《結構動力特性分析》課件

1、結構動力特性分析PPT課件結構動力特性分析PPT課件2022/9/222第一節(jié) 結構抗震試驗方法簡介結構抗震試驗的主要任務是構件或結構的動力破壞機理與破壞特征，確定結構的動力特性，為結構的動力理論模型提供基礎。結構試驗主要類型有：自振特性試驗、周期性反復靜力加載試驗、振動臺試驗和擬動力試驗。2022/9/214第一節(jié) 結構抗震試驗方法簡介結構抗震試驗2022/9/223第一節(jié) 結構抗震試驗方法簡介（續(xù)一）一、自振特性試驗 二、周期性反復靜力加載試驗 三、振動臺試驗四、擬動力試驗 2022/9/215第一節(jié) 結構抗震試驗方法簡介（續(xù)一）一、2022/9/224一、自振特性試驗自振特性試驗以獲取或

2、確定結構的自振周期、振型和阻尼為目的。實用的方法通常有三種： 1、自由振動法 2、共振法 3、脈動法。2022/9/216一、自振特性試驗自振特性試驗以獲取或確定2022/9/2251、自由振動法 自由振動法利用阻尼振動衰減原理求取自振特性。該法借助一定的張拉釋放裝置或反沖激振器使結構在一定的初位移（或初速度）狀態(tài)下開始自由衰減振動，通過記錄振動衰減曲線，便可利用動力學理論求出自振周期。自振衰減曲線上兩個相鄰波峰之間即等于結構自振周期。 動力特性測定2022/9/2171、自由振動法 自由振動法利用阻尼振動衰2022/9/2261、自由振動法動力特性測定放大器橋盒動態(tài)電阻應變儀光線示波器結構物

3、撞擊拾振器位移傳感器自由振動衰減量測系統2022/9/2181、自由振動法動力特性測定放大器橋盒動態(tài)2022/9/227自由振動時間歷程曲線有阻尼自由振動的運動方程：阻尼比衰減系數；自振頻率：即基本周期的倒數。2022/9/219自由振動有阻尼自由振動的運動方程：阻尼2022/9/2282、共振法共振法采用能產生穩(wěn)態(tài)簡諧振動的起振機或激振器作為振源。實驗時，把激振器安裝在結構適當位置，當逐漸加大激振器的輸出力量時，可以迫使結構產生周期性的強迫振動。在一定輸出力量下，逐漸改變激振器的激振頻率，則可促成結構的共振反應。通過測量結構振動反應的幅值，可以得到共振曲線和振型曲線。通過對共振曲線的分析，可

4、以獲得結構的自振頻率和振型阻尼比 2022/9/21102、共振法共振法采用能產生穩(wěn)態(tài)簡諧振動2022/9/2292、共振法（振動荷載法）功率放大器信號發(fā)生器激振器頻率儀試件放大器放大器放大器放大器記錄儀相位計拾振器共振法測量原理框圖2022/9/21112、共振法（振動荷載法）功率信號激振器2022/9/2210共振時的振動圖形和共振曲線由共振曲線求阻尼系數和阻尼比衰減系數：阻尼比：參數測定2022/9/2112共振時的由共振曲線衰減系數：阻尼比：參2022/9/2211用共振法測建筑物振型2022/9/2113用共振法測建筑物振型2022/9/22123、脈動法脈動：由于人為活動和自然環(huán)境

5、的影響，建筑物在一般情況下都經常產生微幅振動（振動以微米計）。這種微幅振動稱之為建筑物的脈動。脈動法：是通過測量建筑物的脈動反應波形來確定建筑物的動力特性。脈動信號的功率譜峰值對應著結構的固有頻率。2022/9/21143、脈動法脈動：由于人為活動和自然環(huán)境2022/9/2213二、周期性反復靜力加載試驗擬靜力試驗：周期性加載是指按一定的力或位移周期性地反復或重復加載。擬靜力試驗始于50年代后期、為確定構件和結構的恢復力模型進行的。根據試驗所得的荷載位移關系曲線反映結構耗能能力的強弱，觀察并研究結構破壞機理。擬靜力試驗加載試驗裝置的基本組成部分為：反力裝置,加載器,試驗臺座。 2022/9/2

