結(jié)構(gòu)動力特性分析課件

第七章結(jié)構(gòu)動力特性分析

第一節(jié)結(jié)構(gòu)抗震試驗(yàn)方法簡介

第二節(jié)動力性能的一般特性第三節(jié)基本構(gòu)件的動力特性第四節(jié)整體結(jié)構(gòu)的動力性能第五節(jié)恢復(fù)力曲線模型

第六節(jié)系統(tǒng)識別理論

3/14/20231第一節(jié)結(jié)構(gòu)抗震試驗(yàn)方法簡介結(jié)構(gòu)抗震試驗(yàn)的主要任務(wù)是構(gòu)件或結(jié)構(gòu)的動力破壞機(jī)理與破壞特征，確定結(jié)構(gòu)的動力特性，為結(jié)構(gòu)的動力理論模型提供基礎(chǔ)。結(jié)構(gòu)試驗(yàn)主要類型有：自振特性試驗(yàn)、周期性反復(fù)靜力加載試驗(yàn)、振動臺試驗(yàn)和擬動力試驗(yàn)。3/14/20232第一節(jié)結(jié)構(gòu)抗震試驗(yàn)方法簡介（續(xù)一）一、自振特性試驗(yàn)

二、周期性反復(fù)靜力加載試驗(yàn)

三、振動臺試驗(yàn)四、擬動力試驗(yàn)

3/14/202331、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(jié)構(gòu)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(xué)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(jié)構(gòu)自振周期。動力特性測定3/14/202351、自由振動法動力特性測定放大器橋盒動態(tài)電阻應(yīng)變儀光線示波器結(jié)構(gòu)物撞擊拾振器位移傳感器自由振動衰減量測系統(tǒng)3/14/20236自由振動時間歷程曲線有阻尼自由振動的運(yùn)動方程：—阻尼比—衰減系數(shù)；；自振頻率：即基本周期的倒數(shù)。3/14/202372、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3/14/20239共振時的振動圖形和共振曲線由共振曲線求阻尼系數(shù)和阻尼比衰減系數(shù)：阻尼比：參數(shù)測定3/14/202310用共振法測建筑物振型3/14/202311二、周期性反復(fù)靜力加載試驗(yàn)擬靜力試驗(yàn)：周期性加載是指按一定的力或位移周期性地反復(fù)或重復(fù)加載。擬靜力試驗(yàn)始于50年代后期、為確定構(gòu)件和結(jié)構(gòu)的恢復(fù)力模型進(jìn)行的。根據(jù)試驗(yàn)所得的荷載位移關(guān)系曲線反映結(jié)構(gòu)耗能能力的強(qiáng)弱，觀察并研究結(jié)構(gòu)破壞機(jī)理。擬靜力試驗(yàn)加載試驗(yàn)裝置的基本組成部分為：反力裝置,加載器,試驗(yàn)臺座。3/14/202313二、周期性反復(fù)靜力加載試驗(yàn)大型結(jié)構(gòu)試驗(yàn)反力墻設(shè)備3/14/202314二、周期性反復(fù)靜力加載試驗(yàn)1．靜力試驗(yàn)加載制度的分類

（1）單向反復(fù)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(yàn)低周反復(fù)加載制度

3/14/202315二、周期性反復(fù)靜力加載試驗(yàn)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(zhuǎn)變?yōu)榭刂莆灰萍虞d起，即按屈服位移值的倍數(shù)μ值控制，直到結(jié)構(gòu)破壞。

3/14/202317三、振動臺試驗(yàn)60年代末，先后在日本、美國開展振動臺的研制和試驗(yàn)。我國在60～70年代，建造部分側(cè)重于進(jìn)行正弦波振動試驗(yàn)的振動臺，80年代建造了一批大、中型地震模擬振動臺試驗(yàn)?zāi)康模毫私饨Y(jié)構(gòu)抗震性能、破壞機(jī)制、驗(yàn)證計算模型的正確性振動臺組成：臺體、激振器、控制系統(tǒng)、測量記錄系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等部分。3/14/202318三、振動臺試驗(yàn)交通銀行大廈振動臺試驗(yàn)3/14/202319四、擬動力試驗(yàn)

擬動力試驗(yàn)（又稱為偽動力試驗(yàn)或計算機(jī)-加載器聯(lián)機(jī)試驗(yàn)），即是指計算機(jī)與試驗(yàn)機(jī)聯(lián)機(jī)對試件進(jìn)行加載試驗(yàn)。

