工程結(jié)構(gòu)抗震試驗（課堂PPT）

1、1 工程結(jié)構(gòu)抗震試驗工程結(jié)構(gòu)抗震試驗 25.15.1概述概述結(jié)構(gòu)抗震試驗的目的：（1 1）確定結(jié)構(gòu)線性動力特性，即結(jié)構(gòu)在彈性階段變形比較小的情況下的自振周期、振型、能量耗散和阻尼值；（2 2）研究結(jié)構(gòu)的非線性性能，如結(jié)構(gòu)進入非線性階段的能量耗散、滯回特性、延性性能、破壞機理和破壞特征。5.1.15.1.1結(jié)構(gòu)抗震試驗的結(jié)構(gòu)抗震試驗的特點特點（1）荷載以動力形式出現(xiàn)；（2）加速度作用引起慣性力；（3）動荷載作用于結(jié)構(gòu)有應(yīng)變速率問題。35.1.25.1.2結(jié)構(gòu)抗震試驗內(nèi)容結(jié)構(gòu)抗震試驗內(nèi)容結(jié)構(gòu)抗震試驗設(shè)計 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)抗震試驗 中心結(jié)構(gòu)抗震試驗分析 目的45.1.35.1.3結(jié)構(gòu)抗震試驗分類結(jié)構(gòu)抗震試驗

2、分類結(jié)構(gòu)抗震試驗可以分為兩大類：結(jié)構(gòu)抗震靜力試驗結(jié)構(gòu)抗震動力試驗室內(nèi):擬靜力試驗、擬動力試驗、模擬振動臺試驗現(xiàn)場：人工地震模擬試驗、天然地震試驗55.1.3.1 5.1.3.1 擬靜力試驗擬靜力試驗 擬靜力試驗又稱為低周反復(fù)加載試驗或偽靜力試驗，一般給試驗對象施加低周反復(fù)作用的力或位移，來模擬地震時結(jié)構(gòu)的作用，并評定結(jié)構(gòu)的抗震性能和能力。擬靜力試驗實質(zhì)上是用靜力加載方式模擬地震對結(jié)構(gòu)物的作用。優(yōu)點：在試驗過程中可以隨時停下來觀測試件的開裂和破壞狀態(tài)，并可根據(jù)試驗需要改變加載歷程。不足：試驗的加載歷程是研究者事先主觀確定的，與實際地震作用歷程無關(guān)，不能反映實際地震作用時應(yīng)變速率的影響。65.1.

3、3.25.1.3.2擬動力試驗擬動力試驗 擬動力試驗又稱計算機加載器聯(lián)機試驗，是將計算機的計算和控制與結(jié)構(gòu)試驗有機地結(jié)合在一起的實驗方法。 優(yōu)點：結(jié)構(gòu)的恢復(fù)力特性不再來自數(shù)學(xué)模型，而是直接從被試驗結(jié)構(gòu)上實時側(cè)取。 不足：擬動力試驗不能反映實際地震作用時材料應(yīng)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(jié)構(gòu)實際所受的作用力分布75.1.3.35.1.3.3地震模擬振動臺試驗地震模擬振動臺試驗 地震模擬振動臺可以真實地再現(xiàn)地震過程，可以在振動臺臺面上再現(xiàn)天然地震記錄，安裝在振動臺上的試件就能收到類似天然地震的作用。 地震模擬振動臺試驗可以再現(xiàn)結(jié)構(gòu)在地震作用下

4、結(jié)構(gòu)開裂、破壞的全過程，能反映應(yīng)變速率的影響，對超高層或原型結(jié)構(gòu)進行整體模型試驗。 局限性：一般振動臺試驗都為模型試驗，比列較小，容易產(chǎn)生尺寸效應(yīng)，難以模擬結(jié)構(gòu)構(gòu)造。85.1.3.45.1.3.4人工地震模擬試驗人工地震模擬試驗 采用地面或地下爆炸法引起地面運動的動力效應(yīng)來模擬某一烈度或某一確定性天然地震對結(jié)構(gòu)的影響，對大比列模型或足尺結(jié)構(gòu)進行試驗，并已在實際工程試驗中得到實踐。 優(yōu)點：方法直觀簡單，并可考慮場地的影響。 缺點：但試驗費用高、難度大。95.1.3.55.1.3.5天然地震試驗天然地震試驗 在頻繁出現(xiàn)地震的地區(qū)或短期預(yù)報可能出現(xiàn)較大地震的地區(qū)，有意識地建造一些試驗性結(jié)構(gòu)或在已建結(jié)

