)12554人，15153人失蹤。6為了減少人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失，提高建筑物的抗震能力，確保人民生命和財(cái)產(chǎn)不受損失，需要進(jìn)行抗震理論的研究?？拐鹧芯康囊粋€(gè)主要研究方向是抗震試驗(yàn)方法的研究7目前，結(jié)構(gòu)抗震試驗(yàn)方法主要分三種：1、擬 (偽）靜力試驗(yàn)方法或低周反復(fù)加載靜力試驗(yàn)(Quasi Static Test)2、擬（偽）動(dòng)力試驗(yàn)方法或計(jì)算聯(lián)機(jī)試驗(yàn)(

3、Pseudo Dynamic Test)。3、地震模擬振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)方法（Shaking Table Test）85.2 擬靜力試驗(yàn)一、概論 1、定義：以一定的荷載或位移作為控制值對(duì)試件進(jìn)行低周反復(fù)加載，使結(jié)構(gòu)從彈性階段直至破壞的一種試驗(yàn)方法。 2、試驗(yàn)?zāi)康模航?gòu)件恢復(fù)力模型和承載力計(jì)算公式，探討結(jié)構(gòu)的破壞機(jī)制，進(jìn)而評(píng)價(jià)構(gòu)件的抗震性能9一、概論 3、優(yōu)點(diǎn)：加載制度簡(jiǎn)單明確，可以進(jìn)行多參數(shù)構(gòu)件試驗(yàn)，進(jìn)而建立構(gòu)件恢復(fù)力模型和承載力計(jì)算公式，評(píng)價(jià)構(gòu)件的抗震性能。（性價(jià)比最高的抗震試驗(yàn)方法） 4、缺點(diǎn)：加載制度主觀確定，與實(shí)際地震作用歷程無(wú)關(guān)，很難真實(shí)反映地震作用；多為構(gòu)件試驗(yàn)，僅能應(yīng)用于以第一振型變形

4、為主的結(jié)構(gòu)；僅能評(píng)價(jià)抗震性能，不能得到抗震能力10二、試驗(yàn)設(shè)備與加載裝置 1、加載設(shè)備：過(guò)去主要采用雙向機(jī)械式千斤頂或液壓千斤頂進(jìn)行試驗(yàn)加載。目前許多結(jié)構(gòu)試驗(yàn)室主要采用電液伺服加載系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)的擬靜力試驗(yàn)加載。11二、試驗(yàn)設(shè)備與加載裝置 2、加載裝置：建筑抗震試驗(yàn)方法規(guī)程(JGJl0196)中建議的幾種試驗(yàn)加載裝置 12二、試驗(yàn)設(shè)備與加載裝置 2、加載設(shè)備：建筑抗震試驗(yàn)方法規(guī)程(JGJl0196)中建議的幾種試驗(yàn)加載裝置 13二、試驗(yàn)設(shè)備與加載裝置 2、加載設(shè)備：典型的擬靜力加載裝置四聯(lián)桿機(jī)構(gòu)建研式四連桿擬靜力試驗(yàn)加載系統(tǒng)內(nèi)藏鋼板剪力墻擬靜力試驗(yàn)15三、單向反復(fù)加載制度 目前國(guó)內(nèi)外較為普遍采用

5、的單向(一維)反復(fù)加載制度主要有三種：位移控制加載力控制加載力位移混合控制加載 16三、單向反復(fù)加載制度1、 位移控制加載 位移控制加載是在加載過(guò)程中以位移作為控制值，按一定的位移增幅進(jìn)行循環(huán)加載。當(dāng)試件具有明確屈服點(diǎn)時(shí)，一般都以屈服位移的倍數(shù)為控制值。當(dāng)試件不具有明確的屈服點(diǎn)時(shí)(如軸壓比較大的柱)或干脆無(wú)屈服點(diǎn)時(shí)(如無(wú)筋砌體)，則由研究者根據(jù)已有專業(yè)知識(shí)主觀規(guī)定一個(gè)認(rèn)為合適的位移標(biāo)準(zhǔn)值來(lái)控制試驗(yàn)加載。17三、單向反復(fù)加載制度1、 位移控制加載 根據(jù)位移控制的幅值不同，又可分為變幅加載和等幅加載。18變幅位移控制加載多用于研究構(gòu)件的恢復(fù)力特性，并建立其恢復(fù)力模型。一般，每一級(jí)位移幅值下循環(huán)二三

