5.4-6動(dòng)力反應(yīng)疲勞試驗(yàn)

1、5-45-4結(jié)構(gòu)動(dòng)力反應(yīng)測(cè)定結(jié)構(gòu)動(dòng)力反應(yīng)測(cè)定 n一、動(dòng)應(yīng)變測(cè)定一、動(dòng)應(yīng)變測(cè)定n二、動(dòng)位移測(cè)定（振動(dòng)變位圖）二、動(dòng)位移測(cè)定（振動(dòng)變位圖）n三、動(dòng)力系數(shù)的測(cè)定三、動(dòng)力系數(shù)的測(cè)定5-45-4結(jié)構(gòu)動(dòng)力反應(yīng)測(cè)定結(jié)構(gòu)動(dòng)力反應(yīng)測(cè)定n一、動(dòng)應(yīng)變測(cè)定一、動(dòng)應(yīng)變測(cè)定n（一）動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)試的特點(diǎn)（一）動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)試的特點(diǎn) 把應(yīng)變隨時(shí)間而變化的時(shí)間歷程曲線連續(xù)完整地記錄下來(lái)，然后再進(jìn)行定量分把應(yīng)變隨時(shí)間而變化的時(shí)間歷程曲線連續(xù)完整地記錄下來(lái)，然后再進(jìn)行定量分析析。n（二）動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)框圖（二）動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)框圖 應(yīng)變片應(yīng)變片動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀記錄器記錄器n（三）應(yīng)變值的度量（三）應(yīng)變值的度量n標(biāo)定使電阻應(yīng)

2、變儀的橋臂產(chǎn)生一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的電阻變化量，折合成一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)變量 ，稱為標(biāo)定值，在記錄波形上記錄下一個(gè)高度 ，以此度量曲線上任一時(shí)刻的實(shí)際應(yīng)變，如圖5-19。n則應(yīng)變儀靈敏度取測(cè)量前后兩次標(biāo)定值的平均值，即取 ；或 式（5-35）則曲線上任一時(shí)刻的實(shí)際應(yīng)變可推出： ；或式（5-36）0iH圖5-19 動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀記錄標(biāo)定結(jié)果曲線 5-45-4結(jié)構(gòu)動(dòng)力反應(yīng)測(cè)定結(jié)構(gòu)動(dòng)力反應(yīng)測(cè)定03112HH 04222HH13101112hHHh24202222hHHh5-45-4結(jié)構(gòu)動(dòng)力反應(yīng)測(cè)定結(jié)構(gòu)動(dòng)力反應(yīng)測(cè)定n( (四四) )測(cè)量電橋測(cè)量電橋n在電橋盒上可接全橋和半橋，見圖5-20。n動(dòng)態(tài)應(yīng)變多點(diǎn)測(cè)量時(shí)，一個(gè)測(cè)點(diǎn)一個(gè)

3、電橋，測(cè)點(diǎn)電橋一一對(duì)應(yīng)，不能采用“公共補(bǔ)償技術(shù)”。因?yàn)椋簞?dòng)態(tài)動(dòng)態(tài)應(yīng)變隨時(shí)間而變化，如果采用公共補(bǔ)償技術(shù)，就不能應(yīng)變隨時(shí)間而變化，如果采用公共補(bǔ)償技術(shù)，就不能將應(yīng)變隨時(shí)間而變化的時(shí)間歷程曲線連續(xù)完整地記將應(yīng)變隨時(shí)間而變化的時(shí)間歷程曲線連續(xù)完整地記錄下來(lái)錄下來(lái)。 Vi-EgVi+Eg+_Rg1Rg2短 接 片GViVi+Eg0+_-EgRg3Rg4Rg1Rg2a 半橋接法 b 全橋接法5-20 橋盒接橋圖 5-45-4結(jié)構(gòu)動(dòng)力反應(yīng)測(cè)定結(jié)構(gòu)動(dòng)力反應(yīng)測(cè)定n二、振動(dòng)變位圖二、振動(dòng)變位圖n1. 1. 定義定義 振動(dòng)變位圖：結(jié)構(gòu)在特定荷載作用下的變形曲線振動(dòng)變位圖：結(jié)構(gòu)在特定荷載作用下的變形曲線。n2.2.

