建筑結構試驗課件第八章-結構抗震動力加載試驗

第八章章結構抗抗震動動力加加載試試驗主要內內容：8.1概述8.2結構抗抗震動動力加加載試試驗的的加載載制度度和加加載設設計8.3結構抗抗震周周期性性動力力加載載試驗驗8.4結構抗抗震非非周期期性動動力加加載試試驗第八章章結結構抗抗震動動力加加載試試驗本章的的教學學內容容：1．動荷荷特性性的測測定：：包括括主振振源的的測定定，動動荷特特性測測試方方法；；2．結構構動力力特性性的測測定：：包括括自由由振動動法，，強迫迫振動動法，，脈動動法；；3．結構構動荷荷反應應的測測定：：包括括結構構動荷荷變形形的測測量，，結構構動力力系數(shù)數(shù)的測測定4．結構構疲勞勞試驗驗：包包括試試驗荷荷載，，加荷荷的頻頻率，，疲勞勞試驗驗的觀觀測。。重點：：結構構動力力特性性的測測定；；結構構動荷荷反應應的測測定。。難點：：動荷荷特性性的測測定，，結構構動荷荷特性性的測測定。。第八章章結結構抗抗震動動力加加載試試驗8.1概述結構抗抗震動動力試試驗的的一個個目的的是確確定結結構線線性動動力特特性，，即結結構在在彈性性階段段變形形比較較小的的情況況下的的自振振周期期，振振型，，能量量耗散散和阻阻尼值值。另一個個目的的是研研究結結構的的非線線性性性能，，如結結構進進入非非線性性階段段的能能量耗耗散，，滯回回特性性，延延性性性能，，破壞壞機理理和破破壞特特征。。第八章章結結構抗抗震動動力加加載試試驗8.1概述從結構構抗震震工程程研究究發(fā)展展來看看，目目前抗抗震動動力試試驗主主要是是從場場地結結構原原型觀觀測和和試驗驗室試試驗兩兩個方方面進進行，，抗震震研究究認為為結構構的靜靜態(tài)試試驗和和結構構原型型彈性性階段段的動動態(tài)試試驗所所取得得的資資料數(shù)數(shù)據(jù)，，對抗抗震設設計已已不能能反映映客觀觀的要要求，，特別別是結結構工工作各各個階階段的的動態(tài)態(tài)特性性參數(shù)數(shù)，對對結構構地震震反應應分析析愈來來愈有有它的的重要要性。。例如如，多多層磚磚石結結構房房屋當當振動動超出出線性性范圍圍后，，動力力特性性有顯顯著變變化，，主要要表現(xiàn)現(xiàn)為周周期增增長2～4倍，，阻阻尼尼也也將將增增加加兩兩倍倍左左右右。。為為此此必必須須進進行行原原型型結結構構進進入入非非線線性性階階段段的的動動力力試試驗驗，，提提供供結結構構系系統(tǒng)統(tǒng)力力與與變變形形的的關關系系、、能能量量吸吸收收和和破破壞壞特特征征。。特特別別是是各各種種構構件件在在結結構構中中所所引引起起的的阻阻尼尼特特性性，，各各類類結結構構部部件件的的連連接接以以及及非非結結構構構構件件連連接接的的特特性性等等資資料料。。更更由由于于結結構構建建造造在在不不同同地地震震烈烈度度區(qū)區(qū)和和各各種種不不同同條條件件的的地地基基土土壤壤上上，，通通過過場場地地原原型型結結構構動動力力試試驗驗尚尚可可以以研研究究地地基基土土壤壤和和結結構構的的相相互互作作用用。。第八八章章結結構構抗抗震震動動力力加加載載試試驗驗8.1概述述相對對于于原原型型結結構構，，目目前前較較多多地地還還是是在在試試驗驗室室進進行行縮縮小小比比例例尺尺的的結結構構構構件件或或模模型型試試驗驗。。隨著著結結構構動動力力試試驗驗設設備備和和試試驗驗技技術術的的發(fā)發(fā)展展，，結結構構抗抗震震動動力力加加載載試試驗驗逐逐漸漸引引起起人人們們的的注注意意，，并并開開始始在在結結構構抗抗震震研研究究的的實實踐踐中中得得到到應應用用。。