第5章結(jié)構(gòu)抗震試驗(yàn)技術(shù)

1、地震工程學(xué)地震工程學(xué)-結(jié)構(gòu)抗震試驗(yàn)技術(shù)結(jié)構(gòu)抗震試驗(yàn)技術(shù)內(nèi)封2022-2-14結(jié)構(gòu)抗震試驗(yàn)的任務(wù)和分類結(jié)構(gòu)抗震試驗(yàn)的任務(wù)和分類一、抗震試驗(yàn)的任務(wù)一、抗震試驗(yàn)的任務(wù)1、結(jié)構(gòu)抗震性能：、結(jié)構(gòu)抗震性能：一般從結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度、延性、耗能一般從結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度、延性、耗能性能、剛度退化等方面來衡量。性能、剛度退化等方面來衡量。2、結(jié)構(gòu)抗震能力：、結(jié)構(gòu)抗震能力：是結(jié)構(gòu)抗震性能的表現(xiàn)。我國抗震規(guī)范是結(jié)構(gòu)抗震性能的表現(xiàn)。我國抗震規(guī)范的結(jié)構(gòu)抗震能力為的結(jié)構(gòu)抗震能力為“小震不壞、中震可修、大震不倒小震不壞、中震可修、大震不倒”。3、抗震試驗(yàn)的任務(wù)、抗震試驗(yàn)的任務(wù)新材料的抗震性能研究，為推廣使用提供科學(xué)依據(jù)；新材料

2、的抗震性能研究，為推廣使用提供科學(xué)依據(jù)；新結(jié)構(gòu)的抗震能力研究，提出新結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)方法；新結(jié)構(gòu)的抗震能力研究，提出新結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)方法；實(shí)際結(jié)構(gòu)的模型試驗(yàn)研究，驗(yàn)證結(jié)構(gòu)的抗震性能和能力；實(shí)際結(jié)構(gòu)的模型試驗(yàn)研究，驗(yàn)證結(jié)構(gòu)的抗震性能和能力；為制定和修改抗震設(shè)計(jì)規(guī)范提供科學(xué)依據(jù)。為制定和修改抗震設(shè)計(jì)規(guī)范提供科學(xué)依據(jù)。第一節(jié)第一節(jié) 結(jié)構(gòu)抗震試驗(yàn)試件類型結(jié)構(gòu)抗震試驗(yàn)試件類型第一節(jié)第一節(jié) 結(jié)構(gòu)抗震試驗(yàn)試件類型結(jié)構(gòu)抗震試驗(yàn)試件類型第一節(jié)第一節(jié) 結(jié)構(gòu)抗震試驗(yàn)試件類型結(jié)構(gòu)抗震試驗(yàn)試件類型一、梁式試件一、梁式試件二、柱式試件二、柱式試件三、節(jié)點(diǎn)及框架組合件試件三、節(jié)點(diǎn)及框架組合件試件四、框架試件四、框架試件五、剪

3、力墻及墻體試件五、剪力墻及墻體試件一、梁式試件一、梁式試件二、柱式試件二、柱式試件二、柱式試件二、柱式試件三、節(jié)點(diǎn)及框架組合件試件三、節(jié)點(diǎn)及框架組合件試件三、節(jié)點(diǎn)及框架組合件試件三、節(jié)點(diǎn)及框架組合件試件四、框架試件四、框架試件四、框架試件四、框架試件五、剪力墻及墻體試件五、剪力墻及墻體試件五、剪力墻及墻體試件五、剪力墻及墻體試件第二節(jié)第二節(jié) 加載設(shè)備和裝置加載設(shè)備和裝置一、試驗(yàn)類型一、試驗(yàn)類型二、加載設(shè)備二、加載設(shè)備三、加載的反力裝置三、加載的反力裝置四、試驗(yàn)數(shù)據(jù)的量測(cè)與采集四、試驗(yàn)數(shù)據(jù)的量測(cè)與采集建筑結(jié)構(gòu)試驗(yàn)的分類 生產(chǎn)性試驗(yàn)和科研性試驗(yàn) 靜力試驗(yàn)和動(dòng)力試驗(yàn) 真型試驗(yàn)和模型試驗(yàn) 短期載荷試驗(yàn)

