第七章結構動力試驗

1、第七章 結構動力試驗安徽工業(yè)大學建工學院一、模擬地震振動臺試驗 1. 概述 模擬地震振動臺試驗是結構抗震研究的重要手段（方法）； 通過振動臺模型試驗，研究新型結構計算理論， 有助于力學計算模型的建立。 地震對結構的作用是由于地面運動而引起的一種慣性力，通過振動臺對結構輸入正弦波或地震波，可以再現(xiàn)各種形式地震波輸入后的結構反應和地震震害發(fā)生的過程，觀測試驗結構在相應各個階段的力學性能，進行隨機振動分析，使人們對地震破壞作用進行深入的研究；一、模擬地震振動臺試驗 2. 試驗模型的基本要求 模型結構應與原型結構的幾何相似； 應采用與實際結構性能相近的材料制作模型； 振動臺上進行模型試驗，由于振動臺面

2、尺寸限制，一般采用縮尺模型來進行試驗； 試驗模型要按相似理論考慮模型的設計問題，要使原型與模型保持相似，兩者必須在時間、空間、物理、邊界和運動條件等各方面都滿足相似條件的要求； 振動臺試驗模型制作工藝應嚴格要求。一、模擬地震振動臺試驗 3. 加載過程及試驗方法 在模擬地震振動臺試驗前，要重視加載過程的設計及試驗方法的制定，不適當?shù)募虞d設計，可能會使試驗結果與試驗目的相差甚遠； 所選荷載過大，試件可能會很快進入塑性階段乃至破壞倒塌，難以完整地量測到結構彈性和塑性階段的全過程數(shù)據(jù)，甚至發(fā)生安全事故； 所選荷載過小，可能無法達到預期的試驗效果，產(chǎn)生不必要的重復試驗，且多次重復試驗對試件會產(chǎn)生損傷積累

3、，因此，為獲得系統(tǒng)的試驗資料，必須周密地設計加載程序。一、模擬地震振動臺試驗 3. 加載過程及試驗方法加載程序的基本要求：加載程序的基本要求：（1）振動臺臺面輸出能力的選擇 主要考慮振動臺臺面輸出的頻率范圍、最大位移、速度和加 速度、臺面承載力等性能，在試驗前應認真核查振動臺臺面特 性曲線是否滿足試驗要求。（2）輸入地震波 為了真實模擬地震時地面運動，對輸入給振動臺的波形有一 定的要求： 1）要選擇適當?shù)牡卣鹩涗浕蛉斯さ卣鸩?，使其占主導分量?周期與結構周期相似。這樣能使結構產(chǎn)生多次瞬時共振，從而得 到清晰的變化和破壞形式；一、模擬地震振動臺試驗 3. 加載過程及試驗方法加載程序的基本要求：加

4、載程序的基本要求：（2）輸入地震波 2）選擇與之相適應的場地土地震記錄，使選擇的地震記錄的頻譜特性盡可能與場地土的頻譜特性相一致，并應考慮地震烈度和震中距離的影響； 3）常見輸入波有下面幾種： 強震實測記錄，在這方面國內(nèi)外都已取得一些較完整 記錄可供試驗選用； 按需要的地質(zhì)條件或參照相近的地震記錄，做出人工 地震波； 按規(guī)范的譜值構造人工地震波，這主要用于檢驗性試 驗。一、模擬地震振動臺試驗 3. 加載過程及試驗方法加載過程加載過程 根據(jù)試驗目的的不同，在選擇和設計臺面輸入加速度時程曲線后，試驗的加載過程可選擇一次性加載及多次加載等不同的方案。 （1）一次性加載 一次性加載就是在一次加載過程中

5、，完成結構從彈性到彈 塑性直至破壞階段的全過程； 按在試驗過程中，連續(xù)記錄結構的位移、速度、加速度及 應變等輸出信號，并觀察記錄結構的裂縫形成和發(fā)展過 程， 從而研究結構在彈性、彈塑性及破壞階段的各種性能，如剛度 變化、能量吸收等，并且還可以從結構反應來確定結構各個階 段的周期和阻尼比；一、模擬地震振動臺試驗 3. 加載過程及試驗方法加載過程加載過程 （1）一次性加載（2）多次加載 主要特點是能較好地連續(xù)模擬結構在一次強烈地震中的整 個表現(xiàn)及反應，但因為是在振動臺臺面運動的情況下對結 構進行量測和觀察，測試的難度較大。 與一次性加載方法相比，多次加載法是目前模擬地震振動臺試驗中比較常用的試驗方

