第七章結構抗震試驗分析課件

第七章

結構抗震試驗第七章結構抗震試驗1第七章結構抗震試驗7.1結構抗震試驗的任務和分類7.1.1抗震試驗的任務1、結構抗震性能：一般從結構的強度、剛度、延性、耗能性能、剛度退化等方面來衡量。2、結構抗震能力：是結構抗震性能的表現(xiàn)。我國抗震規(guī)范的結構抗震能力為“小震不壞、中震可修、大震不倒”。3、抗震試驗的任務新材料的抗震性能研究，為推廣使用提供科學依據(jù)；新結構的抗震能力研究，提出新結構的抗震設計方法；實際結構的模型試驗研究，驗證結構的抗震性能和能力；為制定和修改抗震設計規(guī)范提供科學依據(jù)。第七章結構抗震試驗7.1結構抗震試驗的任務和分類2結構抗震試驗低周反復靜力試驗擬動力試驗地震模擬振動臺試驗實驗室內(nèi)試驗野外試驗人工地震模擬試驗天然地震試驗7.1.2、抗震試驗分類和特點結構抗震試驗低周反復靜力試驗實驗室內(nèi)試驗野外試驗人工地31、低周反復加載試驗最常用的抗震試驗方法，又稱偽靜力試驗或擬靜力試驗，屬于靜力試驗的范疇。對試驗對象施加低周反復作用的力或位移，模擬地震對結構的作用優(yōu)點：設備簡單，經(jīng)濟好；試驗過程中可以觀測開裂和破壞狀態(tài)，校核試驗數(shù)據(jù)和工作情況，格局試驗需要改變加載歷程。缺點：在于實驗的加載歷程是研究者預先主觀確定的與實際地震作用歷程無關試驗的加載歷程與實際地震作用歷程無關（研究者預先主觀確定的）；不能反映實際地震作用時應變速率的影響（加載周期長)。7.1.2、抗震試驗分類和特點1、低周反復加載試驗7.1.2、抗震試驗分類和特點42、擬動力試驗概念：又稱偽動力試驗或聯(lián)機試驗。又稱偽動力試驗或計算機加載器聯(lián)機試驗。試驗加載可按輸入地面運動加速度時程，由計算機求得結構的位移時程，控制加載器施加荷載。它是一種對結構邊分析邊試驗的抗震研究方法。。擬動力試驗具有以下特點：A擬動力試驗在整個數(shù)值分析過程中不需要對結構的恢復力特性作任何的假設，這對于分析結構彈塑性階段的性能特別有利。對于恢復力特性比較復雜的結構，可以根據(jù)試驗結果來再現(xiàn)實際的地震反應。B由于擬動力試驗加載的時間周期可以刻設置得較長，為此，同樣有條件給試驗者以足夠的時間來觀測結構性能變化和受損破壞的過程，從而獲得比較詳盡的數(shù)據(jù)資料。C由于擬動力的加載器作用力大，可進行大比例尺試件的模擬地震試驗，從而彌補了模擬地震振動臺試驗時，小比例尺模型的尺寸效應，并能較好地反映結構的構造要求。

擬動力試驗也有其不足之處。首先，擬動力試驗不能反映實際地震作用時材料應變速率的影響；擬動力試驗只能通過單個或幾個加載器對試件加載，不能完全模擬地震作用時結構實際所受的作用力分布；另外，結構的阻尼也較難在試驗中發(fā)現(xiàn)。2、擬動力試驗53、振動臺試驗振動臺模擬天然地震記錄，使結構經(jīng)歷類似天然地震的作用，從而再現(xiàn)結構在地震作用下的全過程，同時能反映應變速率的影響。振動臺試驗的模型比例較小，容易產(chǎn)生尺寸效應，難以模擬結構構造，且試驗費用較高。3、振動臺試驗67.2結構偽靜力試驗7.2.1加載制度A單向反復加載制度目前國內(nèi)外較為普遍采用的單向反復加載方案有控制位移加載、控制作用力加載以及控制作用力和控制位移的混合加載等三種方法。控制位移加載又可分為變幅加載、等幅加載和變幅加載混合加載三種。變幅等幅混合加載的方案使用得最多。B雙向反復加載制度為了研究地震對結構構件的空間組合效應，克服在采用結構構件單方向加載時不考慮另一方向地震作用對結構影響的局限性，可在X、Y兩個主軸方向同時施加低周反復荷載。若對框架柱或壓桿的空間受力和框架梁柱節(jié)點在兩個主軸方向所在平面內(nèi)采用梁端加載方案施加反復荷載試驗，可采用雙向同步或非同步的加載制度。7.2結構偽靜力試驗7.2.1加載制度72.力控制：以力為控制值，適合剛度較大小結構，采用較少。加載控制方法也有變幅、等幅和混合加載。3.混合控制：先力控制，屈服之后以屈服位移的倍數(shù)為控制?；旌霞虞d:

