第8章土木工程結(jié)構(gòu)抗震試驗(yàn)

第8章土木工程結(jié)構(gòu)(jiégòu)抗震試驗(yàn)

8.1概述(ɡàishù)8.2結(jié)構(gòu)偽靜力試驗(yàn)方法8.3結(jié)構(gòu)擬動(dòng)力試驗(yàn)方法8.4結(jié)構(gòu)模擬地震振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)8.5人工地震模擬試驗(yàn)8.6天然地震試驗(yàn)共二十六頁(yè)(1)熟練掌握結(jié)構(gòu)抗震的低周反復(fù)加載試驗(yàn)(shìyàn)；(2)了解擬動(dòng)力試驗(yàn)內(nèi)容；(3)掌握地震模擬振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)。

共二十六頁(yè)1.任務(wù)(rènwu)和內(nèi)容

1.結(jié)構(gòu)參數(shù)識(shí)別2.破壞機(jī)制分析3.抗震能力分析1.試件制作和安裝2.數(shù)據(jù)采集和處理3.人員組織和分工1.試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)2.試件數(shù)量選擇3.試驗(yàn)方法確定4.試驗(yàn)儀器選擇結(jié)構(gòu)抗震試驗(yàn)分析

試驗(yàn)?zāi)康慕Y(jié)構(gòu)抗震試驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)抗震試驗(yàn)

結(jié)論8.1概述共二十六頁(yè)2.結(jié)構(gòu)(jiégòu)抗震試驗(yàn)分類(lèi)：1.偽靜力試驗(yàn)(shìyàn)方法2.擬動(dòng)力試驗(yàn)方法3.模擬地震振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)方法4.人工地震5.天然地震試驗(yàn)共二十六頁(yè)1.偽靜力試驗(yàn)(shìyàn)的基本概念

偽靜力試驗(yàn)方法一般以試件的荷載值或位移值作為控制量，在正、反兩個(gè)方向(fāngxiàng)對(duì)試件進(jìn)行反復(fù)加載和卸載。

8.2結(jié)構(gòu)偽靜力試驗(yàn)方法偽靜力試驗(yàn)低周反復(fù)加載制度共二十六頁(yè)2.偽靜力試驗(yàn)(shìyàn)的加載裝置

電液伺服加載系統(tǒng)示意圖1-冷卻塔；2-電動(dòng)機(jī)；3-高壓油泵；4-電液伺服閥；5-液壓加載器；6-試驗(yàn)結(jié)構(gòu)；7-荷重傳感器8-位移傳感器；9-應(yīng)變傳感器；10-荷載(hèzài)調(diào)節(jié)器；11-位移調(diào)節(jié)器；12-應(yīng)變調(diào)節(jié)器；13-記錄及顯示裝置14-指令發(fā)生器；15-伺服控制器；16-豎向加載器；17-四桿聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)加載設(shè)備：

共二十六頁(yè)加載裝置(zhuāngzhì)

①梁式壓彎構(gòu)件(gòujiàn)試驗(yàn)裝置。1-試件；2-荷載支承架；3-拉桿；4-雙向液壓加載器；5-荷載傳感器；6-試驗(yàn)臺(tái)座②磚石及砌塊墻體試驗(yàn)裝置

模擬墻體受豎向荷載作用的偽靜力試驗(yàn)裝置1-試件；2-豎向荷載加載器；3-滾軸；4-豎向荷載支承架；5-水平荷載雙作用加載器；6-荷載傳感器；7-水平荷載支承架8-液壓加載控制臺(tái)；9-輸油管；10-試驗(yàn)臺(tái)座共二十六頁(yè)模擬墻體頂部受彎矩作用(zuòyòng)的偽靜力試驗(yàn)裝置1-試件；2-L型剛性梁；3-豎向荷載加載器；4-滾軸；5-豎向荷載支承架；6-水平荷載雙作用加載器；7-荷載傳感器；8-水平荷載支承架；9-液壓加載控制臺(tái)；10-試驗(yàn)臺(tái)座；11-輸油管③框架節(jié)點(diǎn)及梁柱(liánɡzhù)組合件試驗(yàn)裝置

框架節(jié)點(diǎn)及梁柱組合體有側(cè)移柱端加載試驗(yàn)裝置1-試件；2-幾何可變的框式試驗(yàn)架；3-荷載傳感器；4-水平荷載加載器；5-豎向荷載加載器；6-試驗(yàn)臺(tái)座；7-水平荷載支承架或反力墻共二十六頁(yè)框架(kuànɡjià)節(jié)點(diǎn)及梁柱組合體梁端加載試驗(yàn)裝置1-試件；2-柱頂球鉸；3-柱端豎向加載器；4-梁端加載器；5-柱端側(cè)向支撐；6-支座；7-液壓加載控制臺(tái)；8-荷載支承架；9-試驗(yàn)臺(tái)座；10-荷載傳感器；11-輸油管

