地震工程學(xué)結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性課件

0第五章結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性及其模型化5.1結(jié)構(gòu)抗震實(shí)驗(yàn)方法概述5.2動(dòng)力性能的一般特點(diǎn)5.3基本構(gòu)件的動(dòng)力性能5.4整體結(jié)構(gòu)的動(dòng)力性能5.5恢復(fù)力模型第1頁(yè)/共58頁(yè)結(jié)構(gòu)抗震實(shí)驗(yàn)的主要任務(wù)

研究構(gòu)件或結(jié)構(gòu)的破壞機(jī)理與破壞特征確定結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性檢驗(yàn)結(jié)構(gòu)的計(jì)算模型結(jié)構(gòu)抗震實(shí)驗(yàn)的主要類型：

自振特性試驗(yàn)周期性反復(fù)靜力加載試驗(yàn)擬動(dòng)力試驗(yàn)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)協(xié)同試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)5.1.1結(jié)構(gòu)抗震實(shí)驗(yàn)方法5.1結(jié)構(gòu)抗震實(shí)驗(yàn)方法概述第2頁(yè)/共58頁(yè)李政道的物理學(xué)家兩定律沒有實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家，理論物理學(xué)家就要漂浮不定。沒有理論物理學(xué)家，實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家就會(huì)猶豫不決。5.1結(jié)構(gòu)抗震實(shí)驗(yàn)方法概述“Atheoryissomethingnobodybelieves,exceptthepersonwhomadeit.Anexperimentissomethingeverybodybelieves,exceptthepersonwhomadeit.”―AlbertEinstein

第3頁(yè)/共58頁(yè)自振特性試驗(yàn)(模態(tài)測(cè)試)5.1結(jié)構(gòu)抗震實(shí)驗(yàn)方法概述基本試驗(yàn)方法：

（1）自由振動(dòng)法（2）脈動(dòng)法（3）環(huán)境激勵(lì)下模態(tài)測(cè)試

頻域方法：峰值法PP、頻域分解法FDD、最大似然估計(jì)法MLCFDE、多參考最小二乘復(fù)頻域法PolyMAX

時(shí)域方法：時(shí)間序列分析法ARMA、隨機(jī)減量技術(shù)RDT、自然激勵(lì)技術(shù)及特征值實(shí)現(xiàn)算法(NExT+ERA)、最小二乘復(fù)指數(shù)法LSCE、隨機(jī)子空間算法SSI

第4頁(yè)/共58頁(yè)周期性反復(fù)靜力加載試驗(yàn)?

基本試驗(yàn)原理：

加載具有周期性、且時(shí)間尺度遠(yuǎn)大于地震動(dòng)時(shí)間過(guò)程，即以靜力方式模擬地震作用又稱低周反復(fù)試驗(yàn)5.1結(jié)構(gòu)抗震實(shí)驗(yàn)方法概述10000kN大型多功能結(jié)構(gòu)試驗(yàn)機(jī)第5頁(yè)/共58頁(yè)5.1結(jié)構(gòu)抗震實(shí)驗(yàn)方法概述周期性反復(fù)靜力加載試驗(yàn)第6頁(yè)/共58頁(yè)5.1結(jié)構(gòu)抗震實(shí)驗(yàn)方法概述周期性反復(fù)靜力加載試驗(yàn)第7頁(yè)/共58頁(yè)5.1結(jié)構(gòu)抗震實(shí)驗(yàn)方法概述爆炸模擬地震試驗(yàn)試驗(yàn)主要測(cè)量?jī)?nèi)容包括管道應(yīng)變、管道加速度、管線接口變形、地表加速度等，針對(duì)不同的測(cè)量?jī)?nèi)容，采用了不同的裝置。第8頁(yè)/共58頁(yè)爆炸模擬地震試驗(yàn)5.1結(jié)構(gòu)抗震實(shí)驗(yàn)方法概述A1X加速度時(shí)程：A1Y加速度時(shí)程：W1接口變形：第9頁(yè)/共58頁(yè)?

一般試驗(yàn)過(guò)程：

（1）結(jié)構(gòu)自振特性的標(biāo)定（2）線性階段試驗(yàn)（3）非線性階段試驗(yàn)（4）破壞階段的試驗(yàn)5.1結(jié)構(gòu)抗震實(shí)驗(yàn)方法概述振動(dòng)臺(tái)實(shí)驗(yàn)（Shakingtabletest）?