6、115二、周期性反復靜力加載試驗擬靜力試驗：2022/9/2214二、周期性反復靜力加載試驗大型結構試驗反力墻設備2022/9/2116二、周期性反復靜力加載試驗大型結構試驗2022/9/2215二、周期性反復靜力加載試驗 1靜力試驗加載制度的分類 （1）單向反復加載 1）控制位移加載法 又可分為變幅加載、等幅加載和變幅等幅混合加載等方法。 a變幅加載 控制位移的變幅加載如圖8-1(a)所示。 （a）控制位移 （b）控制作用力 圖8-1 偽靜力試驗低周反復加載制度 2022/9/2117二、周期性反復靜力加載試驗 1靜2022/9/2216二、周期性反復靜力加載試驗b等幅加載控制位移的等幅加載

7、如圖8-2所示： c變幅等幅混合加載混合加載制度是將變幅、等幅兩種加載制度結合起來，如圖8-3所示。 圖8-2 控制位移的等幅加載制度圖圖8-3 控制位移的變幅等幅混合加載制度2022/9/2118二、周期性反復靜力加載試驗b等幅加載2022/9/2217二、周期性反復靜力加載試驗2）控制作用力加載法控制作用力的加載制度如圖8-1(b)所示。3）控制作用力和控制位移的混合加載法混合加載法是先控制作用力，一直加到屈服荷載，再用位移控制。從轉變?yōu)榭刂莆灰萍虞d起，即按屈服位移值的倍數值控制，直到結構破壞。 2022/9/2119二、周期性反復靜力加載試驗2）控制作用2022/9/2218三、振動臺試

8、驗60年代末，先后在日本、美國開展振動臺的研制和試驗。我國在6070年代，建造部分側重于進行正弦波振動試驗的振動臺，80年代建造了一批大、中型地震模擬振動臺 試驗目的：了解結構抗震性能、破壞機制、驗證計算模型的正確性 振動臺組成：臺體、激振器、控制系統、測量記錄系統、數據處理系統等部分。 2022/9/2120三、振動臺試驗60年代末，先后在日本、2022/9/2219三、振動臺試驗交通銀行大廈振動臺試驗2022/9/2121三、振動臺試驗交通銀行大廈2022/9/2220三、振動臺試驗試驗四個過程：結構自振特性的標定、線性階段的試驗、非線性階段的試驗和極限破壞試驗。技術難點在于如何處理試驗模

9、型與原型的相似關系問題。一般采取增加附加質量的方法來滿足密度相似要求。2022/9/2122三、振動臺試驗試驗四個過程：結構自振特2022/9/2221四、擬動力試驗 擬動力試驗（又稱為偽動力試驗或計算機-加載器聯機試驗），即是指計算機與試驗機聯機對試件進行加載試驗。 擬動力試驗：把電液伺服試驗裝置與計算機控制系統結合起來，利用加載試驗給出結構恢復力的實際數據，利用計算機數值分析技術給出加載試驗的逐步控制數據，為原型結構模擬地震試驗。2022/9/2123四、擬動力試驗 擬動力試驗（又稱為偽動2022/9/2222四、擬動力試驗 輸入地面運動加速度，計算下一步的位移值，位移值的轉換，量測恢復力

10、及位移值，由數據采集系統進行數據處理和反應分析。整個試驗工作的流程是連續(xù)循環(huán)進行的，全部由計算機自動控制操作。擬動力試驗具有以下特點：擬動力試驗在整個數值分析過程中不需要對結構的恢復力特性作任何假設，這對于分析非線性的系統性能特別有利。2022/9/2124四、擬動力試驗 輸入地面運動加速度，計2022/9/2223四、擬動力試驗 地震模擬振動臺試驗由于臺面尺寸和承載能力的限制，只能進行小比例模型的試驗，且彼此配重不足，不能很好滿足相似條件，特別是進入彈塑性階段工作時，更不可能滿足相似條件，導致地震作用破壞形態(tài)失真；擬靜力試驗只能得到構件或結構在反復荷載作用下的恢復力滯回特性，不能得到結構地震

11、反應全過程；而擬動力試驗則是加載試驗技術與計算機技術相結合的當代先進的抗震試驗方法，可以進行大比例模型或足尺結構抗震試驗，可慢速再現結構在地震作用下的彈性一彈塑性一倒塌全過程反應，這是具有廣泛發(fā)展前途的抗震試驗方法。 2022/9/2125四、擬動力試驗 地震模擬振動臺試驗由于2022/9/2224第二節(jié) 動力性能的一般特性一、動力彈性模量與動力極限強度 二、恢復力曲線 三、強度退化與剛度退化 四、裂面效應與包興格效應 2022/9/2126第二節(jié) 動力性能的一般特性一、動力彈性2022/9/2225一、動力彈性模量與動力極限強度 結構材料承受動荷載時的性能與承受靜荷載時的性能往往有較大的差別