擬動力試驗(yàn)：把電液伺服試驗(yàn)裝置與計算機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)合起來，利用加載試驗(yàn)給出結(jié)構(gòu)恢復(fù)力的實(shí)際數(shù)據(jù)，利用計算機(jī)數(shù)值分析技術(shù)給出加載試驗(yàn)的逐步控制數(shù)據(jù)，為原型結(jié)構(gòu)模擬地震試驗(yàn)。3/14/202321四、擬動力試驗(yàn)

輸入地面運(yùn)動加速度，計算下一步的位移值，位移值的轉(zhuǎn)換，量測恢復(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。整個試驗(yàn)工作的流程是連續(xù)循環(huán)進(jìn)行的，全部由計算機(jī)自動控制操作。擬動力試驗(yàn)具有以下特點(diǎn)：擬動力試驗(yàn)在整個數(shù)值分析過程中不需要對結(jié)構(gòu)的恢復(fù)力特性作任何假設(shè)，這對于分析非線性的系統(tǒng)性能特別有利。3/14/202322四、擬動力試驗(yàn)

地震模擬振動臺試驗(yàn)由于臺面尺寸和承載能力的限制，只能進(jìn)行小比例模型的試驗(yàn)，且彼此配重不足，不能很好滿足相似條件，特別是進(jìn)入彈塑性階段工作時，更不可能滿足相似條件，導(dǎo)致地震作用破壞形態(tài)失真；擬靜力試驗(yàn)只能得到構(gòu)件或結(jié)構(gòu)在反復(fù)荷載作用下的恢復(fù)力滯回特性，不能得到結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)全過程；而擬動力試驗(yàn)則是加載試驗(yàn)技術(shù)與計算機(jī)技術(shù)相結(jié)合的當(dāng)代先進(jìn)的抗震試驗(yàn)方法，可以進(jìn)行大比例模型或足尺結(jié)構(gòu)抗震試驗(yàn)，可慢速再現(xiàn)結(jié)構(gòu)在地震作用下的彈性一彈塑性一倒塌全過程反應(yīng)，這是具有廣泛發(fā)展前途的抗震試驗(yàn)方法。

3/14/202323一、動力彈性模量與動力極限強(qiáng)度結(jié)構(gòu)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。動力彈性模量高于靜力彈性模量。動力極限強(qiáng)度也高于靜力極限強(qiáng)度。3/14/202325二、恢復(fù)力曲線滯回曲線：結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在力循環(huán)往復(fù)作用下得到的力--變形曲線。骨架曲線：滯回曲線的外包絡(luò)線。多數(shù)情況中，骨架曲線與單調(diào)加載的力－變形曲線基本一致?；謴?fù)力曲線：滯回曲線與骨架曲線合稱為恢復(fù)力曲線，它表示構(gòu)件或結(jié)構(gòu)的變形履歷過程。3/14/202326三、強(qiáng)度退化與剛度退化當(dāng)保持相同的峰值荷載時，峰點(diǎn)位移往往隨循環(huán)次數(shù)增加而增加，稱作剛度退化。退化性質(zhì)反映結(jié)構(gòu)累積損傷的影響，是結(jié)構(gòu)動力性能的重要特性之一。3/14/202329四、裂面效應(yīng)與包興格效應(yīng)裂面效應(yīng)即裂面接觸效應(yīng)，也就是在反復(fù)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(yīng)。

造成裂面效應(yīng)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(yàn)指出，裂縫越寬，裂面接觸效應(yīng)越顯著。3/14/202330四、裂面效應(yīng)與包興格效應(yīng)循環(huán)往復(fù)加荷荷載變位曲線的另一特點(diǎn)是屈服后反向加載時應(yīng)力可能明顯降低，這一現(xiàn)象稱之為包興格效應(yīng)。3/14/202331第三節(jié)基本構(gòu)件的動力特性