在在前前述述建建筑筑結結構構低低周周反反復復靜靜力力加加載載試試驗驗中中，，由由于于受受試試驗驗設設備備和和試試驗驗技技術術條條件件的的限限制制，，人人們們用用靜靜力力加加載載方方法法來來模模擬擬地地震震力力的的作作用用，，以以致致整整個個試試驗驗進進行行全全過過程程的的時時間間是是比比較較長長的的，，甚甚至至可可在在幾幾個個小小時時以以上上，，這這對對結結構構的的自自振振周周期期往往往往只只在在1秒以下相比比，即使試試驗時間能能從幾小時時縮短到幾幾十秒、幾幾秒鐘時，，這還可以以看作是慢慢加載。當當然這種方方法的優(yōu)點點是設備簡簡單，便于于觀測試驗驗過程，但但是與結構構真正受動動力荷載的的作用相比比，沒有反反映應變速速率的影響響。為此人人們總希望望通過動力力加載試驗驗來研究結結構的動力力反應、結結構抵抗動動力荷載的的實際能力力與安全儲儲備。第八章結結構抗震動動力加載試試驗8.1概述結構抗震動動力試驗的的難度和復復雜性比靜靜力試驗要要大，這主主要是：首首先，荷載載是以動力力形式出現(xiàn)現(xiàn)，它有速速度，加速速度或以一一定頻率對對結構產生生動力響應應；由于加加速度作用用引起慣性性力，以致致荷載的大大小又直接接與結構本本身的質量量有關；動動力荷載對對結構產生生的共振使使應變及撓撓度增大。。其次，動動力荷載作作用于結構構還有應變變速率的問問題，應變變速率的大大小，又直直接影響結結構材料的的強度。第八章結結構抗震動動力加載試試驗8.1概述在試驗中人人們經常用用試驗對象象的自振周周期(第一周期)作為標準，，衡量和區(qū)區(qū)分靜力或或動力試驗驗的界限。。如果試驗驗對象的周周期為0．3s，則加載周周期超過0．3s時，可以認認為是靜力力加載試驗驗，反之如如小于0．3s即可作為動動力試驗。。當然這也也是一個相相對的時間間概念，對對于一個剛剛性結構，，由于自振振周期很小小，研究這這種結構的的動力滯回回性能，每每周加載時時間就應該該很小。反反之，對于于柔性結構構加載時間間自然可以以長一些，，在實際工工作中，有有時受試驗驗條件的限限制，國外外有學者對對于自振周周期小于ls的磚石結構，，當試驗加載載周期為2s時，也稱是動動力試驗。在在鋼筋混凝土土梁的試驗中中，當變形速速度為25cm／s時，也認為是是動力試驗。。為此動力試試驗的特點是是試驗對象受受動力荷載作作用后，反映映力與變形關關系的滯回曲曲線是在小于于或等于結構構自振期的情情況下獲得，，同時反映出出結構應變速速率2的影響。第八章結構構抗震動力加加載試驗8.1概述在結構試驗中中，人們發(fā)現(xiàn)現(xiàn)加荷速度愈愈快，引起結結構或構件的的應變速率愈愈高，則試件件強度和彈性性模量也就相相應提高。在在沖擊荷載作作用下，強度度與彈性模量量的變化尤為為顯著。在地震力作用用下，鋼筋的的應變速率取取決于構件的的反應，如鋼鋼筋混凝土框框架的鋼筋應應變大致在0．01～0．02／s。在動力反復荷荷載作用下，，結構的強度度要比靜力低低周反復加載載提高10％以上，由此此可見動力加加載對應變速速率所產生的的作用。第八章結構構抗震動力加加載試驗8．2結構抗震動力力加載試驗的的加載制度和和加載設計由于試驗設備備和試驗技術術的不同，與與結構抗震靜靜力試驗一樣樣，結構抗震震動力試驗可可以區(qū)分為周周期性和非周周期性的動力力加載試驗。。