5、構(gòu)上安裝測震儀，以便一旦發(fā)生地震時可以得到結(jié)構(gòu)的反應(yīng)。 優(yōu)點：方法真實、可靠。 缺點：費用高，實現(xiàn)難度較大105.25.2擬靜力試驗擬靜力試驗 擬靜力試驗方法是目前研究結(jié)構(gòu)或構(gòu)件抗震性能應(yīng)用最廣泛的試驗方法，它是采用一定的荷載控制或變形控制對試件進行低周反復(fù)加載，使試件從彈性階段直至破壞的一種試驗。 試件種類：梁、板、柱、節(jié)點、墻、框架和整體結(jié)構(gòu)等。115.2.15.2.1加載裝置加載裝置 試驗加載裝置多采用反力墻或者專用抗側(cè)力構(gòu)架，加載設(shè)備主要是用推拉千斤頂或電伺服結(jié)構(gòu)試驗系統(tǒng)裝置，并用計算機進行控制和數(shù)據(jù)采集。圖5.1 典型的擬靜力試驗系統(tǒng)加載12131415165.2.25.2.2加載制

6、度加載制度（1）單向反復(fù)加載制度 a.位移控制加載； b.力控制加載； c.力位移混合控制加載。175.2.35.2.3鋼管混凝土框架梁柱節(jié)點試驗鋼管混凝土框架梁柱節(jié)點試驗5.2.3.1試件形式：工字型、試件形式：工字型、X形形18（2）雙向反復(fù)加載制度a.x、y軸雙向同步加載；b. a.x、y軸雙向非同步加載。195.2.3.25.2.3.2試驗裝置試驗裝置a.梁柱節(jié)點組合體梁端加載裝置20b.梁柱節(jié)點組合體有側(cè)移柱端加載裝置21C.X型梁柱節(jié)點組合體試驗裝置225.2.3.3試驗加載程序控制作用力和控制位移的混合加載法5.2.3.4試驗觀測項目荷載及支座反力；荷載變形曲線；塑性鉸區(qū)段曲線率

7、或轉(zhuǎn)角；節(jié)點核心區(qū)剪切角；梁柱縱筋應(yīng)力；核心區(qū)箍筋應(yīng)力；鋼筋滑移。235.2.45.2.4試驗數(shù)據(jù)的確定試驗數(shù)據(jù)的確定通過擬靜力試驗可以得到如下數(shù)據(jù)：5.2.4.1 開裂荷載：對于混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件，取出現(xiàn)第一條垂直裂縫或斜裂縫時的荷載。5.2.4.2 屈服荷載和屈服變形：取試驗結(jié)構(gòu)構(gòu)件在荷載稍有增加而變形有較大增長時所承受的最小荷載和與其相應(yīng)的變形為屈服變形，對混凝土構(gòu)件系指受拉主筋應(yīng)力屈服時的荷載或相應(yīng)變形。5.2.4.3極限荷載：取試驗結(jié)構(gòu)構(gòu)件所能承受的最大荷載值。245.2.4.4 破損荷載和極限變形在試驗過程中，試驗構(gòu)件達到極限荷載后，出現(xiàn)大較大變形，但仍有可能修復(fù)時所對應(yīng)的荷載值，稱為