6、法一、模擬地震振動臺試驗 3. 加載過程及試驗方法加載過程加載過程 （2）多次加載步驟 進行模型結構動力特性試驗，測定結構的動力特性； 給臺面輸入運動，使結構薄弱部位產(chǎn)生微裂； 加大輸入運動，使結構產(chǎn)生中等裂縫； 增大輸入運動，使結構主要部位產(chǎn)生破壞； 給再增大輸入運動，使結構變?yōu)闄C動體系，稍加荷載就 會發(fā)生倒塌。各個加載階段的周期、阻尼、振型、剛度退化、能量吸收能力及滯回反應等特性一、模擬地震振動臺試驗 4. 量測方案 一般需觀測結構的位移、加速度、應變反應、結構的開裂部位、裂縫的發(fā)展、結構的破壞部位和破壞形式等； 位移和加速度測點一般布置在產(chǎn)生最大位移或加速度的部位，對于整體結構的房屋模型

7、試驗，則在主要樓面和頂層高度的位置上布置位移和加速度傳感器； 結構構件的主要受力部位和截面，應測量鋼筋和混凝土的應變、鋼筋和混凝土的粘結滑移等參數(shù)； 測量層間位移時，應在相鄰兩樓層布置位移或加速度傳感器，將加速度傳感器測到的信號，通過二次積分即可轉化為位移信號； 測得的位移、加速度和應變傳感器的所有信號被連續(xù)輸入計算機或專用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采集和處理，試驗結果可由計算機終端顯示或利用繪圖儀、打印機等外圍設備輸出。一、模擬地震振動臺試驗 5. 安全措施 （2）試件與振動臺的安裝應牢固，對安裝螺栓的強度和剛度 應進行驗算； （1）試件設計時應進行吊裝驗算，避免試件在吊裝過程中發(fā) 生破壞； （3

8、）試驗人員在上下振動臺臺面時應注意臺面和基坑地面之 間的間隙，防止發(fā)生墜人或摔傷事故； （4）傳感器應與試件牢固連接，并應采取預防掉落的措施， 避免因振動引起傳感器掉落或損壞； （5）有可能發(fā)生倒塌的試件，應在振動臺四周鋪設軟墊，并利用吊車通過繩索或鋼絲繩進行防護，防止試件倒塌時損壞振動臺和周圍設備，進行倒塌試驗時，應將傳感器全都拆除，同時認真做好攝像記錄工作； （6）試驗過程中應做好警戒標志，振動臺開啟和振動過程中 任何人不得進入試驗區(qū)。二、結構疲勞試驗 1. 概述 結構或構件在重復荷載作用下達到破壞時的應力比其靜力強度要低得多，這種現(xiàn)象稱為疲勞； 工程結構中存在著許多疲勞現(xiàn)象，如吊車梁，承

9、受懸掛吊車作用的屋架等；結構疲勞試驗的目的就是要了解在重復荷載作用下結構的性能及變化規(guī)律； 疲勞問題涉及的范圍比較廣，對某一種結構而言，它包含材料的疲勞和結構構件的疲勞。二、結構疲勞試驗 2. 測試內(nèi)容 對結構構件的疲勞試驗大多采用等幅勻速脈動荷載，借以模擬結構構件在使用階段不斷反復加載和卸載的受力狀態(tài)； 結構構件疲勞試驗一般均在專門的疲勞試驗機上進行，大部分采用電液伺服疲勞試驗機或電磁脈沖千斤頂施加重復或反復荷載，也有采用偏心輪式振動設備加載；檢驗性疲勞試驗主要測試抗裂性、開裂荷載、裂縫寬度及其發(fā)展、最大撓度及其變化規(guī)律以及疲勞強度和疲勞壽命研究性的疲勞試驗各階段截面應力分布狀況、中和軸變化