綜合地研究構件的性能，其中包括等幅部分的強度和剛度變化，以及在變幅部分特別是大變形增長情況下強度和耗能能力的變化。2.力控制：以力為控制值，適合剛度較大小結構，采用較少。加8二、加載設計1、墻體加載高寬比〈=1/3二、加載設計高寬比〈=1/39二、加載設計1、墻體加載高寬比〈=1/3二、加載設計高寬比〈=1/310第七章結構抗震試驗分析ppt課件11固端平移式試驗裝置可模擬墻體實際受力與邊界條件，保證在試驗中只允許墻體頂部產(chǎn)生水平位移。固端平移式試驗裝置122、節(jié)點加載裝置（無側移）2、節(jié)點加載裝置（無側移）13節(jié)點加載裝置（有側移）節(jié)點加載裝置（有側移）147.2.3觀測設計1、墻體試驗裂縫及開裂荷載：肉眼、應變或剛度突變、脆涂等破壞荷載：荷載傳感器直接讀數(shù)或x-y儀記錄曲線墻體位移荷載位移曲線：x-y儀應變測量：電子引伸義剪切變形轉動7.2.3觀測設計1、墻體試驗剪切變形轉動15第七章結構抗震試驗分析ppt課件162、框架節(jié)點荷載及支座反力：用測力傳感器測定，對于在梁端加載測量柱端水平反力；反之，柱端加載方案則測量梁端支座反力。

荷載一變形曲線：采用電測位移傳感器，通過X－Y函數(shù)記錄儀記錄或接入計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。梁和柱端位移：采用電測位移傳感器，重點是量測加載截面處的位移。構件塑性鉸區(qū)段曲率或轉角：對于梁，一般在距柱面（l／2）hb（梁高）或hb處布點，對于柱子則可在距梁面(1／2)hc（柱寬）處布點。節(jié)點核心區(qū)剪切角：通過量測核心區(qū)對角線的位移量來計算確定。梁柱縱筋應力：一般用電阻應變計量測，測點布置以梁柱相交處截面為主。核心區(qū)箍筋應力、梁縱筋滑移裂縫開展及寬度2、框架節(jié)點荷載及支座反力：用測力傳感器測定，對于在梁端加載17梁柱端位移、曲率轉角、剪切角、梁、柱端位移曲率轉角剪切角梁柱端位移、曲率轉角、剪切角、梁、柱端位移曲率轉角剪切角18核心區(qū)箍筋應力：沿核心區(qū)對角線方向布置

梁內(nèi)縱筋核心區(qū)滑移：通過量測靠近柱面C處梁主筋上B點及B點相對于柱面處鋼筋上A點之間的位移。核心區(qū)箍筋應力：沿核心區(qū)對角線方向布置