8、破損荷載。一般宜取極限荷載下降的15%時所對應(yīng)的荷載值作為破損荷載，其相應(yīng)的變形為極限變形。5.2.4.5 骨架曲線取荷載位移曲線各級第一循環(huán)的峰點（回載頂點）連接起來的包絡(luò)線作為骨架曲線。骨架曲線在研究非線性地震時，反映了每次循環(huán)的荷載位移曲線達到最大峰點的軌跡，反映了試驗構(gòu)件的抗震烈度、承載力和延性特點25265.2.4.6 延性系數(shù)是指試驗構(gòu)件塑性變形能力的一個指標，反映了結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗震性能的好壞，按下式計算：275.2.4.7 退化率反映試驗結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗力隨反復(fù)加載次數(shù)的增加而降低的指標。（1）當研究承載力退化時，用承載力降低系數(shù)表示退化率并按下式計算：（2）當研究剛度退化時，即在位移不變

9、的條件下，隨反復(fù)加載次數(shù)的增加而剛度降低的情況，用環(huán)線剛度表示退化率并按下式計算：285.2.4.8 能量耗散 試件結(jié)構(gòu)構(gòu)件的能量耗散能力，應(yīng)以荷載變形滯回曲線包圍的面積來衡量，能量耗散系數(shù)E應(yīng)按下式計算（圖5.14）；29305.3 5.3 擬動力試驗擬動力試驗 擬動力試驗是由計算機進行數(shù)值分析并控制加載。315.3.1 5.3.1 擬動力試驗設(shè)備擬動力試驗設(shè)備擬動力試驗的加載設(shè)備與擬靜力試驗類似，一般由計算機、液壓伺服加載器、傳感器、試驗臺架等組成。由給定地震加速度記錄通過計算機進行非線性結(jié)構(gòu)動力分析，將計算機得到的位移反應(yīng)作為輸入數(shù)據(jù)，以控制加載器對結(jié)構(gòu)進行試驗。這種方法需要在試驗前假定

10、結(jié)構(gòu)的恢復(fù)力特性模型。325.3.2 試驗步驟（1）在計算機系統(tǒng)中輸入地震加速度時程曲線，（2）把n時刻的地震加速度值代入運動方程，解除n時刻地震反應(yīng)。（3）由計算機控制電液伺服加載器，將 施加到結(jié)構(gòu)上，實現(xiàn)這一地震反應(yīng)。（4）測量 ，代入運動方程，計算n+1時刻的位移 ，量測結(jié)構(gòu)反力 。（5）重復(fù)上述實驗步驟，連續(xù)進行加載實驗，直到實驗結(jié)束。nXnF1nX1nF335.3.3 擬動力試驗的特點和局限性特點（1）擬動力試驗?zāi)苓M行原型或接近原型的結(jié)構(gòu)試驗。（2）擬動力試驗過程利于觀察和研究，特別是破壞過程。局限性（1）對于力學(xué)特征隨時間而變化的結(jié)構(gòu)物的地震反應(yīng)分析將受到一定限制，也不能分析研究依

11、賴于時間的粘滯阻尼的效果（2）擬動力試驗要求需要一定的設(shè)備和技術(shù)條件。345.4 模擬地震振動臺試驗 模擬地震振動臺試驗可以適時地再現(xiàn)各種地震波的作用過程，并進行人工地震波模擬實驗，它是在實驗室內(nèi)研究結(jié)構(gòu)地震的反應(yīng)和破壞機理的最直接的方法。35363738395.4.2 試驗加載過程試驗加載過程5.4.2.1 一次性加載過程一次性加載過程可以連續(xù)模擬結(jié)構(gòu)在一次強烈地震中的可以連續(xù)模擬結(jié)構(gòu)在一次強烈地震中的整個表現(xiàn)與反應(yīng)，但對試驗過程中的量整個表現(xiàn)與反應(yīng)，但對試驗過程中的量測和觀察要求過高，破壞階段的觀測比測和觀察要求過高，破壞階段的觀測比較危險。較危險。40（2）多次加載過程（1）動力特性試驗