4、測(cè)定方法測(cè)定方法 安設(shè)多個(gè)測(cè)點(diǎn)，將各個(gè)測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)曲線記錄下來(lái)，見圖5-21（a），根據(jù)相位關(guān)系確定變位的正、負(fù)號(hào)，再按振幅（即變位）大小以一定比例畫在圖上，連成結(jié)構(gòu)在實(shí)際動(dòng)荷載作用下的振動(dòng)變位圖，見圖5-21（b）。n3.3.振動(dòng)變位圖與振型的區(qū)別振動(dòng)變位圖與振型的區(qū)別n振型:按結(jié)構(gòu)的固有頻率振動(dòng)，由慣性力引起的彈性變形曲線，與外荷載無(wú)關(guān)，屬于結(jié)構(gòu)本身的動(dòng)力特性。n振動(dòng)變位圖：是結(jié)構(gòu)在特定荷載作用下的變形曲線。屬于結(jié)構(gòu)的動(dòng)力反應(yīng)，與荷載的大小、方向、頻率、以及變化規(guī)律有關(guān)。n一般來(lái)說(shuō)并不和結(jié)構(gòu)的某一振型相一致。一般來(lái)說(shuō)并不和結(jié)構(gòu)的某一振型相一致。圖5-21雙外伸梁的振動(dòng)變位圖 5-45-4結(jié)構(gòu)

5、動(dòng)力反應(yīng)測(cè)定結(jié)構(gòu)動(dòng)力反應(yīng)測(cè)定n二、動(dòng)力系數(shù)的測(cè)定二、動(dòng)力系數(shù)的測(cè)定n1. 1. 定義定義 在動(dòng)荷載作用下，結(jié)構(gòu)的動(dòng)撓度與靜撓度的比值。在動(dòng)荷載作用下，結(jié)構(gòu)的動(dòng)撓度與靜撓度的比值。即：n 式（5-37）n2.2.測(cè)定方法測(cè)定方法 (1)有軌移動(dòng)荷載 先使移動(dòng)荷載以極慢的速度駛過(guò)結(jié)構(gòu)，由此得跨中最大靜撓度，然后，再使移動(dòng)荷載以各種速度駛過(guò)，找出最大動(dòng)撓度，見圖5-22（a）。n(2)無(wú)軌動(dòng)荷載 采取一次高速通過(guò)，記錄圖形如圖5-22（b），取曲線最大值為 ，同時(shí)在曲線上繪出中線，相應(yīng)于 處中線的高度即為 (即 ，a為振動(dòng)的峰-峰值），由式（5-37）可求出動(dòng)力系數(shù)。dyjdyyjydydyjy2a

6、yydjn yjydyjyda圖5-22動(dòng)力系數(shù)測(cè)定5-45-4結(jié)構(gòu)動(dòng)力反應(yīng)測(cè)定結(jié)構(gòu)動(dòng)力反應(yīng)測(cè)定5-55-5結(jié)構(gòu)抗震試驗(yàn)n5-5-1 5-5-1 擬靜力試驗(yàn)擬靜力試驗(yàn)n一、一、 試驗(yàn)方法試驗(yàn)方法n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，以獲得結(jié)構(gòu)的非線性的荷載變形特性。擬靜力試驗(yàn)又稱低周反復(fù)加載試驗(yàn)或恢復(fù)力特性試驗(yàn)。（實(shí)質(zhì)上是用靜力加載方式來(lái)模擬地震對(duì)結(jié)構(gòu)物的作用。）n二、試驗(yàn)設(shè)備與加載裝置二、試驗(yàn)設(shè)備與加載裝置n加載設(shè)備（千斤頂、電液伺服加載系統(tǒng)）、反力墻、試驗(yàn)臺(tái)座、荷載架等。n三、三、 單向反復(fù)加載制度單向反復(fù)加載制度n三種方法：控制位移加載、控制作用力加載、控制作用力和控制位

7、移的混合加載。n1.1.控制位移加載法控制位移加載法n以位移（線位移、角位移、曲率或應(yīng)變）作為控制值或以屈服位移的數(shù)倍作為控制值，按一定的位移增幅進(jìn)行循環(huán)加載。n在位移控制加載中，根據(jù)位移控制的幅值不同，又可分為變幅加載、等幅加載和變幅等幅混合加載三種,如圖5-23所示.5-5結(jié)構(gòu)抗震試驗(yàn)5-5-1 擬靜力試驗(yàn)n變幅位移控制加載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，一般每級(jí)位移幅值下循環(huán)二三次。n等幅位移控制加載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如極限滯回耗能、強(qiáng)度降低率和剛度退化率。n混合位移控制加載混合位移控制加載可以綜合研究構(gòu)件的性能，包

