地震工程學(xué)結(jié)構(gòu)動力特性課件

0第五章結(jié)構(gòu)動力特性及其模型化5.1結(jié)構(gòu)抗震實驗方法概述5.2動力性能的一般特點5.3基本構(gòu)件的動力性能5.4整體結(jié)構(gòu)的動力性能5.5恢復(fù)力模型第1頁/共58頁結(jié)構(gòu)抗震實驗的主要任務(wù)

研究構(gòu)件或結(jié)構(gòu)的破壞機理與破壞特征確定結(jié)構(gòu)的動力特性檢驗結(jié)構(gòu)的計算模型結(jié)構(gòu)抗震實驗的主要類型：

自振特性試驗周期性反復(fù)靜力加載試驗擬動力試驗振動臺試驗遠程網(wǎng)絡(luò)協(xié)同試驗現(xiàn)場試驗5.1.1結(jié)構(gòu)抗震實驗方法5.1結(jié)構(gòu)抗震實驗方法概述第2頁/共58頁李政道的物理學(xué)家兩定律沒有實驗物理學(xué)家，理論物理學(xué)家就要漂浮不定。沒有理論物理學(xué)家，實驗物理學(xué)家就會猶豫不決。5.1結(jié)構(gòu)抗震實驗方法概述“Atheoryissomethingnobodybelieves,exceptthepersonwhomadeit.Anexperimentissomethingeverybodybelieves,exceptthepersonwhomadeit.”―AlbertEinstein

第3頁/共58頁自振特性試驗(模態(tài)測試)5.1結(jié)構(gòu)抗震實驗方法概述基本試驗方法：

（1）自由振動法（2）脈動法（3）環(huán)境激勵下模態(tài)測試

頻域方法：峰值法PP、頻域分解法FDD、最大似然估計法MLCFDE、多參考最小二乘復(fù)頻域法PolyMAX

時域方法：時間序列分析法ARMA、隨機減量技術(shù)RDT、自然激勵技術(shù)及特征值實現(xiàn)算法(NExT+ERA)、最小二乘復(fù)指數(shù)法LSCE、隨機子空間算法SSI

第4頁/共58頁周期性反復(fù)靜力加載試驗?

基本試驗原理：

加載具有周期性、且時間尺度遠大于地震動時間過程，即以靜力方式模擬地震作用又稱低周反復(fù)試驗5.1結(jié)構(gòu)抗震實驗方法概述10000kN大型多功能結(jié)構(gòu)試驗機第5頁/共58頁5.1結(jié)構(gòu)抗震實驗方法概述周期性反復(fù)靜力加載試驗第6頁/共58頁5.1結(jié)構(gòu)抗震實驗方法概述周期性反復(fù)靜力加載試驗第7頁/共58頁5.1結(jié)構(gòu)抗震實驗方法概述爆炸模擬地震試驗試驗主要測量內(nèi)容包括管道應(yīng)變、管道加速度、管線接口變形、地表加速度等，針對不同的測量內(nèi)容，采用了不同的裝置。第8頁/共58頁爆炸模擬地震試驗5.1結(jié)構(gòu)抗震實驗方法概述A1X加速度時程：A1Y加速度時程：W1接口變形：第9頁/共58頁?

一般試驗過程：

（1）結(jié)構(gòu)自振特性的標定（2）線性階段試驗（3）非線性階段試驗（4）破壞階段的試驗5.1結(jié)構(gòu)抗震實驗方法概述振動臺實驗（Shakingtabletest）?