在在結構抗震動動力試驗中，，由于周期性性的動力加載載比較容易實實現(xiàn)，所以目目前在實際試試驗中應用得得比較普遍，，如采用偏心心激振器、電電液伺服加載載器及單向周周期性振動臺臺等加載設備備均能較好地地滿足試驗要要求。第八章結構構抗震動力加加載試驗8．2結構抗震動力力加載試驗的的加載制度和和加載設計在試驗中為了了更好地反映映結構受地震震作用的動力力性能，采用用模擬地震的的非周期性動動力加載試驗驗，更接近于于結構受地震震動力作用的的工作狀態(tài)。。這樣，在結結構抗震試驗驗中，非周期期性的動力加加載試驗具有有更大的意義義。目前進行行非周期性動動力加載試驗驗的方法主要要有模擬地震震振動臺試驗驗，人工地震震(人工爆破)試驗和天然地地震試驗。第八章結構構抗震動力加加載試驗8．2結構抗震動力力加載試驗的的加載制度和和加載設計8．2．1周期性動力加加載試驗的加加載制度一、強迫振動動共振加載強迫振動共振振加載是結構構動力試驗中中采用得較多多的一種加載載制度。按加加載方法的不不同，它又可可分為穩(wěn)態(tài)正正弦激振和變變頻正弦激振振。第八章結構構抗震動力加加載試驗8．2結構抗震動力力加載試驗的的加載制度和和加載設計1．穩(wěn)態(tài)正弦激激振即即是在結構構上作用一個個按正弦變化化的，作用于于單一方向的的力，它的頻頻率可以精確確地保持在某某—數(shù)值，這時對對它所激起的的結構振動進進行測量。然然后將頻率調調到另一個值值，重復進行行測量，持續(xù)續(xù)進行得到整整個振動過程程的反應曲線線。通過測量量結構在各個個不同頻率下下結構振動的的振幅，可以以得到結構的的共振曲線。。這種加載制制度的目的是是使激振頻率率固定在一段段足夠長的時時間，以便使使全部瞬態(tài)運運動消除并建建立起均勻的的穩(wěn)態(tài)運動。。2．變頻正弦激激振上上述穩(wěn)態(tài)正正弦激振要求求激振頻率能能在一段時間間內保持固定定不變，在實實際工作中發(fā)發(fā)現(xiàn)有較大的的困難，因為為要滿足這種種要求要有比比較復雜的控控制設備，因因此人們采用用了連續(xù)變化化頻率的正弦弦激振方法。。第八章結構構抗震動力加加載試驗8．2結構抗震動力力加載試驗的的加載制度和和加載設計8.2.2非周期性動力力加載試驗的的加載設計非周期動力加加載設計(1)地震模擬振動動臺動力加載載試驗的荷載載設計在在進行結構的的地震模擬振振動臺動力試試驗時，振動動臺臺面的輸輸入都采用地地面運動的加加速度時程曲曲線。在選擇擇和設計臺面面的輸入地震震波時，還必必須要考慮下下列問題：①①試驗結結構的周期；；

②結構構實際建造時時所在的場地地條件；③③地震烈度度和震中距離離的影響；④④振動臺臺臺面的輸出出能力(頻率范圍、最最大位移、速速度和加速度度性能)。

為此可可以選用已有有通過強震觀觀測得到的地地震記錄，或或者按需要的的地質條件參參照相近的地地震記錄設計計出人工地震震波，也可以以按規(guī)范的反反應譜值設計計人工地震波波作為結構試試驗時臺面的的輸入信號。。第八章結構構抗震動力加加載試驗8．2結構抗震動力力加載試驗的的加載制度和和加載設計(2)人工地震模擬擬動力加載試試驗的荷載設設計人們采用地面面或地下炸藥藥爆炸的方法法產生地面運運動的瞬時動動力效應，以以此模擬某一一烈度或某一一確定性天然然地震對結構構的影響，稱稱之為“人工工地震”。人工地震波對對結構的影響響，可采用地地面質點運動動的最大速度度的幅值作為為衡量標準，，和天然地震震波所造成地地震烈度之間間的參考量。。