4、和長期載荷試驗(yàn) 試驗(yàn)室試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)靜力試驗(yàn)靜力試驗(yàn)靜力單調(diào)加載試驗(yàn)靜力單調(diào)加載試驗(yàn)低周反復(fù)靜力加載試驗(yàn)低周反復(fù)靜力加載試驗(yàn)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)疲勞試驗(yàn)疲勞試驗(yàn)風(fēng)載試驗(yàn)風(fēng)載試驗(yàn)快速擬動(dòng)力試驗(yàn)（高級(jí)計(jì)算機(jī)加載器聯(lián)機(jī)試驗(yàn)）快速擬動(dòng)力試驗(yàn)（高級(jí)計(jì)算機(jī)加載器聯(lián)機(jī)試驗(yàn)）擬動(dòng)力試驗(yàn)（計(jì)算機(jī)加載器聯(lián)機(jī)試驗(yàn)）擬動(dòng)力試驗(yàn)（計(jì)算機(jī)加載器聯(lián)機(jī)試驗(yàn)）動(dòng)力試驗(yàn)動(dòng)力試驗(yàn)擬靜力試驗(yàn)擬靜力試驗(yàn)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)按加載性質(zhì)分類結(jié)構(gòu)試驗(yàn)按加載性質(zhì)分類采集簡(jiǎn)單、離線處理，采集簡(jiǎn)單、離線處理，計(jì)算量較小，無計(jì)算速計(jì)算量較小，無計(jì)算速度要求度要求實(shí)時(shí)在線采集、在線處實(shí)時(shí)在線采集、在線處理，計(jì)算量大，計(jì)算速理，計(jì)算量大，計(jì)算速度要求高度要求高動(dòng)力

5、監(jiān)測(cè)試驗(yàn)動(dòng)力監(jiān)測(cè)試驗(yàn)承力架承力架試件試件液壓加載器液壓加載器操作臺(tái)操作臺(tái)管路系統(tǒng)管路系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)座試驗(yàn)臺(tái)座-4-1-2-34321優(yōu)點(diǎn)：試驗(yàn)試件尺寸和比例大優(yōu)點(diǎn)：試驗(yàn)試件尺寸和比例大缺點(diǎn)：無法考慮地震的時(shí)間效應(yīng)缺點(diǎn)：無法考慮地震的時(shí)間效應(yīng)靜力試驗(yàn)靜力試驗(yàn)優(yōu)點(diǎn)：能夠真實(shí)模擬地震優(yōu)點(diǎn)：能夠真實(shí)模擬地震缺點(diǎn)：試驗(yàn)試件尺寸受限缺點(diǎn)：試驗(yàn)試件尺寸受限振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)擬動(dòng)力試驗(yàn)（計(jì)算機(jī)加載器聯(lián)機(jī)試驗(yàn)）擬動(dòng)力試驗(yàn)（計(jì)算機(jī)加載器聯(lián)機(jī)試驗(yàn)） 按照某種確定性的地震反應(yīng)進(jìn)行加載。而由于結(jié)構(gòu)的恢復(fù)力模型未知，運(yùn)動(dòng)方程無法求解，故采用“邊試驗(yàn)、邊求解”的方法分步得到實(shí)測(cè)的結(jié)構(gòu)恢復(fù)力模型，然后可完成整個(gè)試驗(yàn)加載過程。

6、加載設(shè)備可利用偽靜力試驗(yàn)設(shè)備，但必須可聯(lián)機(jī)控制加載，即計(jì)算機(jī)控制的電液伺服加載系統(tǒng)(包含數(shù)個(gè)作動(dòng)器，即加載器)。擬動(dòng)力試驗(yàn)步驟擬動(dòng)力試驗(yàn)步驟擬擬動(dòng)動(dòng)力力試試驗(yàn)驗(yàn)在振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)基在振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)基礎(chǔ)上，降低時(shí)間礎(chǔ)上，降低時(shí)間速率，在擬靜力速率，在擬靜力的基礎(chǔ)上通過動(dòng)的基礎(chǔ)上通過動(dòng)力微分方程求解力微分方程求解體現(xiàn)地震動(dòng)時(shí)間體現(xiàn)地震動(dòng)時(shí)間特性，從而既模特性，從而既模擬了地震作用，擬了地震作用，又增大了試驗(yàn)試又增大了試驗(yàn)試件尺寸件尺寸擬動(dòng)力試驗(yàn)步驟擬動(dòng)力試驗(yàn)步驟設(shè)備共享、設(shè)備共享、提高利用率、提高利用率、解決尺寸和空解決尺寸和空間難題、間難題、數(shù)據(jù)共享數(shù)據(jù)共享擬動(dòng)力試驗(yàn)發(fā)展新方向之一擬動(dòng)力試驗(yàn)發(fā)展新方向之一