梁內(nèi)縱筋核心區(qū)滑移：197.2.4低周反復加載試驗的數(shù)據(jù)資料整理1）強度開裂荷載：試件出現(xiàn)水平裂縫、垂直裂縫或斜裂縫時的截面內(nèi)力或應力值。屈服荷載：試件剛度開始明顯變化時的截面內(nèi)力或應力值。對受彎或大偏壓指受拉主筋屈服、受剪或受扭指受力箍筋屈服、小偏心受壓或軸心受壓短柱指混凝土出現(xiàn)縱向裂縫。對有明顯屈服點者由曲線的拐點確定，對沒有明顯的屈服點用能量等效面積法近似確定屈服強度。7.2.4低周反復加載試驗的數(shù)據(jù)資料整理1）強度對受20無明顯屈服點情況-能量等效面積法屈服點無明顯屈服點情況-能量等效面積法屈服點21極限荷載：試件達到最大承載力時的內(nèi)力和應力。破損荷載：試件經(jīng)歷最大承載力后，達到某一剩余承載能力時的內(nèi)力或應力值。常取極限荷載的85%極限位移：破損荷載對應的位移。2）剛度初次加載剛度K0卸載剛度Ku反向加載DC’、卸載剛度C’D’

和重復加載剛度D’C等效剛度Ke屈服剛度開裂剛度極限荷載：試件達到最大承載力時的內(nèi)力和應力。屈服剛度開裂剛度223）骨架曲線每級荷載——變形滯回曲線的第一次循環(huán)的峰點（卸載頂點）的連接包絡線稱為骨架曲線，形狀和單次加載曲線相似而極限荷載略低一些。4）延性系數(shù)延性系數(shù)反映結構構件的變形能力，是評價結構抗震性能的一個重要指標。它指結構破壞時的極限變形和屈服時的屈服變形之比稱為延性系數(shù)。3）骨架曲線4）延性系數(shù)235)退化率結構強度和剛度的退化率在控制位移作等幅低周反復加載時，每施加一周荷載后強度或剛度降低的速率。它反映結構在一定變形條件下，強度或剛度隨反復荷載次數(shù)增加而降低的特性。退化率的大小反映了結構是否經(jīng)受得起地震的反復作用，當退化率小時，說明結構有較大的耗能能力。5)退化率結構強度和剛度的退化率24結構剛度退化率結構剛度退化率256）能量耗散結構構件吸收能量的好壞，可由滯回曲線所包圍的滯回環(huán)面積和它的形狀來衡量。由滯回環(huán)的面積可以求得等效粘滯阻尼系數(shù)he。he愈高，結構的耗能能力也愈強。6）能量耗散267.3擬動力試驗7.3.1擬動力試驗流程擬動力試驗是利用來監(jiān)測和控制整個試驗，它是一種把計算機分析和恢復力實測結合起來的半理論半試驗的非線性地震反應分析方法?；具^程如下：1）輸入地面加速度值。2）根據(jù)結構的初始剛度和結構質量，利用輸入的第1時刻地面加速度值，采用NEWMARK等方法計算結構該時刻的地震位移反應。3）通過計算機控制液壓伺服加載器使結構發(fā)生上述位移值。4）通過測量系統(tǒng)測量結構此時產(chǎn)生的恢復力和位移。5）根據(jù)測量獲得的恢復力和位移，采用NEWMARK等方法重新計算結構下一時刻的地震位移反應。6）重復3-5，直到整個地震記錄完成。7.3擬動力試驗7.3.1擬動力試驗流程27擬動力試驗流程擬動力試驗流程287.4地震模擬振動臺試驗7.4.1加載設計

地震模擬振動臺是再現(xiàn)各種地震波對結構進行動力試驗的一種先進試驗設備，其特點是具有自動控制和數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)，采用了計算機和閉環(huán)伺服液壓控制技術，并配合先進的振動測量儀器，可以在實驗室內(nèi)進行結構物的地震模擬試驗，以求得地震反應對結構的影響。地震模擬振動臺由臺面、液壓驅動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、測試和分析系統(tǒng)組成。7.4地震模擬振動臺試驗7.4.1加載設計297.4地震模擬振動臺試驗1．試驗結構的周期如果模擬長周期結構并研究它的破壞機理，就要選擇長周期分量占主導地位的地震記錄或人工地震波，以便結構能產(chǎn)生多次瞬時共振而得到清晰的變化和破壞形式。2．結構所在的場地條件如果要評價建立在某一類場地土上的結構的抗震能力，就應選擇與這地震記錄的頻譜特性盡可能與場地土的頻譜特性相一致類場地土相適應的地震記錄，即要求選擇，并需要考慮地震烈度和震中距離的影響。當實際工程進行地震模擬振動臺模型試驗時，這一個條件尤其重要。3．考慮振動臺臺面的輸出能力主要考慮振動臺臺面輸出的頻率范圍、最大位移、速度和加速度、臺面承載能力等性能，在試驗前應認真核查振動臺臺面特性曲線是否滿足試驗要求。7.4.1加載設計