6、次，則由試驗(yàn)測(cè)得的滯回曲線可以建立構(gòu)件的恢復(fù)力模型。等幅位移控制加載主要用于確定構(gòu)件在特定位移幅值下的特定性能，例如極限滯回耗能、強(qiáng)度降低率和剛度退化規(guī)律等。以變幅位移控制加載方案使用得最多。19三、單向反復(fù)加載制度2、 力控制加載 力控制加載是在加載過(guò)程中，以力作為控制值，按一定的力幅值進(jìn)行循環(huán)加載。因?yàn)樵嚰_(dá)到極限荷載后難以控制加載的力，所以這種加載制度較少單獨(dú)使用。20三、單向反復(fù)加載制度3、力位移混合控制加載 建筑抗震試驗(yàn)方法規(guī)程(JGJl0196)規(guī)定：試件屈服前，應(yīng)采用載荷控制并分級(jí)加載，接近開(kāi)裂和屈服荷載前宜減少級(jí)差加載；試件屈服后應(yīng)采用變形控制，變形值應(yīng)取屈服時(shí)試件的最大位移值

7、，并以該位移的倍數(shù)為級(jí)差進(jìn)行控制加載；施加反復(fù)荷載的次數(shù)應(yīng)根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康拇_定，屈服前每級(jí)荷載可反復(fù)一次，屈服以后宜反復(fù)三次。 屈服點(diǎn)如何確定？21考慮不規(guī)則地震作用加載制度22四、雙向反復(fù)加載制度 地震對(duì)結(jié)構(gòu)的作用實(shí)際上是多維的作用，通常水平雙向地震比單向地震對(duì)結(jié)構(gòu)的破壞嚴(yán)重的多。為了模擬雙向水平地震，可在x,y兩個(gè)主軸方向(二維)同時(shí)施加低周反復(fù)荷載，采用較多的是雙向同步或非同步的加載制度。23四、雙向反復(fù)加載制度1. x、y軸雙向同步加載 與單向反復(fù)加載相同，低周反復(fù)荷載作用在與構(gòu)件截面主軸成一定角度作斜向加載，使x、y兩個(gè)主軸的方向的分量同步作用24四、雙向反復(fù)加載制度2. x、y軸雙向非

8、同步加載 (a)為在x軸不加載、y軸反復(fù)加載，或情況相反，即是前述的單向加載；(b)為x軸加載后保持恒載，而y軸反復(fù)加載；(c)為x、y軸先后反復(fù)加載；(d)為x、y兩軸交替反復(fù)加載；(e) 8字形加載(f) 方形加載25 對(duì)于x、y軸雙向非同步擬靜力加載制度，由于兩個(gè)方向上液壓伺服加載器之間存在相互藕聯(lián)，很難協(xié)調(diào)控制，是目前擬靜力試驗(yàn)研究的一個(gè)熱點(diǎn)和難點(diǎn)。26五、常用試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理與分析1、試件破壞過(guò)程、破壞形態(tài)分析第一條裂縫的位置？裂縫發(fā)展趨勢(shì)？破壞形態(tài)？27五、常用試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理與分析2、強(qiáng)度及變形特征值確定開(kāi)裂荷載、開(kāi)裂位移：出現(xiàn)第一條裂縫時(shí)的荷載值及對(duì)應(yīng)的位移極限荷載、極限位移：結(jié)構(gòu)構(gòu)件