7、網(wǎng)絡(luò)聯(lián)機(jī)擬動(dòng)力試驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)機(jī)擬動(dòng)力試驗(yàn)優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)快速：固化硬件和芯片。實(shí)時(shí)計(jì)算、速度大幅提升快速：固化硬件和芯片。實(shí)時(shí)計(jì)算、速度大幅提升準(zhǔn)確：結(jié)合大型有限元軟件，結(jié)果可靠準(zhǔn)確：結(jié)合大型有限元軟件，結(jié)果可靠精細(xì)：可以模擬局部和微觀尺度的力學(xué)性能精細(xì)：可以模擬局部和微觀尺度的力學(xué)性能擬動(dòng)力試驗(yàn)發(fā)展新方向之一擬動(dòng)力試驗(yàn)發(fā)展新方向之一快速擬動(dòng)力試驗(yàn)快速擬動(dòng)力試驗(yàn)優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)健康監(jiān)測(cè)試驗(yàn)4個(gè)風(fēng)速儀 16個(gè)加速度計(jì)58個(gè)電阻應(yīng)變計(jì) 148個(gè)振弦式應(yīng)變計(jì)1套地秤 36個(gè)傾角儀 3個(gè)攝像頭車載及動(dòng)應(yīng)變實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)顯示 風(fēng)載、溫度和應(yīng)變實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)顯示 一、擬靜力加載設(shè)備一、擬靜力加載設(shè)備u機(jī)械式千斤頂或液壓式千斤頂機(jī)械式千斤

8、頂或液壓式千斤頂u電液伺服加載系統(tǒng)電液伺服加載系統(tǒng) 主要包括電液伺服作主要包括電液伺服作動(dòng)器、模擬控制器、液壓源、液壓管路和動(dòng)器、模擬控制器、液壓源、液壓管路和測(cè)量?jī)x器等測(cè)量?jī)x器等加載裝置加載裝置u常用的反力裝置主要有反力墻、反力臺(tái)座、常用的反力裝置主要有反力墻、反力臺(tái)座、門式剛架、反力架和相應(yīng)的各種組合類型門式剛架、反力架和相應(yīng)的各種組合類型u加載反力裝置應(yīng)具有足夠的剛度、承載力加載反力裝置應(yīng)具有足夠的剛度、承載力和整體穩(wěn)定性，能夠滿足試件的受力狀態(tài)和整體穩(wěn)定性，能夠滿足試件的受力狀態(tài)和模擬試件的實(shí)際邊界條件和模擬試件的實(shí)際邊界條件墻片試驗(yàn)裝置墻片試驗(yàn)裝置梁式構(gòu)件試驗(yàn)裝置梁式構(gòu)件試驗(yàn)裝置頂部

9、無轉(zhuǎn)動(dòng)的抗剪試驗(yàn)裝置頂部無轉(zhuǎn)動(dòng)的抗剪試驗(yàn)裝置梁柱節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)裝置梁柱節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)裝置測(cè)測(cè)P P效應(yīng)的節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)裝置效應(yīng)的節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)裝置分配梁懸吊支撐加載試驗(yàn)裝置分配梁懸吊支撐加載試驗(yàn)裝置力位移的關(guān)系曲線力位移的關(guān)系曲線電液伺服擬靜力試驗(yàn)加載系統(tǒng)電液伺服擬靜力試驗(yàn)加載系統(tǒng)第三節(jié)第三節(jié) 試驗(yàn)加載制度試驗(yàn)加載制度一、加載制度的幾種方案一、加載制度的幾種方案二、關(guān)于加載制度的討論二、關(guān)于加載制度的討論一、加載制度的幾種方案一、加載制度的幾種方案1、主軸向單向受力的加載制度、主軸向單向受力的加載制度 （1）變位移加載）變位移加載 （2）變力加載）變力加載 （3）變力變位移加載制度）變力變位移加載制度2、雙向受力加載

10、制度、雙向受力加載制度 （1）同步加載）同步加載 （2）非同步加載）非同步加載 變位移加載變位移加載u變幅加載變幅加載u等幅加載等幅加載u混合加載混合加載變幅加載變幅加載等幅加載等幅加載混合加載混合加載混合加載混合加載變力加載變力加載同步加載同步加載u當(dāng)用一個(gè)加載器在與截面主軸成一定角度當(dāng)用一個(gè)加載器在與截面主軸成一定角度作斜向加載時(shí)，兩個(gè)主軸向的分量是同步作斜向加載時(shí)，兩個(gè)主軸向的分量是同步的的u斜向加載的加載制度與單向受力加載相同斜向加載的加載制度與單向受力加載相同非同步加載非同步加載u非同步加載要用兩個(gè)加載器分別在截面兩非同步加載要用兩個(gè)加載器分別在截面兩個(gè)主軸方向加力個(gè)主軸方向加力u可