一、鋼筋混凝土構(gòu)件二、鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件三、砌體構(gòu)件3/14/202332一、鋼筋混凝土構(gòu)件1、受彎構(gòu)件；2、壓彎構(gòu)件；3、受扭構(gòu)件；4、梁-柱節(jié)點(diǎn)；5、剪力墻；3/14/2023331、受彎構(gòu)件受彎構(gòu)件：受彎構(gòu)件是指沒有軸力影響，且以彎矩作用為主的梁式構(gòu)件。在循環(huán)往復(fù)荷載下的破壞屬于纖維性破壞，即受拉鋼筋超過屈服應(yīng)力后受壓鋼筋壓曲而破壞，因此，構(gòu)件具有較大的延性。對比試驗(yàn)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(xiàn)象。3/14/2023341、受彎構(gòu)件鋼筋屈服前，循環(huán)往復(fù)荷載下梁的骨架曲線與單調(diào)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(qiáng)度退化均較小。而在鋼筋屈服以后，由于鋼筋的包興格效應(yīng)、混凝土裂縫的開張與閉合、鋼筋與混凝土之間粘結(jié)力的破壞，滯回曲線將出現(xiàn)“捏攏”現(xiàn)象，同時，剛度退化現(xiàn)象亦漸趨明顯。3/14/2023351、受彎構(gòu)件剪力的存在不利于受彎構(gòu)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(xiàn)顯著的“捏攏”現(xiàn)象，耗能能力明顯降低。3/14/2023362、壓彎構(gòu)件壓彎構(gòu)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(gòu)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(xiàn)象，最終成為所謂“弓形”的滯回曲線。3/14/202337二、鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件1、梁與柱2、梁－柱節(jié)點(diǎn)連接3、梁－柱節(jié)點(diǎn)域4、支撐3/14/2023381、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(fù)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(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件出現(xiàn)非延性破壞。3/14/2023392、梁－柱節(jié)點(diǎn)連接鋼結(jié)構(gòu)的梁－柱節(jié)點(diǎn)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(diǎn)（包括翼板焊接、腹板螺栓連接節(jié)點(diǎn)）具有穩(wěn)定的滯回性能，而螺栓連接節(jié)點(diǎn)則可能因螺栓的滑動使滯回環(huán)呈滑移形式。3/14/2023403、梁－柱節(jié)點(diǎn)域

鋼框架中的梁－柱節(jié)點(diǎn)域在梁不平衡彎矩和柱端剪力作用下，會產(chǎn)生較大的剪切變形，對結(jié)構(gòu)的內(nèi)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(diǎn)域具有飽滿、穩(wěn)定的滯回曲線。3/14/2023414、支撐單件支撐在不同變形幅度下的循環(huán)往復(fù)試驗(yàn)滯回曲線典型情況如圖。這一發(fā)現(xiàn)導(dǎo)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(zhì)來集合交叉支撐的滯回性質(zhì)。但后來的研究表明，這種近似難以反應(yīng)兩支撐間的相互作用影響。3/14/202342第四節(jié)整體結(jié)構(gòu)的動力性能一、周期與阻尼二、內(nèi)力重分布與變形集中三、雙向地震作用四、扭轉(zhuǎn)反應(yīng)3/14/202343一、周期與阻尼對建筑物進(jìn)行大規(guī)模的自振特性的觀測，積累了數(shù)以千計的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到經(jīng)驗(yàn)公式，按我國試驗(yàn)數(shù)據(jù)總結(jié)的常見結(jié)構(gòu)基本周期計算公式。3/14/202344一、周期與阻尼結(jié)構(gòu)自振周期的大小與結(jié)構(gòu)的變形階段密切相關(guān)。上述經(jīng)驗(yàn)結(jié)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(jié)構(gòu)自振周期是一個變量。帶構(gòu)造柱多層磚房試驗(yàn)結(jié)果說明，開裂后，結(jié)構(gòu)第一頻率下降約一半，相當(dāng)于結(jié)構(gòu)剛度降低4倍；開裂后，較高振型振動所消耗能量顯著增加。3/14/202345二、內(nèi)力重分布與變形集中在循環(huán)往復(fù)荷載作用下，由于荷載的反向作用和結(jié)構(gòu)內(nèi)部的累積，使內(nèi)力重分布規(guī)律更趨復(fù)雜而不易掌握。鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的彈塑性性能及破壞機(jī)理，除與其基本構(gòu)件的恢復(fù)力特性密切關(guān)系外，還與結(jié)構(gòu)中塑性鉸形成的過程有重要關(guān)系。在框架結(jié)構(gòu)首先出現(xiàn)梁塑性鉸后，若能使框架在內(nèi)力重分配中依次較均勻地出現(xiàn)塑性鉸，則框架結(jié)構(gòu)將具有最好的延性。3/14/202346二、內(nèi)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(gòu)件一小區(qū)段內(nèi)地集中，與之類似，整體結(jié)構(gòu)層間屈服會造成非線性變形在該層的集中。在地震中，結(jié)構(gòu)將首先在薄弱層發(fā)生破壞。由于結(jié)構(gòu)內(nèi)力重分布的作用，結(jié)構(gòu)累積損傷效應(yīng)、結(jié)構(gòu)振動內(nèi)力傳播的特點(diǎn)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幾層的不利情況。試驗(yàn)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(guān)，還與層間強(qiáng)度密切相關(guān)。3/14/202347三、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(jié)構(gòu)構(gòu)件存在著強(qiáng)度相互作用影響和剛度相互作用影響,將使結(jié)構(gòu)在雙向地震作用下的反應(yīng)增大。試驗(yàn)指出，雙向地震波對非對稱結(jié)構(gòu)位移反應(yīng)的影響較對稱結(jié)構(gòu)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(yīng)的影響大;對結(jié)構(gòu)下層的影響比對結(jié)構(gòu)上層的影響大。3/14/202348四、扭轉(zhuǎn)反應(yīng)