8、括等幅部分的強(qiáng)度和剛度變化，以及在變幅部分、特別是大變形增長(zhǎng)強(qiáng)度和耗能能力的變化。圖5-24所示也一種混合加載制度。圖5-23位移控制加載制度圖5-24 考慮二次地震影響的混合位移加載5-55-5結(jié)構(gòu)抗震試驗(yàn)n2.2.力控制加載力控制加載n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。n3.3.力力- -位移混合控制加載位移混合控制加載n先以力控制進(jìn)行加載，當(dāng)試件達(dá)到屈服狀態(tài)時(shí)改用位移控制，一直到試件破壞。圖5-25為在梁-柱節(jié)點(diǎn)擬靜力試驗(yàn)中的一種力-位移混合加載制度。圖5-25力-位移加載制度示意5-55-5結(jié)構(gòu)抗震試驗(yàn)n4. 4. 雙向反復(fù)加載制度雙向反復(fù)加載制度n1 1）X

9、X、Y Y軸雙向同步加載軸雙向同步加載n與單向反復(fù)加載相同，低周反復(fù)荷載在與構(gòu)件截面主軸成 角的方向進(jìn)行斜向加載，使X、Y兩個(gè)主軸方向的分量同步作用。n反復(fù)加載同樣可以采用控制位移、控制作用力和兩者混合控制的加載制度。n2 2） X X、Y Y軸雙向非同步加載軸雙向非同步加載n由于X、Y兩個(gè)方向不同步地先后或交替加載變化方案如圖5-26。圖5-26雙向低周反復(fù)加載制度n5 5滯回曲線和骨架曲線滯回曲線和骨架曲線n（1 1）曲線圖形）曲線圖形加載一周得到的荷載位移曲線叫滯回曲線，滯回環(huán)面積大小反映了試件的耗能能力。根據(jù)結(jié)構(gòu)恢復(fù)力特性的試驗(yàn)結(jié)果，可將滯回曲線歸納為梭形、弓形、反S形及Z形四種基本形

10、狀，如圖5-27。 (a) (b) (c) (d) 圖5-27四種典型的滯回曲線 5-55-5結(jié)構(gòu)抗震試驗(yàn)n這四種滯回曲線的發(fā)生各有特點(diǎn)：n（a）梭形：通常發(fā)生于受彎、偏壓、壓彎以及不發(fā)生剪切破壞的彎剪構(gòu)件；n（b）弓形：通常發(fā)生于剪跨比較大、剪力較小，且配有一定箍筋的彎剪構(gòu)件和偏壓構(gòu)件，它反映了一定的滑移影響；n（c）反S形：通常發(fā)生于一般框架和有剪力撐的框架、梁柱節(jié)點(diǎn)及剪力墻等，它反映了更多的滑移影響；n（d）Z形：通常發(fā)生于小剪跨而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，它反映了大量的滑移影響。 5-55-5結(jié)構(gòu)抗震試驗(yàn)n（2 2）骨架曲線）骨架曲線在變位移幅值加載時(shí)，將

11、各次荷載變形滯回曲線中，取所有每一級(jí)荷載第一次循環(huán)的峰值點(diǎn)連接的包絡(luò)線作為骨架曲線。見圖5-28。圖5-28骨架曲線與單次加載曲線5-55-5結(jié)構(gòu)抗震試驗(yàn)5-55-5結(jié)構(gòu)抗震試驗(yàn)n（3 3） 強(qiáng)度強(qiáng)度n1 1）屈服荷載）屈服荷載n有明顯屈服點(diǎn)的試件，如圖5-29所示Q- 曲線的拐點(diǎn)E點(diǎn)對(duì)應(yīng)的荷載為屈服強(qiáng)度、變形為屈服變形。n如果沒有明顯的屈服點(diǎn)，如圖5-30所示，可采用能量等效面積法能量等效面積法近似確定。由最大荷載點(diǎn)A作水平線AB,由原點(diǎn)作割線OD與AB交于D點(diǎn)，由D點(diǎn)引垂線與曲線OA交于E點(diǎn)，使面積ADCA與面積相等，則此時(shí)的E點(diǎn)即為構(gòu)件的屈服點(diǎn)， E點(diǎn)對(duì)應(yīng)的荷載Qy為屈服荷載，位移為屈服