12、。動力彈性模量高于靜力彈性模量。動力極限強度也高于靜力極限強度。2022/9/2127一、動力彈性模量與動力極限強度 結構材2022/9/2226二、恢復力曲線 滯回曲線：結構或構件在力循環(huán)往復作用下得到的力-變形曲線。 骨架曲線：滯回曲線的外包絡線。多數情況中，骨架曲線與單調加載的力變形曲線基本一致?；謴土η€：滯回曲線與骨架曲線合稱為恢復力曲線，它表示構件或結構的變形履歷過程。2022/9/2128二、恢復力曲線 滯回曲線：結構或構件在2022/9/2227二、恢復力曲線 恢復力代表構件或結構在外荷載去除后恢復原來形狀的能力。循環(huán)往復加載：正向加載-卸載-反向加載-反向卸載-再正向加載 重

13、復加載：加載-卸載-再加載 2022/9/2129二、恢復力曲線 恢復力代表構件或結構在2022/9/2228三、強度退化與剛度退化 在循環(huán)往復荷載作用下，當保持相同的峰點位移時，常常出現峰值荷載隨循環(huán)次數增多而降低的現象，稱作強度退化。2022/9/2130三、強度退化與剛度退化 在循環(huán)往復荷載2022/9/2229三、強度退化與剛度退化 當保持相同的峰值荷載時，峰點位移往往隨循環(huán)次數增加而增加，稱作剛度退化。退化性質反映結構累積損傷的影響，是結構動力性能的重要特性之一。2022/9/2131三、強度退化與剛度退化 當保持相同的峰2022/9/2230四、裂面效應與包興格效應 裂面效應即裂面

14、接觸效應，也就是在反復荷載下的鋼混材料，開裂的砼再受壓時，具有裂面局部接觸以傳遞壓力的效應。 造成裂面效應的根本原因是在裂面重新受壓時，骨料咬合作用使裂縫在完全閉合之前就已傳遞較大的壓力。試驗指出，裂縫越寬，裂面接觸效應越顯著。 2022/9/2132四、裂面效應與包興格效應 裂面效應即裂2022/9/2231四、裂面效應與包興格效應 循環(huán)往復加荷荷載變位曲線的另一特點是屈服后反向加載時應力可能明顯降低，這一現象稱之為包興格效應。2022/9/2133四、裂面效應與包興格效應 循環(huán)往復加荷2022/9/2232第三節(jié) 基本構件的動力特性 一、鋼筋混凝土構件 二、鋼結構構件三、砌體構件 2022

15、/9/2134第三節(jié) 基本構件的動力特性 一、鋼筋混2022/9/2233一、鋼筋混凝土構件 1、受彎構件；2、壓彎構件；3、受扭構件；4、梁-柱節(jié)點；5、剪力墻； 2022/9/2135一、鋼筋混凝土構件 1、受彎構件；2022/9/22341、受彎構件受彎構件：受彎構件是指沒有軸力影響，且以彎矩作用為主的梁式構件。在循環(huán)往復荷載下的破壞屬于纖維性破壞，即受拉鋼筋超過屈服應力后受壓鋼筋壓曲而破壞，因此，構件具有較大的延性。對比試驗表明，對稱配筋梁具有較好的延性，耗能能力亦較非對稱配筋梁好。 加密箍筋可以增加耗能能力，但不能完全消除捏攏現象。2022/9/21361、受彎構件受彎構件：受彎構件

16、是指沒有2022/9/22351、受彎構件鋼筋屈服前，循環(huán)往復荷載下梁的骨架曲線與單調加荷時梁的力變形曲線基本重合，滯回環(huán)基本呈穩(wěn)定的梭形，剛度與強度退化均較小。而在鋼筋屈服以后，由于鋼筋的包興格效應、混凝土裂縫的開張與閉合、鋼筋與混凝土之間粘結力的破壞，滯回曲線將出現“捏攏”現象，同時，剛度退化現象亦漸趨明顯。2022/9/21371、受彎構件鋼筋屈服前，循環(huán)往復荷載下2022/9/22361、受彎構件剪力的存在不利于受彎構件良好地發(fā)揮抗震性能。圖（a）剪力相對較小，滯回曲線基本呈“梭形”，圖（b）剪力較大，滯回環(huán)呈現顯著的“捏攏”現象，耗能能力明顯降低。2022/9/21381、受彎構件剪