第八章結構構抗震動力加加載試驗8.3結構抗震周期期性動力加載載試驗8.3.1偏心激振器周周期性動力加加載試驗采用偏心激振振器對結構周周期性動力加加載，將激振振器安裝固定定于結構頂層層的樓板上，，也可以支撐撐在走廊兩側側的墻壁上或或走廊兩側的的框架上，使使激振器通過過樓板、墻柱柱傳到整個房房屋，對整體體結構產生強強迫振動。利用共振原理理測定結構的的動力特性，，并研究結構構的極限盈利利、破壞特征征和結構抗倒倒塌能力。第八章結構構抗震動力加加載試驗8.3結構抗震周期期性動力加載載試驗8.3.2電液伺服加載載器周期性動動力加載試驗驗控制加載的頻頻率與試驗對對象受載后所所產生的應變變速率。采用用控制作用力力的方法加載載。按照動力加載載試驗要求，，對電液伺服服加載器的動動載頻率和活活塞最大行程程的要求：最最大荷載0~300kN，動載單向加加載0~200kN，雙向±200kN，動載頻率0.001~0.5Hz，加載最大行行程±150mm。第八章結構構抗震動力加加載試驗8.3結構抗震周期期性動力加載載試驗8.3.3單項周期期性振動動臺動力力加載試試驗機械式、、電磁式式、液壓壓式第八章結結構抗抗震動力力加載試試驗8.4結構抗震震非周期期性動力力加載試試驗8.4.1地震模擬擬振動臺臺動力加加載試驗驗第八章結結構抗抗震動力力加載試試驗8.4結構抗震震非周期期性動力力加載試試驗8.4.1地震模擬擬振動臺臺動力加加載試驗驗第八章結結構抗抗震動力力加載試試驗8.4結構抗震震非周期期性動力力加載試試驗8.4.1地震模擬擬振動臺臺動力加加載試驗驗1、地震模模擬振動動臺動力力加載在在抗震研研究中應應用研究結構構動力特特性、破破壞機理理、震害害原因；；驗證抗震震計算理理論和計計算模型型正確性性；研究動力力相似理理論，為為模型試試驗提供供依據(jù)；；檢驗產品品質量，，提高抗抗震性能能；為結構抗抗震靜力力試驗提提供試驗驗依據(jù)。。第八章結結構抗抗震動力力加載試試驗8.4結構抗震震非周期期性動力力加載試試驗8.4.1地震模擬擬振動臺臺動力加加載試驗驗第八章結結構抗抗震動力力加載試試驗8.4結構抗震震非周期期性動力力加載試試驗8.4.1地震模擬擬振動臺臺動力加加載試驗驗第八章結結構抗抗震動力力加載試試驗8.4結構抗震震非周期期性動力力加載試試驗8.4.1地震模擬擬振動臺臺動力加加載試驗驗第八章結結構抗抗震動力力加載試試驗8.4結構抗震震非周期期性動力力加載試試驗8.4.1地震模擬擬振動臺臺動力加加載試驗驗2、地震模模擬振動動臺試驗驗的加載載過程和和試驗方方法一次性加加載：從從彈性到到彈塑性性直至破破壞，連連續(xù)記錄錄位移、、速度、、加速度度、應變變信號，，觀察記記錄裂縫縫形成和和發(fā)展，，研究彈彈性、彈彈塑性、、破壞階階段何種種性能。。要求高高速攝影影和電視視攝像。。多次性加加載：1依據(jù)按試試體模型型理論計計算的彈彈性和非非彈性地地震反應應，估計計逐次輸輸入臺面面加速度度幅值。。2彈性階段段試驗。。輸入某某一幅值值的地震震地面運運動加速速度時程程曲線，，量測試試體的動動力反應應、放大大系數(shù)和和彈性性性能。3非彈性階階段試驗驗。逐級級加大臺臺面輸入入加速度度幅值，，使試體體逐步發(fā)發(fā)展到中中等程度度的開裂裂，除了了采集測測試的數(shù)數(shù)據(jù)外，，尚應觀觀測試體體各部位位的開裂裂或破壞壞情況。。4破壞階段段試驗。。繼續(xù)加加大臺面面輸入加加速度幅幅值，或或在某一一最大的的峰值下下反復輸輸入，使使試體變變?yōu)闄C動動體系，，直到試試體整體體破壞，，檢驗結結構的極極限抗震震能力。。