共二十六頁(yè)3.偽靜力試驗(yàn)(shìyàn)的加載制度⑴偽靜力試驗(yàn)應(yīng)采用控制(kòngzhì)作用力和控制(kòngzhì)位移的混合加載法。

⑵正式試驗(yàn)前、應(yīng)先進(jìn)行預(yù)加載，可反復(fù)試驗(yàn)兩次?；炷两Y(jié)構(gòu)預(yù)加載值不宜超過(guò)開(kāi)裂荷載計(jì)算值的30％；砌體結(jié)構(gòu)不宜超過(guò)開(kāi)裂計(jì)算值的20％。⑶正式試驗(yàn)時(shí)，宜先施加試件預(yù)計(jì)開(kāi)裂荷載的40％~60％，并重復(fù)2—3次，再逐步加到100％。⑷試驗(yàn)過(guò)程中，應(yīng)保持反復(fù)加載的均勻性及連續(xù)性，加載與卸載的速率應(yīng)保持一致。⑸施加反復(fù)荷載的次數(shù)：屈服前，每級(jí)荷載可反復(fù)一次；屈服后，宜反復(fù)三次。當(dāng)進(jìn)行承載力或剛度退化試驗(yàn)時(shí)，反復(fù)次數(shù)不宜少于五次。

⑹對(duì)于整體原型結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)整體模型進(jìn)行偽靜力試驗(yàn)時(shí)，荷載按地震作用倒三角形分布，施加水平荷載的作用點(diǎn)集中在結(jié)構(gòu)質(zhì)量集中的部位，即作用在屋蓋及各層樓面板上。

共二十六頁(yè)4.偽靜力試驗(yàn)(shìyàn)的測(cè)試項(xiàng)目（1）墻體試驗(yàn)：變形、應(yīng)變、裂縫觀測(cè)(guāncè)、開(kāi)裂荷載以及極限荷載

墻體側(cè)向位移和剪切變形的測(cè)點(diǎn)布置1-安裝在試驗(yàn)臺(tái)座上的儀表支架；2-試件；3-位移計(jì)；4-試驗(yàn)臺(tái)座墻體荷載-變形曲線(xiàn)量測(cè)系統(tǒng)1-試件；2-位移傳感器；3-荷載傳感器；4-臺(tái)座；5-作動(dòng)器；6-液壓加載控制臺(tái)；7-油管共二十六頁(yè)（2）鋼筋(gāngjīn)混凝土框架節(jié)點(diǎn)及梁柱組合體試驗(yàn)⑴節(jié)點(diǎn)(jiédiǎn)梁端或柱端位移⑵梁端或柱端的荷載—變形曲線(xiàn)⑶節(jié)點(diǎn)梁柱部位塑性鉸區(qū)段轉(zhuǎn)角和截面平均曲率⑷節(jié)點(diǎn)核心區(qū)剪切變形⑸節(jié)點(diǎn)梁柱主筋應(yīng)變⑹節(jié)點(diǎn)核心區(qū)箍筋應(yīng)變

⑺節(jié)點(diǎn)和梁柱組合體混凝土裂縫開(kāi)展及分布情況(8)荷載值與支承反力共二十六頁(yè)5.偽靜力試驗(yàn)的數(shù)據(jù)整理(zhěnglǐ)要點(diǎn)（1）強(qiáng)度(qiángdù)開(kāi)裂荷載---試件出現(xiàn)垂直裂縫或斜裂縫時(shí)的荷載---試件剛度開(kāi)始明顯變化時(shí)的荷載

屈服荷載---試件達(dá)到最大承載能力時(shí)的荷載

極限荷載⑷破壞荷載試件經(jīng)歷最大承載能力后，達(dá)到某一剩余能力時(shí)的荷載值。目前的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)程規(guī)定可取極限荷載的85％。共二十六頁(yè)（2）剛度(ɡānɡdù)

結(jié)構(gòu)剛度是結(jié)構(gòu)變形能力的反映。結(jié)構(gòu)在受地震作用后通過(guò)自身的變形來(lái)平衡和抵抗地震力的干擾和影響(yǐngxiǎng)，而結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)將隨著結(jié)構(gòu)剛度的改變而變化。-加載初始剛度；-開(kāi)裂剛度-屈服后剛度-屈服剛度-卸載剛度；低周反復(fù)加載時(shí)的剛度共二十六頁(yè)（3）骨架(gǔjià)曲線(xiàn)