12、位移。n2 2）極限荷載）極限荷載n構(gòu)件所能承受的最大荷載。n3 3）破壞荷載）破壞荷載n構(gòu)件加載至極限荷載下降至85%時(shí)所對(duì)應(yīng)的荷載值，變形作為極限變形極限變形。圖5-29有明顯屈服點(diǎn)構(gòu)件的屈服荷載圖5-30無(wú)明顯屈服點(diǎn)構(gòu)件的屈服荷載n（4 4）剛度）剛度反映結(jié)構(gòu)變形能力。n加載剛度n切向剛度Ko、開裂剛度Kc、屈服剛度Ky、屈服后剛度Ksn卸載剛度Kun重復(fù)加載剛度n等效剛度Ken（5 5）延性系數(shù)）延性系數(shù)n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)，反映是結(jié)構(gòu)抗震性能的好壞。骨架曲線上，結(jié)構(gòu)骨架曲線上，結(jié)構(gòu)破壞時(shí)的極限變形和屈服時(shí)的屈服變形之比稱為破壞時(shí)的極限變形和屈服時(shí)的屈服變形之比稱

13、為延性系數(shù)延性系數(shù)，即n 式（5-38）n式中： -破壞荷載點(diǎn)相應(yīng)的變形（廣義變形）。n -屈服點(diǎn)變形。5-55-5結(jié)構(gòu)抗震試驗(yàn)圖5-31 P-曲線yuuy5-55-5結(jié)構(gòu)抗震試驗(yàn)n（6 6）能量耗散）能量耗散n結(jié)構(gòu)構(gòu)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(lái)衡量。由滯回環(huán)的面積可以求得等效粘滯阻尼系數(shù)he。見圖5-32。n式（5-39）nHe愈高，結(jié)構(gòu)的耗能能力也愈強(qiáng)。n（7 7）不同加載制度引起的耗能差異）不同加載制度引起的耗能差異圖5-32等效粘滯阻尼系數(shù)計(jì)算三角形面積圖形面積OBDABChe215-55-5結(jié)構(gòu)抗震試驗(yàn)n（7 7）不同加載制度引起的耗）不同加載制度引起

14、的耗能差異能差異n骨架曲線與滯回環(huán)之間包不住的面積叫做損失面積（陰影部分），對(duì)比圖5-33（a）（c）可知，損失面積隨身循環(huán)次數(shù)增加而加大；而滯回環(huán)的總面積也隨周數(shù)增加而增大，并超出單調(diào)加載的面積。此外，循環(huán)開始時(shí)位移愈大則損失面積愈?。▽?duì)比圖5-33的（a）、（d）不同加載方案對(duì)耗能能力有影響。n如果在達(dá)到極限力前就進(jìn)行大量循環(huán)則有可能找不到極限力（圖5-33（c）。n從以上分析知：地震是隨機(jī)波，采用周期性加載有一定的局限性。圖5-33不同加載方案對(duì)耗能的影響5-6 5-6 結(jié)構(gòu)疲勞試驗(yàn)結(jié)構(gòu)疲勞試驗(yàn)n疲勞現(xiàn)象疲勞現(xiàn)象:結(jié)構(gòu)在等幅等頻或變幅變頻的多次重復(fù)和反復(fù)荷載作用下，由于結(jié)構(gòu)某一部分局部損

15、傷的遞增和積累，導(dǎo)致裂紋的形成并逐步擴(kuò)展，材料的極限強(qiáng)度降低，以致結(jié)構(gòu)在低于相同靜力荷載作用情況下被破壞。5-6 5-6 結(jié)構(gòu)疲勞試驗(yàn)結(jié)構(gòu)疲勞試驗(yàn)n5-6-15-6-1結(jié)構(gòu)疲勞試驗(yàn)的目的結(jié)構(gòu)疲勞試驗(yàn)的目的n1.1.研究性疲勞試驗(yàn)的內(nèi)容研究性疲勞試驗(yàn)的內(nèi)容n（1）鋼筋及混凝土的應(yīng)力隨荷載重復(fù)次數(shù)的變化；n（2）開裂荷載及開裂；n（3）裂縫寬度、長(zhǎng)度、間距及隨荷載重復(fù)次數(shù)的變化。n（4）疲勞破壞荷載及承受疲勞荷載的重復(fù)次數(shù)；n（5）最大撓度及其變化規(guī)律；n（6）疲勞破壞特征。n2.2.檢驗(yàn)性疲勞試驗(yàn)的內(nèi)容檢驗(yàn)性疲勞試驗(yàn)的內(nèi)容（1）抗裂性及開裂荷載；（2）裂縫寬度及其發(fā)展；（3）最大撓度及其變化幅度