第八章結結構抗抗震動力力加載試試驗8.4結構抗震震非周期期性動力力加載試試驗8.4.1地震模擬擬振動臺臺動力加加載試驗驗第八章結結構抗抗震動力力加載試試驗8.4結構抗震震非周期期性動力力加載試試驗8.4.2人工地震震模擬動動力加載載試驗人們采用用地面或或地下炸炸藥爆炸炸的方法法產生地地面運動動的瞬時時動力效效應，以以此模擬擬某一烈烈度或某某一確定定性天然然地震對對結構的的影響，，稱之為為“人工工地震””。試驗荷載載設計時時可按要要求模擬擬的地震震烈度，，考慮實實際場地地條件的的特點，，由要求求的地面面質點運運動最大大速度，，確定炸炸藥量和和相應的的爆心至至試驗結結構的距距離。第八章結結構抗抗震動力力加載試試驗8.4結構抗抗震非非周期期性動動力加加載試試驗8.4.2人工地地震模模擬動動力加加載試試驗人們在在實踐踐中發(fā)發(fā)現(xiàn)，，利用用炸藥藥爆炸炸模擬擬地震震從地地面運運動效效應上上與天天然地地震有有許多多相似似之處處，但但也存存在著著一定定的差差異，，如人人工地地震的的加速速度幅幅值高高、衰衰減快快、破破壞范范圍小??；主主頻率率高于于天然然地震震；主主震持持續(xù)時時間比比天然然地震震短。。因此此，在在試驗驗設計計時要要采取取下列列措施施：第八章章結結構抗抗震動動力加加載試試驗8.4結構抗抗震非非周期期性動動力加加載試試驗8.4.2人工地地震模模擬動動力加加載試試驗①縮小小試驗驗對象象的尺尺寸，，從而而可以以提高高被試試驗對對象的的自振振頻率率，一一般只只要將將試驗驗對象象比原原型縮縮小2—3倍；②將試試驗對對象建建造在在覆蓋蓋層較較厚的的土層層上，，可以以利用用松軟軟土層層的濾濾波作作用，，消耗耗地震震波中中的高高頻分分量，，相對對地提提高低低頻分分量的的幅值值；③增加加爆心心與試試驗對對象的的距離離，使使地震震波的的高頻頻分量量在傳傳播過過程中中有較較大的的損耗耗，相相對地地提高高低頻頻分量量的影影響。。第八章章結結構抗抗震動動力加加載試試驗8.4結構抗抗震非非周期期性動動力加加載試試驗8.4.2人工地地震模模擬動動力加加載試試驗人工模模擬地地震的的結構構動力力試驗驗與一一般結結構動動力試試驗在在測試試技術術上有有許多多相似似之處處，但但也有有它比比較特特殊的的部分分：①在試試驗中中主要要是測測量地地面與與建筑筑物的的動態(tài)態(tài)參數(shù)數(shù)，要要求測測量儀儀器的的頻率率上限限大于于結構構動動態(tài)態(tài)參數(shù)數(shù)的上上限；；②人工工地震震爆炸炸過程程中所所產生生的電電磁場場干擾擾，這這對于于高頻頻響應應較好好，靈靈敏度度較高高的傳傳感器和和記錄錄設備備尤為為嚴重重。為為此可可以采采用低低阻抗抗的傳傳感器器，另另一方方面盡盡可能能地縮縮短傳傳感器器至至放放大器器之間間連接接導線線的距距離，，并進進行屏屏蔽和和接地地；第八八章章結結構構抗抗震震動動力力加加載載試試驗驗8.4結構構抗抗震震非非周周期期性性動動力力加加載載試試驗驗8.4.2人工工地地震震模模擬擬動動力力加加載載試試驗驗③在在人人工工地地震震波波作作用用下下的的結結構構試試驗驗時時間間較較短短。。所所以以動動應應變變量量測測中中可可以以用用線線繞繞電電阻阻代代替替溫溫度度補補償償片片；；④結結構構和和地地面面質質點點運運動動參參數(shù)數(shù)的的動動態(tài)態(tài)信信號號測測量量，，由由于于爆爆炸炸