7.4地震模擬振動臺試驗1．試驗結構的周期7.4.1307.4.2加載方案1、一次性加載：從彈性到彈塑性直至破壞階段的全過程在一次加載過程中全部完成。主要特點是可以較好地連續(xù)模擬結構在一次強烈地震中的整個表現(xiàn)與反應，但是對試驗過程中的量測和觀察要求較高，特別是在初裂階段難以觀察到結構各個部位上的微裂縫。對于破壞階段的觀測更有危險，這時要求用高速攝影和電視攝像的方法記錄試驗過程，因此在沒有足夠經(jīng)驗的情況下很少采用這種方法。2、多次性加載大多數(shù)的研究者都采用多次性加載的方案來進行試驗研究。一般情況可分為：

l）動力特性試驗，以得到結構在各階段的各種動力特性。

7.4.2加載方案1、一次性加載：從彈性到彈塑性直至破壞312）振動臺臺面輸人運動，使結構產(chǎn)生微裂縫。例如結構底層墻柱微裂或結構的薄弱部位微裂。3）加大臺面輸人運動，使結構產(chǎn)生中等程度的開裂。例如剪力墻、梁柱節(jié)點等會產(chǎn)生明顯的裂縫，停止加載后裂縫不能完全閉合。4）加大臺面輸人加速度的幅值，結構振動使剪力墻、梁柱節(jié)點等主要部位產(chǎn)生破壞，受拉鋼筋屈服，受壓鋼筋壓屈，裂縫貫通整個截面，但結構還有一定的承載能力。5）繼續(xù)加大振動臺臺面運動，使結構變?yōu)闄C動體系，稍加荷載就會發(fā)生破壞倒塌。2）振動臺臺面輸人運動，使結構產(chǎn)生微裂縫。例如結構底層墻柱微327.4.3觀測設計內(nèi)容：一般需測結構的位移、加速度和應變反應，以及結構的開裂部位、裂縫的發(fā)展、結構的破壞部位和破壞形式等。位移和加速度測點一般布置在最大位移或加速度的部位，對于整體結構的房屋模型試驗，則在主要樓面和頂層高度的位置上布置位移和加速度傳感器（要求傳感器的頻響范圍為0～100HZ）。層間位移：在相鄰兩樓層布置位移或加速度傳感器（通過二次積分轉化為位移信號）。主要受力部位：測量鋼筋和混凝土的應變、鋼筋和混凝土的粘結滑移等參數(shù)。數(shù)據(jù)采集：由計算機終數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集記錄試驗數(shù)據(jù)。7.4.3觀測設計內(nèi)容：一般需測結構的位移、加速度和應變反337.4.4安全措施1．試件設計應進行吊裝驗算，避免試件在吊裝過程中發(fā)生破壞。2．試件與振動臺的安裝應牢固，對安裝螺栓的強度和剛度應進行驗。3．試驗人員在上下振動臺臺面時應注意臺面和基坑地面之間的間隙，防止發(fā)生掉人或摔倒事故。4．傳感器應與試件牢固連接，并應做好預防掉落的措施5．用吊車通過繩索或鋼絲繩保護，防止試件倒塌時損壞振動臺和周圍設施。