10、規(guī)律、抗裂性及開裂荷載、裂縫及其發(fā)展情況、最大撓度及其變化規(guī)律、疲勞強度以及疲勞破壞特征分析技術性能指標（單脈動、對稱）二、結構疲勞試驗 3. 疲勞試驗荷載疲勞試驗荷載取值疲勞試驗荷載取值疲勞試驗荷載頻率疲勞試驗荷載頻率 疲勞試驗的上限荷載Q max是根據(jù)構件在最大標準荷載最不利組合下產(chǎn)生的效應值計算而得；荷載下限Q min是根據(jù)疲勞試驗設備的要求而定，通常不低于Q max的3。 荷載頻率是指單位時間內(nèi)重復作用的次數(shù)，影響材料的塑性變形和徐變；目前，國內(nèi)外尚無統(tǒng)一的頻率規(guī)定，主要依據(jù)疲勞試驗機的性能而定，一般而言，取值不宜過高； 荷載頻率不應使構件及荷載架發(fā)生共振，同時應使構件在試驗時與實際工

11、作時的受力狀態(tài)一致，為此荷載頻率與構件自振頻率之比應滿足小于0.5或大于1.3。 二、結構疲勞試驗 3. 疲勞試驗荷載疲勞試驗控制次數(shù)疲勞試驗控制次數(shù) 構件經(jīng)受下列控制次數(shù)的疲勞荷載作用后，抗裂性（即縫寬度）、剛度、承載力必須滿足現(xiàn)行規(guī)范中有關規(guī)定。中級工作制吊車梁：n=2106次重級工作制吊車梁：n=4106次二、結構疲勞試驗 4. 加載方法試驗的主要過程試驗的主要過程(1) (1) 預加靜載試驗預加靜載試驗 對構件施加不大于上限荷載20的預加靜載12次，消除松動及接觸不良，并使儀表運動正常;(2) (2) 正式疲勞試驗正式疲勞試驗 先做疲勞前的靜載試驗(對比構件經(jīng)受反復荷載后受力性能有何變

12、化),荷載分級加到疲勞上限荷載; 再進行疲勞試驗，首先調(diào)節(jié)疲勞機上下限荷載，待示值穩(wěn)定后讀取第一次動載讀數(shù)，以后每隔一定次數(shù)讀取數(shù)據(jù)。二、結構疲勞試驗 4. 加載方法試驗的主要過程試驗的主要過程(2) (2) 正式疲勞試驗正式疲勞試驗 最后做破壞試驗，達到要求的疲勞次數(shù)后進行破壞試驗有兩種情況： 一種是繼續(xù)施加疲勞荷載直至破壞，得了承受疲勞荷載的次數(shù)； 另一種是作靜載破壞試驗，荷載分級可以加大。二、結構疲勞試驗 5. 測試內(nèi)容疲勞強度疲勞強度 疲勞試驗的測試內(nèi)容與靜力試驗中的觀測內(nèi)容基本相同，主要包括構件的變形、應變分布及裂縫變化； 與常規(guī)靜載試驗不同之處，疲勞試驗所獲取的數(shù)據(jù)一般都是以荷載相同為前提條件，測試數(shù)據(jù)隨循環(huán)次數(shù)的變化反映出結構或構件的性能變化即結構或構件的疲勞性能。 結構的疲勞強度與應力幅和循環(huán)次數(shù)有關，當循環(huán)應力小于某一值時，荷載重復次數(shù)增加不會引起疲勞現(xiàn)象，而大于該值，則會產(chǎn)生疲勞破壞，此應力值稱為疲勞強度。二、結構疲勞試驗 5. 測試內(nèi)容應變測量應變測量 一般采用電阻應變片測量動應變，測點布置依試驗的具體要求而定。裂縫測量裂縫測量 裂逢的開始出現(xiàn)和微裂縫的寬度對構件安全使用具有重要意義，因此，疲勞試驗中的裂縫測量也非常重要，目前測裂縫的方法主要是利用光學儀器、目測、應變傳感器電測裂縫。撓