主要試驗?zāi)康模?/p>

（1）了解結(jié)構(gòu)抗震性能（2）研究結(jié)構(gòu)破壞機制（3）驗證地震反應(yīng)計算模型的正確性第10頁/共58頁模擬地震振動臺（單臺）實驗（摘自同濟大學(xué)土木防災(zāi)國家重點實驗室網(wǎng)站）第11頁/共58頁模擬地震振動臺（單臺）實驗高層建筑結(jié)構(gòu)25:1第12頁/共58頁模擬地震振動臺（單臺）實驗大跨建筑結(jié)構(gòu)第13頁/共58頁模擬地震振動臺（單臺）實驗特種結(jié)構(gòu)特高壓輸電塔變壓器套管系統(tǒng)大型海上風(fēng)力發(fā)電高塔系統(tǒng)（建工系謝強提供）（建工系陳建兵提供）第14頁/共58頁模擬地震振動臺（單臺）實驗地標建筑第15頁/共58頁模擬地震振動臺（臺陣）實驗（橋梁系楊澄宇提供）第16頁/共58頁模擬地震振動臺（單臺）實驗（摘自E-defense網(wǎng)站）第17頁/共58頁擬動力試驗數(shù)值計算與擬動力試驗的比較5.1結(jié)構(gòu)抗震實驗方法概述第18頁/共58頁三層結(jié)構(gòu)模型及試驗子結(jié)構(gòu)5.1結(jié)構(gòu)抗震實驗方法概述擬動力試驗第19頁/共58頁5.1結(jié)構(gòu)抗震實驗方法概述遠程網(wǎng)絡(luò)協(xié)同試驗美國“NEES計劃”歐洲“減輕地震風(fēng)險的歐洲網(wǎng)絡(luò)計劃”日本E-Defense建設(shè)及其遠程協(xié)同試驗中國臺灣ISEE計劃中國大陸HQH-NSER第20頁/共58頁原型結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場測試

工程結(jié)構(gòu)檢測

工程結(jié)構(gòu)監(jiān)測第21頁/共58頁工程結(jié)構(gòu)監(jiān)測結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測（StructuralHealthMonitoring,SHM）第22頁/共58頁工程結(jié)構(gòu)監(jiān)測

地震動監(jiān)測“探測大地脈搏的跳動，揭示地災(zāi)空間的分布，預(yù)測地質(zhì)災(zāi)害的地點，有效應(yīng)對災(zāi)害的發(fā)生，避免次生災(zāi)害的出現(xiàn)”第23頁/共58頁工程結(jié)構(gòu)監(jiān)測結(jié)構(gòu)性能評估（結(jié)構(gòu)所施衛(wèi)星、單伽锃提供）建筑結(jié)構(gòu)第24頁/共58頁工程結(jié)構(gòu)監(jiān)測結(jié)構(gòu)性能評估橋梁結(jié)構(gòu)明石海峽大橋SensorPlacement第25頁/共58頁工程結(jié)構(gòu)監(jiān)測結(jié)構(gòu)性能評估·

結(jié)構(gòu)/系統(tǒng)識別·

參數(shù)識別·

損傷識別/診斷M&S-V&V&UQ數(shù)據(jù)科學(xué)第26頁/共58頁工程結(jié)構(gòu)監(jiān)測結(jié)構(gòu)性能評估M&S-V&V&UQM&S:Modeling&SimulationV&V:Verification&ValidationUQ:Uncertaintyquantification驗證處理數(shù)學(xué)問題確認處理物理問題第27頁/共58頁工程結(jié)構(gòu)監(jiān)測結(jié)構(gòu)性能評估M&S-V&V&UQM&S:Modeling&SimulationV&V:Verification&ValidationUQ:Uncertaintyquantification第28頁/共58頁工程結(jié)構(gòu)監(jiān)測結(jié)構(gòu)性能評估M&S-V&V&UQM&S:Modeling&SimulationV&V:Verification&ValidationUQ:Uncertaintyquantification建模與模擬的不確定度量化的方法第29頁/共58頁5.2動力性能的一般特點5.2.1動力彈性模量與動力極限強度第30頁/共58頁動力彈性模量與動力強度均高于靜力情形.徐變效應(yīng)顯著的材料，動力特性參數(shù)變化顯著.基本規(guī)律：5.2動力性能的一般特點5.2.1動力彈性模量與動力極限強度第31頁/共58頁骨架曲線+滯回曲線＝恢復(fù)力曲線?運動方程中的恢復(fù)力：5.2動力性能的一般特點5.2.2恢復(fù)力曲線CyclicloadingCyclicloading第32頁/共58頁基本現(xiàn)象：?

基本特點：混凝土>鋼，脆性破壞情形>延性破壞情形5.2動力性能的一般特點5.2.3強度退化與剛度退化第33頁/共58頁

裂面?zhèn)鲏盒?yīng)（朱伯龍，1980）

骨料咬合作用使得裂縫閉合之前已可承受較大的壓力；

?