6．應做警戒標志，防止與試驗無關的人員進人試驗區(qū)。7.4.4安全措施1．試件設計應進行吊裝驗算，避免試件在34模型設計

模型設計采用量綱分析的方法

物理量長度時間質量彈性模量剛度加速度速度位移符號SlSTSmSESkSaSvSx量綱LTMML-1T-2MT-2L/T2L/TL相似系數(shù)1/121/3.421/121111/121/12基本物理量為長度L、時間T、和質量M模型設計模型設計采用量綱分析的方法物理量長度時間質量彈性357.5振動臺實例1、概述上海星海大廈，地下2層，地上24層，立面上4-20層開了巨大洞口。為了研究該建筑的抗震性能，采用1:25微?；炷聊Ｐ瓦M行了振動臺試驗。2、模型設計在設計結構動力模型時，完全滿足模型與原型的相似關系是十分困難的。本試驗主要研究地震時結構的性能，因此設計時著重考慮滿足抗側力構件相似關系，使墻、柱、梁、板構件及其節(jié)點滿足尺寸、配筋（配筋按等強換算）等相似關系，用設置配重的方法滿足質量和荷載的相似關系。7.5振動臺實例1、概述36模型相似系數(shù)物理量相似系數(shù)物理量相似系數(shù)長度1/25彈性模量1/3.516時間0.075應力1/3.516頻率13.333位移1/25密度1.0加速度7.110模型相似系數(shù)物理量相似系數(shù)物理量相似系數(shù)長度1373、模型制作模型主體采用微粒砼和鍍鋅鐵絲制作，柱、梁、板、墻等構件尺寸及配筋由相似關系計算得出。柱中縱向鋼筋與箍筋的連接采用錫焊。梁、板中配點焊鐵絲網(wǎng)或鍍鋅鐵絲。微?；炷猎O計強度指標為C12.8、C11.4和C10.0，彈性模量為9528～8532MPa。彈性模量與理論值較接近，而強度都低于理論值。由于小比例模型在彈性階段與原型相似較好，而破壞階段只能供參考，所以本項研究盡量滿足彈性模量相似，這使模型與原型在自振頻率方面相似較好，而開裂烈度模型小于原型，破壞程度模型大于原型。由于模型比例較小，精度要求較高，因此對施工有特殊要求。采用有機玻璃板作為外模，易于觀察澆筑情況。內(nèi)模采用泡沫塑料，易于拆模。模型外形見下圖3、模型制作模型主體采用微粒砼和鍍鋅鐵絲制作，柱、梁、板、墻38第七章結構抗震試驗分析ppt課件394、試驗輸入地震波地震波：EL_CENTRO波、San-Fernando波、上海人工波烈度大?。浩叨榷嘤龅卣?、基本烈度地震、罕遇地震5、試驗結果1）試驗現(xiàn)象：七度多遇地震（35gal）：未發(fā)現(xiàn)裂縫?；玖叶鹊卣穑?00gal）:EL_CENTRO波輸入時，3、4、5剪力墻開裂，San-Fernando波時裂縫增多；人工波時，裂縫擴展，裂縫進一步增多。罕遇地震（220gal）:3-5層出現(xiàn)較大裂縫，許多裂縫貫穿，鋼筋屈服，但模型未倒。4、試驗輸入地震波地震波：EL_CENTRO波、San-Fe402）模型動力特性

輸入地震波，先輸入白噪聲，測得結構的自振頻率和阻尼比。見下表：模型自振頻率和阻尼比振型123456頻率9.76613.02139.71441.66743.62048.177阻尼比0.04230.05780.03190.02440.01390.0157振型形式斜向扭轉X向東塔Y東塔X西塔Y2）模型動力特性輸入地震波，先輸入白噪聲41頻率和振型變化多遇三向地震波（San－Fernando）輸人時X向自振頻率下降，結構剛度開始改變，表明模型有微裂縫。隨著地震波輸人幅度的增大，結構剛度不斷減小，七度罕遇地震EL－Centro地震波輸人時，模型X方向第一自振頻率降至4.557Hz，Y方向的第一自振頻率降至2.604Hz。Y方向的開裂程度比X方向嚴重，剛度蛻化嚴重。