16、；（4）疲勞強(qiáng)度。5-6 5-6 結(jié)構(gòu)疲勞試驗(yàn)結(jié)構(gòu)疲勞試驗(yàn)n5-6-25-6-2結(jié)構(gòu)疲勞試驗(yàn)的方法n1.1.疲勞試驗(yàn)荷載疲勞試驗(yàn)荷載n（1 1）試驗(yàn)荷載取值）試驗(yàn)荷載取值n荷載上限值Qmax：按試件在荷載標(biāo)準(zhǔn)值的最不利組合產(chǎn)生的效應(yīng)值計(jì)算而得的。n荷載下限值Qmin：根據(jù)疲勞試驗(yàn)機(jī)性能而定，Qmin不應(yīng)小于液壓脈動(dòng)加載器最大動(dòng)荷載的3%。n計(jì)算Qmax和Qmin時(shí)應(yīng)予考慮加載過(guò)程中構(gòu)件和加載器運(yùn)動(dòng)部件的慣性力影響。n（2 2）疲勞荷載的頻率選擇）疲勞荷載的頻率選擇n疲勞荷載的頻率：疲勞試驗(yàn)荷載在單位時(shí)間內(nèi)重復(fù)作用的次數(shù)。n一般不大于10Hz。為避免試驗(yàn)時(shí)在構(gòu)件中產(chǎn)生動(dòng)力反應(yīng)，甚至使構(gòu)件或加載裝

17、置發(fā)生共振，加載頻率應(yīng)小于試件和加載裝置自振頻率的80%，或大于其自振頻率的130%。5-6 5-6 結(jié)構(gòu)疲勞試驗(yàn)結(jié)構(gòu)疲勞試驗(yàn)n2.2.疲勞試驗(yàn)加載程序疲勞試驗(yàn)加載程序n等幅疲勞試驗(yàn)加載程序包括靜載試驗(yàn)、疲勞試驗(yàn)和破壞試驗(yàn)三個(gè)階段。n（1 1）靜載試驗(yàn)階段）靜載試驗(yàn)階段 n預(yù)載后，先作兩次或三次加載、卸載循環(huán)的靜載試驗(yàn)，每級(jí)荷載值取最大荷載Qmax的20%，分五級(jí)加載，在加載過(guò)程中，當(dāng)分級(jí)加載經(jīng)過(guò)Qmin時(shí)，應(yīng)增設(shè)一個(gè)級(jí)次。對(duì)于允許出現(xiàn)裂縫的試件，應(yīng)在臨近開裂階段加密荷載分級(jí)。n（2 2）疲勞試驗(yàn)階段）疲勞試驗(yàn)階段n先加載至Qmin，調(diào)節(jié)加載頻率，施加Qmax，保持荷載穩(wěn)定使誤差不大于3%。宜

18、在重復(fù)加載到1萬(wàn)次、10萬(wàn)次、50萬(wàn)次、100萬(wàn)次、200萬(wàn)次及40萬(wàn)次時(shí)停機(jī)進(jìn)行靜載試驗(yàn)，測(cè)讀應(yīng)變、撓度，觀測(cè)裂縫。測(cè)讀動(dòng)應(yīng)變和動(dòng)撓度宜在重復(fù)加載到1萬(wàn)次、2萬(wàn)次、5萬(wàn)次、10萬(wàn)次、20萬(wàn)次、50萬(wàn)次、100萬(wàn)次、150萬(wàn)次、200萬(wàn)次、300萬(wàn)次及400萬(wàn)次時(shí)分別進(jìn)行。 5-6 5-6 結(jié)構(gòu)疲勞試驗(yàn)結(jié)構(gòu)疲勞試驗(yàn)n（3 3）破壞試驗(yàn)階段）破壞試驗(yàn)階段 n在試驗(yàn)重復(fù)荷載達(dá)到要求加載的次數(shù)后，可采用靜載或疲勞試驗(yàn)的方法，進(jìn)行試件破壞試驗(yàn)。n當(dāng)采用靜載試驗(yàn)方法時(shí)，可繼續(xù)進(jìn)行分級(jí)加載，但荷載級(jí)距可以加大，最后求得破壞荷載值，如圖5-34所示。圖5-34疲勞試驗(yàn)靜載破壞加載程序5-6 5-6 結(jié)構(gòu)疲勞試驗(yàn)結(jié)構(gòu)疲勞試驗(yàn)n當(dāng)采用疲勞試驗(yàn)進(jìn)行破壞試驗(yàn)時(shí)，可按原定的Qmax和Qmin的荷載幅值繼續(xù)施加重復(fù)荷載，直至破壞，求得試件施加重復(fù)荷載的極限次數(shù)，即疲勞壽命，如圖5-35所示。圖5-35疲勞試驗(yàn)破壞的加載程序5-6 5-6 結(jié)構(gòu)疲勞試驗(yàn)結(jié)構(gòu)疲勞試驗(yàn)n根據(jù)研究和試驗(yàn)要求的不同