11、以先后施加荷載可以先后施加荷載u雙向受力遠(yuǎn)比單向受力復(fù)雜雙向受力遠(yuǎn)比單向受力復(fù)雜單向加載單向加載一向恒載、一向加載一向恒載、一向加載先后加載先后加載二、關(guān)于加載制度的討論二、關(guān)于加載制度的討論1、研究目的與加載制度的關(guān)系、研究目的與加載制度的關(guān)系 （1）建立恢復(fù)力模型）建立恢復(fù)力模型 （2）建立強(qiáng)度計(jì)算公式及研究破壞機(jī)制）建立強(qiáng)度計(jì)算公式及研究破壞機(jī)制 （3）改進(jìn)和發(fā)展抗震構(gòu)造措施）改進(jìn)和發(fā)展抗震構(gòu)造措施2、不同加載方案引起的耗能差異、不同加載方案引起的耗能差異3、周期性加載制度的局限性、周期性加載制度的局限性建立恢復(fù)力模型采用的加載制度建立恢復(fù)力模型采用的加載制度建立強(qiáng)度計(jì)算公式及研究破壞機(jī)

12、制建立強(qiáng)度計(jì)算公式及研究破壞機(jī)制采用的加載制度采用的加載制度改進(jìn)和發(fā)展抗震構(gòu)造措施改進(jìn)和發(fā)展抗震構(gòu)造措施比較強(qiáng)度或變形能力時(shí)比較強(qiáng)度或變形能力時(shí)改進(jìn)和發(fā)展抗震構(gòu)造措施改進(jìn)和發(fā)展抗震構(gòu)造措施比較強(qiáng)度和退化率時(shí)比較強(qiáng)度和退化率時(shí)二、不同加載方案引起的耗能差異二、不同加載方案引起的耗能差異變幅加載時(shí)，假定骨架曲線變幅加載時(shí)，假定骨架曲線不變，不同加載方案的的情況。不變，不同加載方案的的情況。第四節(jié)第四節(jié) 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理一、骨架曲線一、骨架曲線二、割線剛度二、割線剛度三、延性系數(shù)三、延性系數(shù)四、荷載降低系數(shù)四、荷載降低系數(shù)五、能量耗散系數(shù)五、能量耗散系數(shù)骨架曲線與荷載變形滯回曲線骨架曲線與荷

13、載變形滯回曲線包興格效應(yīng)包興格效應(yīng)(Bauschinger effect) 某些塑性材料的一種力學(xué)性質(zhì)，表現(xiàn)為當(dāng)材料受到某一方向某些塑性材料的一種力學(xué)性質(zhì)，表現(xiàn)為當(dāng)材料受到某一方向的載荷作用（如拉伸）進(jìn)入塑性變形階段后，若接著施加相的載荷作用（如拉伸）進(jìn)入塑性變形階段后，若接著施加相反方向的載荷（如壓縮），將會(huì)發(fā)現(xiàn)此時(shí)材料的屈服應(yīng)力會(huì)反方向的載荷（如壓縮），將會(huì)發(fā)現(xiàn)此時(shí)材料的屈服應(yīng)力會(huì)比直接施加后一種載荷時(shí)降低。比直接施加后一種載荷時(shí)降低。包興格效應(yīng)在絕大多數(shù)多晶金屬材料中都可以觀察到。一般包興格效應(yīng)在絕大多數(shù)多晶金屬材料中都可以觀察到。一般認(rèn)為，該效應(yīng)與材料內(nèi)部因?yàn)樗苄宰冃萎a(chǎn)生的殘余內(nèi)應(yīng)力以

14、認(rèn)為，該效應(yīng)與材料內(nèi)部因?yàn)樗苄宰冃萎a(chǎn)生的殘余內(nèi)應(yīng)力以及位錯(cuò)塞積等因素相關(guān)。及位錯(cuò)塞積等因素相關(guān)。強(qiáng)震作用下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)恢復(fù)力曲線呈現(xiàn)復(fù)雜的滯回特征強(qiáng)震作用下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)恢復(fù)力曲線呈現(xiàn)復(fù)雜的滯回特征,反映材料非線性、裂縫開合、鋼筋反映材料非線性、裂縫開合、鋼筋混凝土間黏結(jié)滑移、低混凝土間黏結(jié)滑移、低周疲勞等因素對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度的影響。周疲勞等因素對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度的影響。割線剛度割線剛度iiiiiiiFFKXXFiXi 式 中 第 次 峰 點(diǎn) 荷 載 值 ； 第 次 峰 點(diǎn) 位 移 值 。延性系數(shù)延性系數(shù)uyuyXXXX式 中 試 體 的 極 限 位 移 ； 試 體 的 屈 服 位 移 。延性