9、所能承受的最大荷載值及對(duì)應(yīng)的位移破壞荷載、破壞位移：結(jié)構(gòu)破壞時(shí)的荷載值及對(duì)應(yīng)的位移。通常取極限荷載下降到85%時(shí)對(duì)應(yīng)的荷載值及位移28屈服荷載、屈服位移：1）拐點(diǎn)法：觀察荷載-變形曲線，找到其較明顯的拐點(diǎn)，確定結(jié)構(gòu)屈服點(diǎn)；2）鋼筋屈服法：監(jiān)控受力鋼筋應(yīng)變，當(dāng)某一控制截面受力鋼筋應(yīng)變多數(shù)達(dá)到材性試驗(yàn)測(cè)得的屈服應(yīng)變，則認(rèn)為構(gòu)件達(dá)到屈服點(diǎn)；3）開(kāi)裂屈服法：觀察構(gòu)件出現(xiàn)第一條裂縫時(shí)認(rèn)為構(gòu)件達(dá)到屈服點(diǎn)。294）能量等效面積法：具體方法是(見(jiàn)圖)：由最大荷載點(diǎn)A作水平線AB，由原點(diǎn)O作割線OD與AB線交于D點(diǎn)，使面積ADCA與面積CFOC相等，則由D點(diǎn)引垂線與曲線OA交于E點(diǎn)，則此時(shí)的E點(diǎn)即為構(gòu)件的屈服點(diǎn)

10、，E點(diǎn)對(duì)應(yīng)的荷載為屈服荷載，對(duì)應(yīng)位移y為屈服位移。305）通用屈服彎矩法：具體方法是(見(jiàn)圖)：從原點(diǎn)作彈性理論值OH線與過(guò)極限荷載點(diǎn)G的水平線相交于H，過(guò)H作垂線在P-曲線上交于點(diǎn)I，連結(jié)OI延長(zhǎng)后與HG相交于H，過(guò)H作垂線在P-曲線上交于點(diǎn)B，B點(diǎn)即為假定的屈服點(diǎn)。拐點(diǎn)法及鋼筋屈服法適用于有明顯屈服點(diǎn)構(gòu)件；開(kāi)裂屈服法、能量等效面積法及通用屈服彎矩法適用于沒(méi)有明顯屈服點(diǎn)的構(gòu)件31五、常用試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理與分析3、滯回曲線施加荷載和結(jié)構(gòu)構(gòu)件實(shí)際位移反應(yīng)的關(guān)系曲線，是擬靜力試驗(yàn)最基本試驗(yàn)數(shù)據(jù)，是確定構(gòu)件恢復(fù)力模型及耗能指標(biāo)的依據(jù)。依據(jù)實(shí)時(shí)觀測(cè)滯回曲線對(duì)試驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行控制323、滯回曲線根據(jù)各種構(gòu)件恢復(fù)力

11、特性研究結(jié)果，構(gòu)件的滯回曲線可歸納為四種基本形態(tài)：梭形、弓形、反S形、 Z形梭形，例如受彎、偏壓以及不發(fā)生剪切破壞的彎剪構(gòu)件等；弓形，它反映了一定的滑移影響，有明顯的“捏縮”效應(yīng)，例如剪跨比較大，剪力較小并配有一定箍筋的彎剪構(gòu)件等；333、滯回曲線反S形，它反映了更多的滑移影響，例如一般框架和有剪刀撐的框架、梁柱節(jié)點(diǎn)和剪力墻等；Z形，它反映了大量的滑移影響，例如小剪跨且斜裂縫又可以充分發(fā)展的構(gòu)件以及錨固鋼筋有較大滑移的構(gòu)件等。34五、常用試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理與分析4、骨架曲線 每次滯回曲線的峰點(diǎn)都連接起來(lái)的包絡(luò)線，叫做骨架曲線，是確定恢復(fù)力模型特征點(diǎn)的依據(jù)。骨架曲線的形狀基本與單次加載曲線相似、但極限

12、荷載則略低一點(diǎn)。35五、常用試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理與分析4、骨架曲線 通常為了便于進(jìn)行結(jié)構(gòu)彈塑性反應(yīng)分析，對(duì)骨架曲線需要進(jìn)行擬合并歸一化處理。36五、常用試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理與分析4、耗能能力試件的耗能能力是指試件在地震反復(fù)荷載作用下吸收能量的大小，以試件的荷載變形滯回曲線所包圍的面積來(lái)衡量，它也是衡量試件抗震性能的一個(gè)特性。反映滯回耗能能力大小的一些指標(biāo)有：能量耗散系數(shù)E與等效粘滯阻尼比eq等37五、常用試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理與分析4、耗能能力能量耗散系數(shù)E和等效粘滯阻尼比eq 能量耗散系數(shù)是指滯回環(huán)面積與理想彈性耗能面積的比值38五、常用試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理與分析5、剛度退化 剛度就是指作用力與結(jié)構(gòu)反應(yīng)的比值，通常采用割線剛