17、力的存在不利于受彎構件良2022/9/22372、壓彎構件 壓彎構件主要模擬框架或排架柱的受力情況。由于軸力的存在，使構件延性降低，耗能能力減小。在無軸力情況下，滯回環(huán)最為豐滿，隨著軸壓比的提高，滯回環(huán)呈捏攏現象，最終成為所謂“弓形”的滯回曲線。2022/9/21392、壓彎構件 壓彎構件主要模擬框架或排2022/9/2238二、鋼結構構件 1、梁與柱2、梁柱節(jié)點連接3、梁柱節(jié)點域 4、支撐 2022/9/2140二、鋼結構構件 1、梁與柱2022/9/22391、梁與柱 鋼是一種良好的抗震材料，然而這種說法是有條件的，在循環(huán)往復荷載作用下整體或局部的失穩(wěn)與低周疲勞斷裂都有可能導致鋼結構構件出

18、現非延性破壞。2022/9/21411、梁與柱 鋼是一種良好的抗震材料2022/9/2240 2、梁柱節(jié)點連接 鋼結構的梁柱節(jié)點連接，有全焊接、翼板焊接、腹板螺栓連接和全螺栓連接等諸多形式。良好的焊接節(jié)點（包括翼板焊接、腹板螺栓連接節(jié)點）具有穩(wěn)定的滯回性能，而螺栓連接節(jié)點則可能因螺栓的滑動使滯回環(huán)呈滑移形式。2022/9/2142 2、梁柱節(jié)點連接2022/9/22413、梁柱節(jié)點域 鋼框架中的梁柱節(jié)點域在梁不平衡彎矩和柱端剪力作用下，會產生較大的剪切變形，對結構的內力和變形均有較大影響。滿足局部穩(wěn)定條件的梁柱節(jié)點域具有飽滿、穩(wěn)定的滯回曲線。2022/9/21433、梁柱節(jié)點域 鋼框架中的20

19、22/9/2242 4、支撐 單件支撐在不同變形幅度下的循環(huán)往復試驗滯回曲線典型情況如圖。這一發(fā)現導致人們曾試圖將兩個交叉支撐視為兩個單桿支撐，利用單桿支撐的滯回性質來集合交叉支撐的滯回性質。但后來的研究表明，這種近似難以反應兩支撐間的相互作用影響。 2022/9/2144 4、支撐2022/9/2243第四節(jié) 整體結構的動力性能 一、周期與阻尼 二、內力重分布與變形集中 三、雙向地震作用 四、扭轉反應 2022/9/2145第四節(jié) 整體結構的動力性能 一、周期與2022/9/2244一、周期與阻尼對建筑物進行大規(guī)模的自振特性的觀測，積累了數以千計的試驗數據，得到經驗公式，按我國試驗數據總結的

20、常見結構基本周期計算公式。2022/9/2146一、周期與阻尼對建筑物進行大規(guī)模的自振2022/9/2245一、周期與阻尼結構自振周期的大小與結構的變形階段密切相關。上述經驗結果一般是指在彈性變形狀態(tài)下的值。在非線性變形狀態(tài)下，結構自振周期是一個變量。帶構造柱多層磚房試驗結果說明，開裂后，結構第一頻率下降約一半，相當于結構剛度降低4倍；開裂后，較高振型振動所消耗能量顯著增加。2022/9/2147一、周期與阻尼結構自振周期的大小與結構2022/9/2246二、內力重分布與變形集中在循環(huán)往復荷載作用下，由于荷載的反向作用和結構內部的累積，使內力重分布規(guī)律更趨復雜而不易掌握。 鋼筋混凝土框架結構的

21、彈塑性性能及破壞機理，除與其基本構件的恢復力特性密切關系外，還與結構中塑性鉸形成的過程有重要關系。在框架結構首先出現梁塑性鉸后，若能使框架在內力重分配中依次較均勻地出現塑性鉸，則框架結構將具有最好的延性。2022/9/2148二、內力重分布與變形集中在循環(huán)往復荷載2022/9/2247二、內力重分布與變形集中(續(xù)一)塑性鉸的形成是非線性變形在構件一小區(qū)段內地集中，與之類似，整體結構層間屈服會造成非線性變形在該層的集中。在地震中，結構將首先在薄弱層發(fā)生破壞。由于結構內力重分布的作用，結構累積損傷效應、結構振動內力傳播的特點等因素的綜合影響，這種薄弱層的破壞將迅速惡化，形成非線性變形集中于這一層或