在變位移幅值加載的低周反復(fù)加載試驗(yàn)中，骨架曲線(xiàn)是將各次滯回曲線(xiàn)的峰值點(diǎn)連接(liánjiē)后形成的包絡(luò)線(xiàn)。偽靜力試驗(yàn)的骨架曲線(xiàn)

共二十六頁(yè)（4）延性(yánxìng)系數(shù)延性系數(shù)是最大荷載(hèzài)點(diǎn)相應(yīng)的變形與屈服點(diǎn)變形之比：

（5）退化率

結(jié)構(gòu)強(qiáng)度或剛度的退化率是指在控制位移作等幅低周反復(fù)加載時(shí)，每施加一次荷載后強(qiáng)度或剛度降低的速率。它反映在一定的變形條件下，強(qiáng)度或剛度隨著反復(fù)荷載次數(shù)增加而降低的特性，退化率的大小反映了結(jié)構(gòu)是否經(jīng)受得起地震的反復(fù)作用。當(dāng)退化率小的時(shí)候，說(shuō)明結(jié)構(gòu)有較大的耗能能力。（6）滯回曲線(xiàn)梭形弓形反S形Z形四種典型的滯回曲線(xiàn)共二十六頁(yè)8.3結(jié)構(gòu)擬動(dòng)力試驗(yàn)(shìyàn)方法1.基本概念

人們利用計(jì)算機(jī)直接(zhíjiē)來(lái)檢測(cè)和控制整個(gè)試驗(yàn)，這種方法是將計(jì)算機(jī)分析與恢復(fù)力實(shí)測(cè)結(jié)合起來(lái)的半理論半經(jīng)驗(yàn)的非線(xiàn)性地震反應(yīng)分析方法，結(jié)構(gòu)的恢復(fù)力模型不需事先假定，即通過(guò)直接(zhíjiē)量測(cè)作用在試件上的荷載和位移而得到解的恢復(fù)力特性，再通過(guò)計(jì)算機(jī)來(lái)求解結(jié)構(gòu)非線(xiàn)性地震反應(yīng)方程，這就是計(jì)算機(jī)聯(lián)機(jī)試驗(yàn)加載方法，即擬動(dòng)力試驗(yàn)。

擬動(dòng)力試驗(yàn)的加載設(shè)備與偽靜力試驗(yàn)類(lèi)似，一般由計(jì)算機(jī)、電液伺服加載器、傳感器、試驗(yàn)臺(tái)座等組成。2.試驗(yàn)設(shè)備

共二十六頁(yè)3.操作方法和過(guò)程(guòchéng)

（1）輸入(shūrù)地面運(yùn)動(dòng)加速度：（2）計(jì)算下一步的位移值：（3）位移值的轉(zhuǎn)換量測(cè)恢復(fù)力及位移值

由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和反應(yīng)分析

共二十六頁(yè)4.擬動(dòng)力試驗(yàn)(shìyàn)的特點(diǎn)和局限性

擬動(dòng)力試驗(yàn)?zāi)苓M(jìn)行(jìnxíng)原型或接近原型的結(jié)構(gòu)試驗(yàn)

（1）特點(diǎn)

可以人為的緩慢地進(jìn)行，特別是破壞過(guò)程，利于觀察和研究

（2）局限性

計(jì)算機(jī)的積分運(yùn)算和電液伺服試驗(yàn)系統(tǒng)的控制都需要一定的時(shí)間，因此不是實(shí)時(shí)的試驗(yàn)分析過(guò)程。

擬動(dòng)力試驗(yàn)要求有一定的設(shè)備和技術(shù)條件。

數(shù)值計(jì)算和靜載試驗(yàn)兩方面存在誤差，導(dǎo)致試驗(yàn)精度降低。共二十六頁(yè)8.4結(jié)構(gòu)(jiégòu)模擬地震振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)1.模擬地震(dìzhèn)振動(dòng)臺(tái)在抗震研究中的作用

（1）研究結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性、破壞機(jī)理和震害原因；（2）驗(yàn)證抗震計(jì)算理論和計(jì)算模型的正確性；（3）研究動(dòng)力相似理論，為模型試驗(yàn)提供依據(jù)；（4）檢驗(yàn)產(chǎn)品質(zhì)量，提高抗震性能、為生產(chǎn)服務(wù)；（5）為結(jié)構(gòu)抗震靜力試驗(yàn)提供依據(jù)。共二十六頁(yè)模擬(mónǐ)地震振動(dòng)臺(tái)