13、度來(lái)反映構(gòu)件的剛度退化，采用下式進(jìn)行計(jì)算：式中， 第i次循環(huán)正向水平荷載絕對(duì)值； 第i次循環(huán)負(fù)向水平荷載絕對(duì)值； 第i次循環(huán)正向水平荷載下的位移絕對(duì)值； 第i次循環(huán)負(fù)向水平荷載下的位移絕對(duì)值。39五、常用試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理與分析6、延性 延性系數(shù)是表示結(jié)構(gòu)構(gòu)件塑性變形能力的指標(biāo)，它反映了結(jié)構(gòu)構(gòu)件屈服后的變形能力，通常采用極限位移與屈服位移的比值表示，即405.3 擬動(dòng)力試驗(yàn)一、概論 1、方法：通過(guò)計(jì)算機(jī)控制加載模擬地震過(guò)程的一種聯(lián)機(jī)試驗(yàn)方法，即由給定地震加速度記錄通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行非線性結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析，將計(jì)算得到的位移反應(yīng)作為輸入數(shù)據(jù)，以控制加載器對(duì)試驗(yàn)結(jié)構(gòu)進(jìn)行試驗(yàn)。1969年，M.Hakuno首先提出采

14、用模擬計(jì)算機(jī)和做動(dòng)器聯(lián)機(jī)求解結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方程的方法1974年，Takanashi采用擬動(dòng)力試驗(yàn)方法完成了結(jié)構(gòu)的彈塑性反應(yīng)試驗(yàn)，從此掀開(kāi)了擬動(dòng)力試驗(yàn)研究的篇章。 41一、概論 2、試驗(yàn)?zāi)康模涸u(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的抗震能力，同時(shí)確定構(gòu)件的抗震性能 3、優(yōu)點(diǎn)：可進(jìn)行原型結(jié)構(gòu)試驗(yàn)；可同時(shí)評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)抗震能力和抗震性能；加載過(guò)程緩慢，可隨時(shí)觀測(cè)控制 4、缺點(diǎn)：不能反映地震的動(dòng)力特性；適用于質(zhì)量離散分布的結(jié)構(gòu)；阻尼為人為假定，帶有主觀性和近似性二、基本原理反饋力位移反饋力位移如何求解運(yùn)動(dòng)方程？如何實(shí)現(xiàn)計(jì)算位移？5.3 擬動(dòng)力試驗(yàn)二、基本原理如何求解運(yùn)動(dòng)方程？(1)-杜哈美積分-數(shù)值積分方法：中心差分法、線性加速度法、N

15、ewmark法、 -方法、高階單步法等沖量引起位移的線性疊加，僅適合線性系統(tǒng)44中心差分法對(duì)速度和加速度作如下假定：45三、擬動(dòng)力試驗(yàn)步驟 1、輸入地震動(dòng)加速度 2、計(jì)算下一步的位移值 采用數(shù)值積分方法求解下一步位移。 3、施加位移值 由加載控制系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)將第n+1步的指令位移n+1轉(zhuǎn)換成輸入電壓，再通過(guò)電液向加載系統(tǒng)控制作動(dòng)器對(duì)結(jié)構(gòu)加載，由作動(dòng)器用靜態(tài)的方法對(duì)結(jié)構(gòu)施加n+1位移。46三、擬動(dòng)力試驗(yàn)步驟4、量測(cè)恢復(fù)Fn+1即位移值Xn+1對(duì)結(jié)構(gòu)施加的荷載，通過(guò)作動(dòng)器的荷載傳感器測(cè)得此時(shí)恢復(fù)力Fn+1。5、計(jì)算下步結(jié)構(gòu)反應(yīng) 將Xn+1，F(xiàn)n+1數(shù)據(jù)代入上述算式，用同樣方法求得Xn+2，進(jìn)行加載，求得Xn+2位移下的Fn+2，這樣如此循環(huán)，直到完成整個(gè)地震動(dòng)記錄。47子結(jié)構(gòu)擬動(dòng)力試驗(yàn)試驗(yàn)子結(jié)構(gòu)反饋力位移反饋力位移計(jì)算子結(jié)構(gòu)48優(yōu)點(diǎn)：（1）大大地降低了試