22、幾層的不利情況。試驗表明，在彈性變形階段變形較大的層在彈塑性階段不一定變形最大。說明彈塑性變形的集中不僅與層間剛度有關，還與層間強度密切相關。2022/9/2149二、內力重分布與變形集中(續(xù)一)塑性鉸2022/9/2248三、雙向地震作用雙向地震作用:相互垂直的兩個水平方向或水平向與豎向兩種情況。在雙向地震作用下，結構構件存在著強度相互作用影響和剛度相互作用影響, 將使結構在雙向地震作用下的反應增大。試驗指出，雙向地震波對非對稱結構位移反應的影響較對稱結構大；雙向地震波對框架柱的局部屈曲有不利的影響。理論分析表明，雙向地震作用對彈塑性層間相對位移的影響比對樓層位移反應的影響大;對結構下層的影

23、響比對結構上層的影響大。2022/9/2150三、雙向地震作用2022/9/2249四、扭轉反應 實際工程中，存在結構質心與剛心不重合的結構物。震害調查表明，這種結構特征使地震中的扭轉破壞現象十分突出。試驗發(fā)現，偏心結構在雙向地震作用下的扭轉反應突出而且明顯，角部破壞嚴重，邊墻首先開裂，墻體塌落自外向內發(fā)展是扭轉反應的典型表現。一般規(guī)律：在結構的初始損傷階段，扭轉反應隨結構損傷的發(fā)展而增加，而在結構進入到接近或超過層間屈服的嚴重損傷階段，扭轉反應又趨于降低。2022/9/2151四、扭轉反應 2022/9/2250第五節(jié) 恢復力曲線模型 一、恢復力曲線的實驗擬合法 二、幾個重要的恢復力曲線模型

24、 2022/9/2152第五節(jié) 恢復力曲線模型 一、恢復力曲線2022/9/2251一、恢復力曲線的實驗擬合法實驗擬合法是根據實驗散點圖，利用一定的數學模型，定量地確定出骨架曲線和不同控制變形下的標準滯回環(huán)，然后將骨架曲線和各標準滯回環(huán)結合起來組成恢復力曲線，并利用不同控制變形下的標準滯回環(huán)相比較確定反復加荷時的退化規(guī)律。實驗擬合法所依據的背景一般是周期性的擬靜力試驗。2022/9/2153一、恢復力曲線的實驗擬合法實驗擬合法是2022/9/2252一、恢復力曲線的實驗擬合法(續(xù)一)1、骨架曲線 采用無量綱坐標，將實驗數據點在 圖上。這里 分別表示屈服變形和屈服荷載。從圖上可見，屈服之前，軸力

25、對骨架曲線的影響不大；在A點，實驗點的趨勢有一明顯轉折；屈服之后，離散性較大，總的趨勢是隨軸力的增加，延性段逐漸減小，下降段斜率逐漸增加。于是可用四折線來表示骨架曲線。 2022/9/2154一、恢復力曲線的實驗擬合法(續(xù)一)1、2022/9/2253一、恢復力曲線的實驗擬合法(續(xù)二)2、標準滯回環(huán) 與上述做法類似，可以得到近屈服點和近極限點處的兩種標準滯回環(huán)。2022/9/2155一、恢復力曲線的實驗擬合法(續(xù)二)2、2022/9/2254一、恢復力曲線的實驗擬合法(續(xù)三)3、剛度退化規(guī)律 以屈服滯回環(huán)的剛度為Ky，以極限滯回環(huán)的剛度為Ku ，則退化剛度KT可表示為：上式表明，剛度退化隨絕對值的增加而發(fā)展。應該指出，由于從實驗擬合的角度出發(fā)，上式同時表達了滯回環(huán)各線段的剛度退化規(guī)律，對應于圖的各線段，剛度Ky與Ku分別由公式(5.6)取值.把骨架曲線、標準滯回環(huán)、剛度退化規(guī)律相結合，就可以組成一個較為完整的恢復力模型。 2022/9/2156一、恢復力曲線的實驗擬合法(續(xù)三)3、2022/9/2255二、幾個重要的恢復力曲線模型1、蘭伯格奧斯古德模型2、克拉夫模型3、武