12、（2）振動臺臺面輸入運動，使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生微裂縫。（3）加大臺面輸入運動，使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生中等程度的開裂。（4）加入臺面輸入加速度的幅值，結(jié)構(gòu)振動使其主要部位產(chǎn)生破壞，但結(jié)構(gòu)還有一定的承載能力。（5）繼續(xù)加大臺面運動，使結(jié)構(gòu)變?yōu)闄C動體系，稍加荷載就會發(fā)生破壞倒塌。415.4.3 試驗的觀測和動態(tài)反應(yīng)量測 在模擬地震振動臺試驗中一般需要觀測： 結(jié)構(gòu)的位移; 加速度; 應(yīng)變反應(yīng); 結(jié)構(gòu)的開裂部位； 裂縫的發(fā)展； 結(jié)構(gòu)的破壞部位； 破壞形式等。425.5 人工地震模擬試驗 在結(jié)構(gòu)抗震研究中，利用各種精力和動力試驗加載設(shè)備對結(jié)構(gòu)進行加載試驗，盡管能夠滿足部分模擬試驗的要求，但是都有一定的局限性，所以，試圖采用炸藥

13、爆炸產(chǎn)生瞬時的地面運動來模擬天然地震對結(jié)構(gòu)的影響。435.5.1 爆破方法（1）直接爆破法 在現(xiàn)場安裝炸藥并加以引爆 引爆后地面運動的基本現(xiàn)象是：地震運動加速度峰值隨裝藥量增加而增高；地面運動加速度峰值離爆心距離愈近則愈高；地面運動加速度持續(xù)時間離爆心距離愈遠則愈長。 缺點是需要很大的裝藥量才能產(chǎn)生較好的效果，而且所產(chǎn)生的人工地震與天然地震總是相差較遠。 44（2）密閉爆破法 密閉爆破是一種圓筒形的爆破線源，這種爆破線源是一只可重復(fù)使用的橡膠套管，鋼筒設(shè)有排氣孔，而在鋼筒上部留有空段，并用聚酯薄膜封頂。鋼管內(nèi)裝藥量雖不大，但引爆后爆炸生成物在控制的速率下排入膨脹橡膠內(nèi)，然后在它爆炸后的規(guī)定時間

14、內(nèi)用分裝的少量炸藥把封頂聚酯薄膜崩裂。 這樣，引爆后會產(chǎn)生兩次加速度運動：一次是從鋼圓筒排到外圍橡膠筒所引起的；另一次是由于氣體從崩破的薄膜封口排到大氣中引起的。這樣的爆破線可以在一定條件下同時引爆，形成爆破陣。455.5.2 人工地震模擬試驗的動力反應(yīng)問題 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、破壞范圍小； 人工地震的主頻率高于天然地震； 人工地震的主震持續(xù)時間一般在幾十毫秒至幾百毫秒，比天然地震的持續(xù)時間短很多。46為了更真實的模擬天然地震，可采取如下措施：（1）縮小實驗對象的尺寸（2-3倍），從而提高被試驗對象的自振頻率，可以保留試驗對象在

15、結(jié)構(gòu)構(gòu)造和材料性能上的特點，保持結(jié)構(gòu)的真實性；（2）將試驗對象建造在覆蓋層較厚的土層上，可以利用松軟土層的濾波作用，消耗地震波中的高頻分量，相對地提高低頻分量的幅值；（3）增加爆心與試驗對象的距離，使地震波的高頻分量在傳播中有極大的損耗，相對的提高低頻分量的影響。475.5.3 人工地震模擬試驗的量測技術(shù)問題（1）在試驗中主要是測量地面與建筑物的動態(tài)參數(shù)，而不是直接測量爆破源的一些參數(shù)，所以要求測量儀器的頻率一般在100Hz至幾百赫茲，就可以滿足動態(tài)測量的頻響要求。（2）爆破試驗中干擾影響嚴重，特別是爆破過程中產(chǎn)生的電磁場干擾，這對于高頻響應(yīng)較好、靈敏度較高的傳感器和記錄設(shè)備尤為嚴重。為此采用低主抗的傳感器，盡可能地縮短傳感器至放大器之間連接導(dǎo)線的距離，并進行屏蔽和接地。（3）整個試驗的爆炸時間較短，記錄下的波形不到一秒鐘，所以動應(yīng)變測量中，可以動應(yīng)變測量用線繞電阻代替溫度補償片，可節(jié)省電阻應(yīng)變計和貼片工作量。（4）結(jié)構(gòu)和地面質(zhì)點運動參數(shù)的動態(tài)信號測量，由于爆炸