實(shí)際工程中，存在結(jié)構(gòu)質(zhì)心與剛心不重合的結(jié)構(gòu)物。震害調(diào)查表明，這種結(jié)構(gòu)特征使地震中的扭轉(zhuǎn)破壞現(xiàn)象十分突出。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，偏心結(jié)構(gòu)在雙向地震作用下的扭轉(zhuǎn)反應(yīng)突出而且明顯，角部破壞嚴(yán)重，邊墻首先開裂，墻體塌落自外向內(nèi)發(fā)展是扭轉(zhuǎn)反應(yīng)的典型表現(xiàn)。一般規(guī)律：在結(jié)構(gòu)的初始損傷階段，扭轉(zhuǎn)反應(yīng)隨結(jié)構(gòu)損傷的發(fā)展而增加，而在結(jié)構(gòu)進(jìn)入到接近或超過層間屈服的嚴(yán)重?fù)p傷階段，扭轉(zhuǎn)反應(yīng)又趨于降低。3/14/202349第五節(jié)恢復(fù)力曲線模型一、恢復(fù)力曲線的實(shí)驗(yàn)擬合法二、幾個重要的恢復(fù)力曲線模型3/14/202350一、恢復(fù)力曲線的實(shí)驗(yàn)擬合法實(shí)驗(yàn)擬合法是根據(jù)實(shí)驗(yàn)散點(diǎn)圖，利用一定的數(shù)學(xué)模型，定量地確定出骨架曲線和不同控制變形下的標(biāo)準(zhǔn)滯回環(huán)，然后將骨架曲線和各標(biāo)準(zhǔn)滯回環(huán)結(jié)合起來組成恢復(fù)力曲線，并利用不同控制變形下的標(biāo)準(zhǔn)滯回環(huán)相比較確定反復(fù)加荷時的退化規(guī)律。實(shí)驗(yàn)擬合法所依據(jù)的背景一般是周期性的擬靜力試驗(yàn)。3/14/202351一、恢復(fù)力曲線的實(shí)驗(yàn)擬合法(續(xù)一)1、骨架曲線采用無量綱坐標(biāo)，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)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，軸力對骨架曲線的影響不大；在A點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)點(diǎn)的趨勢有一明顯轉(zhuǎn)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。3/14/202352一、恢復(fù)力曲線的實(shí)驗(yàn)擬合法(續(xù)二)2、標(biāo)準(zhǔn)滯回環(huán)與上述做法類似，可以得到近屈服點(diǎn)和近極限點(diǎn)處的兩種標(biāo)準(zhǔn)滯回環(huán)。3/14/202353一、恢復(fù)力曲線的實(shí)驗(yàn)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(yīng)該指出，由于從實(shí)驗(yàn)擬合的角度出發(fā)，上式同時表達(dá)了滯回環(huán)各線段的剛度退化規(guī)律，對應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)滯回環(huán)、剛度退化規(guī)律相結(jié)合，就可以組成一個較為完整的恢復(fù)力模型。3/14/202354二、幾個重要的恢復(fù)力曲線模型1、蘭伯格－奧斯古德模型2、克拉夫模型3、武田模型3/14/2023551、蘭伯格－奧斯古德模型（圖5.48，5.49）

最初表示金屬材料恢復(fù)力特征，后廣泛地應(yīng)用土