機理與特征：5.2動力性能的一般特點5.2.4裂面效應(yīng)與包興格效應(yīng)基本現(xiàn)象：第34頁/共58頁

包興格效應(yīng)：損傷愈嚴重，效應(yīng)越顯著。5.2動力性能的一般特點5.2.4裂面效應(yīng)與包興格效應(yīng)基本現(xiàn)象：第35頁/共58頁5.3基本構(gòu)件的動力性能5.3.1鋼筋混凝土構(gòu)件5.3.2砌體構(gòu)件5.3.3鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件受彎構(gòu)件壓彎構(gòu)件受扭構(gòu)件梁柱節(jié)點剪力墻磚墻帶構(gòu)造柱砌體墻配筋砌體梁與柱梁柱節(jié)點連接與節(jié)點域支撐第36頁/共58頁受彎構(gòu)件5.3基本構(gòu)件的動力性能鋼筋混凝土構(gòu)件鋼筋屈服前：滯回環(huán)為穩(wěn)定的梭形鋼筋屈服后：捏攏現(xiàn)象、剛度退化明顯第37頁/共58頁剪力的存在不利發(fā)揮抗震性能：“捏攏”現(xiàn)象顯著加密箍筋可使耗能能力增加5.3基本構(gòu)件的動力性能

鋼筋混凝土構(gòu)件受彎構(gòu)件第38頁/共58頁5.4整體結(jié)構(gòu)的動力性能5.4.1周期與阻尼第39頁/共58頁開裂（或進入非線性階段）后的頻率雜化現(xiàn)象：非線性階段高階振型參與分量增大。5.4整體結(jié)構(gòu)的動力性能5.4.1周期與阻尼第40頁/共58頁地震實測結(jié)果5.4整體結(jié)構(gòu)的動力性能5.4.1周期與阻尼第41頁/共58頁梁鉸機制結(jié)構(gòu)內(nèi)力重分布過程是復(fù)雜的過程，由于隨機性的存在，往往不可能精確跟蹤內(nèi)力演化的確定性過程，這導(dǎo)致“歧路亡羊”的過程?？刂平Y(jié)構(gòu)的基本思想5.4整體結(jié)構(gòu)的動力性能5.4.2內(nèi)力重分布與變形集中第42頁/共58頁變形集中：非線性現(xiàn)象的重要特征之一是集中（聚集）。與層間剛度和層間強度有關(guān)（彈性與非線性階段變形集中部位可能不同）5.4整體結(jié)構(gòu)的動力性能5.4.2內(nèi)力重分布與變形集中第43頁/共58頁存在強度相互作用影響和剛度相互作用影響一般雙向地震作用下反應(yīng)增大水平雙向作用對非線性結(jié)構(gòu)影響可能比對稱結(jié)構(gòu)為大對彈塑性層間相對位移影響較樓層位移反應(yīng)為大對結(jié)構(gòu)下層影響比對上層影響為大砌體結(jié)構(gòu)的出平面破壞5.4整體結(jié)構(gòu)的動力性能5.4.3雙向地震作用5.4.4扭轉(zhuǎn)反應(yīng)質(zhì)心與剛心不重合震害嚴重角部反應(yīng)增大，破壞嚴重第44頁/共58頁5.5恢復(fù)力曲線的模型化5.5.1恢復(fù)力曲線的實驗擬合法第45頁/共58頁Romberg-Osgood模型骨架曲線：5.5恢復(fù)力曲線的模型化5.5.2幾個重要的恢復(fù)力曲線模型第46頁/共58頁滯回曲線：Romberg-Osgood模型5.5恢復(fù)力曲線的模型化5.5.2幾個重要的恢復(fù)力曲線模型第47頁/共58頁計算實例：Romberg-Osgood模型5.5恢復(fù)力曲線的模型化5.5.2幾個重要的恢復(fù)力曲線模型第48頁/共58頁剛度退化：Clough退化雙線性模型5.5恢復(fù)力曲線的模型化5.5.2幾個重要的恢復(fù)力曲線模型第49頁/共58頁計算實例：Clough退化雙線性模型5.5恢復(fù)力曲線的模型化5.5.2幾個重要的恢復(fù)力曲線模型第50頁/共58頁剛度退化：Takeda三線性模型5.5恢復(fù)力曲線的模型化5.5.2幾個重要的恢復(fù)力曲線模型第51頁/共58頁Takeda三線性模型5.5恢復(fù)力曲線的模型化5.5.2幾個重要的恢復(fù)力曲線模型計算實例：第52頁/共58頁5.5恢復(fù)力曲線的模型化5.5.2幾個重要的恢復(fù)力曲線模型不同模型計算實例(ElCentro)：第53頁/共58頁其它模型5.5恢復(fù)