2.模擬地震(dìzhèn)振動(dòng)臺(tái)的組成

（1）振動(dòng)臺(tái)臺(tái)體結(jié)構(gòu)

（2）液壓驅(qū)動(dòng)和動(dòng)力系統(tǒng)

（3）控制系統(tǒng)

（4）測(cè)試和分析系統(tǒng)

共二十六頁(yè)8.5人工(réngōng)地震模擬試驗(yàn)天然地震與人工(réngōng)爆破地震的加速度幅值譜（a）天然地震波的加速度幅值譜(b)18500kg炸藥爆破時(shí)距爆心132m處自由場(chǎng)加速度幅值譜(c)500000kg炸藥爆破時(shí)距爆心152m處自由場(chǎng)加速度幅值譜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?。蝗斯さ卣鸬闹黝l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。

共二十六頁(yè)8.6天然地震(dìzhèn)試驗(yàn)1.工程結(jié)構(gòu)(jiégòu)的強(qiáng)震觀測(cè)

地震發(fā)生時(shí)，特別是強(qiáng)地震發(fā)生時(shí)，以?xún)x器為手段觀測(cè)地面運(yùn)動(dòng)過(guò)程和工程結(jié)構(gòu)物動(dòng)力反應(yīng)的工作稱(chēng)為強(qiáng)震觀測(cè)。強(qiáng)震觀測(cè)主要測(cè)定地震作用對(duì)工程結(jié)構(gòu)的加速度反應(yīng)。1964年6月日本新瀉地震時(shí)秋田縣府大樓東西向記錄到得強(qiáng)震曲線(xiàn)共二十六頁(yè)2.專(zhuān)門(mén)建造(jiànzào)天然地震試驗(yàn)場(chǎng)和工程結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)觀測(cè)體系

為了觀測(cè)結(jié)構(gòu)受地震作用(zuòyòng)的反應(yīng)，國(guó)外有在地震活動(dòng)區(qū)專(zhuān)門(mén)建造的試驗(yàn)場(chǎng)地，在場(chǎng)地上建造試驗(yàn)結(jié)構(gòu)，這樣可以運(yùn)用一切現(xiàn)代化測(cè)試手段獲取結(jié)構(gòu)在地震發(fā)生時(shí)的各種反應(yīng)。

目前世界上最負(fù)盛名的是日本東京大學(xué)生產(chǎn)技術(shù)研究所的千葉試驗(yàn)場(chǎng)，試驗(yàn)基地包括許多部分，抗震試驗(yàn)只是基本的一個(gè)組成部分。在抗震試驗(yàn)方面有大型抗震試驗(yàn)室、數(shù)據(jù)處理中心、化工設(shè)備天然地震試驗(yàn)場(chǎng)和房屋模型天然試驗(yàn)場(chǎng)等。共二十六頁(yè)本章(běnzhānɡ)小結(jié)1.偽靜力試驗(yàn)方法幾乎可以應(yīng)用于各種工程結(jié)構(gòu)或構(gòu)件抗震性能研究(yánjiū)，突出的優(yōu)點(diǎn)是它的經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性，從而使它具有應(yīng)用上的廣泛性。2.擬動(dòng)力試驗(yàn)是將計(jì)算機(jī)技術(shù)直接應(yīng)用于檢測(cè)和控制試驗(yàn)加載，這種模擬試驗(yàn)方法更接近地震反應(yīng)的真實(shí)狀態(tài)。擬動(dòng)力試驗(yàn)的特點(diǎn)是把計(jì)算機(jī)分析與恢復(fù)力實(shí)測(cè)結(jié)合起來(lái)的一種半理論半試驗(yàn)的非線(xiàn)性地震反應(yīng)分析方法。3.地震模擬振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)是較為理想的試驗(yàn)方法，它可以重現(xiàn)地震過(guò)程，在試驗(yàn)室中研究工程結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)和破壞機(jī)理，但是受振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面的限制，僅做結(jié)構(gòu)縮尺模型的抗震試驗(yàn)，且振動(dòng)臺(tái)一次性投資較大。4.人工地震模擬試驗(yàn)是利用炸藥爆破產(chǎn)生的地震波進(jìn)行工程結(jié)構(gòu)抗震研究，采用調(diào)整炸藥用量、爆心與試驗(yàn)對(duì)象的距離等措施，可以取得滿(mǎn)意的試驗(yàn)結(jié)果。但是試驗(yàn)費(fèi)用較高，控制難度較大。5.天然地震結(jié)構(gòu)試驗(yàn)可以得到實(shí)際地震時(shí)地面運(yùn)動(dòng)的過(guò)程和建筑物在強(qiáng)地震