15、系數(shù)的作圖法計(jì)算退化率 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和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)，每施加一周荷載后強(qiáng)度或剛度降低的速率。它反映結(jié)構(gòu)在一定變形條件下，強(qiáng)度或剛度隨反復(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)退化率小時(shí)，說明結(jié)構(gòu)有較大的耗能能力。通常采用某一控制位移下第通常采用某一控制位移下第N 次循環(huán)的峰值荷載與該級(jí)次循環(huán)的峰值荷載與該級(jí)位移下首次加載時(shí)的峰值荷載之比來表示強(qiáng)度衰減位移下首次加載時(shí)的峰值荷載之比來表示強(qiáng)度衰減第第j 級(jí)加載時(shí)第級(jí)加載時(shí)第i 次循環(huán)的峰值荷載值次循環(huán)的峰值荷載值第第j 級(jí)加載時(shí)第級(jí)加載時(shí)第1 次循環(huán)的峰值荷載值次循環(huán)的峰值荷載值

16、結(jié)構(gòu)剛度退化率能量耗散系數(shù)能量耗散系數(shù)(ABC CDA)(OBE+ODF)SES結(jié)構(gòu)性能循環(huán)退化示意圖結(jié)構(gòu)性能循環(huán)退化示意圖功比系數(shù)功比系數(shù)功比系數(shù)功比系數(shù)I 是表示耗能能力的另一種指標(biāo)，用來表是表示耗能能力的另一種指標(biāo)，用來表達(dá)結(jié)構(gòu)在加載過程中吸收能量的大小。達(dá)結(jié)構(gòu)在加載過程中吸收能量的大小。Pi、i為第為第i 次循環(huán)加載時(shí)結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)的荷載和位移值；次循環(huán)加載時(shí)結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)的荷載和位移值；Py、y分別為屈服荷載和屈服位移值。分別為屈服荷載和屈服位移值。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的功比系數(shù)不足10，而鋼結(jié)構(gòu)的功比系數(shù)則大于40=1=/()niiyyiIPP循環(huán)退化指數(shù)循環(huán)退化指數(shù)功比系數(shù)功比系數(shù)I 是表示耗能能

17、力的另一種指標(biāo)，用來表是表示耗能能力的另一種指標(biāo)，用來表達(dá)結(jié)構(gòu)在加載過程中吸收能量的大小。達(dá)結(jié)構(gòu)在加載過程中吸收能量的大小。3-12=1=(-)iiitjjEEEiE-1=1ijjEtE為第為第i次加載循環(huán)時(shí)結(jié)構(gòu)耗散的能量；次加載循環(huán)時(shí)結(jié)構(gòu)耗散的能量；為第為第i次加載循環(huán)之前結(jié)構(gòu)累積耗散的能量；次加載循環(huán)之前結(jié)構(gòu)累積耗散的能量；為結(jié)構(gòu)的能量耗能能力，其值為結(jié)構(gòu)破壞時(shí)對(duì)應(yīng)的為結(jié)構(gòu)的能量耗能能力，其值為結(jié)構(gòu)破壞時(shí)對(duì)應(yīng)的功比系數(shù)與五倍的結(jié)構(gòu)彈性應(yīng)變能的乘積。功比系數(shù)與五倍的結(jié)構(gòu)彈性應(yīng)變能的乘積。 上升段結(jié)構(gòu)性能退化示意圖上升段結(jié)構(gòu)性能退化示意圖下降段結(jié)構(gòu)性能退化示意圖下降段結(jié)構(gòu)性能退化示意圖結(jié)構(gòu)卸載剛度退化示意圖結(jié)構(gòu)卸載剛度退化示意圖結(jié)構(gòu)再加載剛度加速退化示意圖結(jié)構(gòu)再加載剛度加速退化示意圖地震損傷指標(biāo)材料層次的損傷變量A為材料原始截面面積; 為受損后有效面積A、m、S0、S1、 為材料常數(shù)max、min為一次循環(huán)內(nèi)的最大、最小應(yīng)力地震損傷指標(biāo)構(gòu)件層次的損傷變量基于變形累積損傷理論基于變形累積損傷理論m、y分別為最大轉(zhuǎn)角、屈服轉(zhuǎn)角地震損傷指標(biāo)構(gòu)件層次的損傷變量基于變形累