主要試驗(yàn)?zāi)康模?/p>

（1）了解結(jié)構(gòu)抗震性能（2）研究結(jié)構(gòu)破壞機(jī)制（3）驗(yàn)證地震反應(yīng)計(jì)算模型的正確性第10頁(yè)/共58頁(yè)模擬地震振動(dòng)臺(tái)（單臺(tái)）實(shí)驗(yàn)（摘自同濟(jì)大學(xué)土木防災(zāi)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)站）第11頁(yè)/共58頁(yè)模擬地震振動(dòng)臺(tái)（單臺(tái)）實(shí)驗(yàn)高層建筑結(jié)構(gòu)25:1第12頁(yè)/共58頁(yè)模擬地震振動(dòng)臺(tái)（單臺(tái)）實(shí)驗(yàn)大跨建筑結(jié)構(gòu)第13頁(yè)/共58頁(yè)模擬地震振動(dòng)臺(tái)（單臺(tái)）實(shí)驗(yàn)特種結(jié)構(gòu)特高壓輸電塔變壓器套管系統(tǒng)大型海上風(fēng)力發(fā)電高塔系統(tǒng)（建工系謝強(qiáng)提供）（建工系陳建兵提供）第14頁(yè)/共58頁(yè)模擬地震振動(dòng)臺(tái)（單臺(tái)）實(shí)驗(yàn)地標(biāo)建筑第15頁(yè)/共58頁(yè)模擬地震振動(dòng)臺(tái)（臺(tái)陣）實(shí)驗(yàn)（橋梁系楊澄宇提供）第16頁(yè)/共58頁(yè)模擬地震振動(dòng)臺(tái)（單臺(tái)）實(shí)驗(yàn)（摘自E-defense網(wǎng)站）第17頁(yè)/共58頁(yè)擬動(dòng)力試驗(yàn)數(shù)值計(jì)算與擬動(dòng)力試驗(yàn)的比較5.1結(jié)構(gòu)抗震實(shí)驗(yàn)方法概述第18頁(yè)/共58頁(yè)三層結(jié)構(gòu)模型及試驗(yàn)子結(jié)構(gòu)5.1結(jié)構(gòu)抗震實(shí)驗(yàn)方法概述擬動(dòng)力試驗(yàn)第19頁(yè)/共58頁(yè)5.1結(jié)構(gòu)抗震實(shí)驗(yàn)方法概述遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)協(xié)同試驗(yàn)美國(guó)“NEES計(jì)劃”歐洲“減輕地震風(fēng)險(xiǎn)的歐洲網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃”日本E-Defense建設(shè)及其遠(yuǎn)程協(xié)同試驗(yàn)中國(guó)臺(tái)灣ISEE計(jì)劃中國(guó)大陸HQH-NSER第20頁(yè)/共58頁(yè)原型結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

工程結(jié)構(gòu)檢測(cè)

工程結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)第21頁(yè)/共58頁(yè)工程結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)（StructuralHealthMonitoring,SHM）第22頁(yè)/共58頁(yè)工程結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)

地震動(dòng)監(jiān)測(cè)“探測(cè)大地脈搏的跳動(dòng)，揭示地災(zāi)空間的分布，預(yù)測(cè)地質(zhì)災(zāi)害的地點(diǎn)，有效應(yīng)對(duì)災(zāi)害的發(fā)生，避免次生災(zāi)害的出現(xiàn)”第23頁(yè)/共58頁(yè)工程結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)性能評(píng)估（結(jié)構(gòu)所施衛(wèi)星、單伽锃提供）建筑結(jié)構(gòu)第24頁(yè)/共58頁(yè)工程結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)性能評(píng)估橋梁結(jié)構(gòu)明石海峽大橋SensorPlacement第25頁(yè)/共58頁(yè)工程結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)性能評(píng)估·

結(jié)構(gòu)/系統(tǒng)識(shí)別·

參數(shù)識(shí)別·

損傷識(shí)別/診斷M&S-V&V&UQ數(shù)據(jù)科學(xué)第26頁(yè)/共58頁(yè)工程結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)性能評(píng)估M&S-V&V&UQM&S:Modeling&SimulationV&V:Verification&ValidationUQ:Uncertaintyquantification驗(yàn)證處理數(shù)學(xué)問(wèn)題確認(rèn)處理物理問(wèn)題第27頁(yè)/共58頁(yè)工程結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)性能評(píng)估M&S-V&V&UQM&S:Modeling&SimulationV&V:Verification&ValidationUQ:Uncertaintyquantification第28頁(yè)/共58頁(yè)工程結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)性能評(píng)估M&S-V&V&UQM&S:Modeling&SimulationV&V:Verification&ValidationUQ:Uncertaintyquantification建模與模擬的不確定度量化的方法第29頁(yè)/共58頁(yè)5.2動(dòng)力性能的一般特點(diǎn)5.2.1動(dòng)力彈性模量與動(dòng)力極限強(qiáng)度第30頁(yè)/共58頁(yè)動(dòng)力彈性模量與動(dòng)力強(qiáng)度均高于靜力情形.徐變效應(yīng)顯著的材料，動(dòng)力特性參數(shù)變化顯著.基本規(guī)律：5.2動(dòng)力性能的一般特點(diǎn)5.2.1動(dòng)力彈性模量與動(dòng)力極限強(qiáng)度第31頁(yè)/共58頁(yè)骨架曲線+滯回曲線＝恢復(fù)力曲線?運(yùn)動(dòng)方程中的恢復(fù)力：5.2動(dòng)力性能的一般特點(diǎn)5.2.2恢復(fù)力曲線CyclicloadingCyclicloading第32頁(yè)/共58頁(yè)基本現(xiàn)象：?

基本特點(diǎn)：混凝土>鋼，脆性破壞情形>延性破壞情形5.2動(dòng)力性能的一般特點(diǎn)5.2.3強(qiáng)度退化與剛度退化第33頁(yè)/共58頁(yè)

裂面?zhèn)鲏盒?yīng)（朱伯龍，1980）

骨料咬合作用使得裂縫閉合之前已可承受較大的壓力；

?

機(jī)理與特征：5.2動(dòng)力性能的一般特點(diǎn)5.2.4裂面效應(yīng)與包興格效應(yīng)基本現(xiàn)象：第34頁(yè)/共58頁(yè)

包興格效應(yīng)：損傷愈嚴(yán)重，效應(yīng)越顯著。5.2動(dòng)力性能的一般特點(diǎn)5.2.4裂面效應(yīng)與包興格效應(yīng)基本現(xiàn)象：第35頁(yè)/共58頁(yè)5.3基本構(gòu)件的動(dòng)力性能5.3.1鋼筋混凝土構(gòu)件5.3.2砌體構(gòu)件5.3.3鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件受彎構(gòu)件壓彎構(gòu)件受扭構(gòu)件梁柱節(jié)點(diǎn)剪力墻磚墻帶構(gòu)造柱砌體墻配筋砌體梁與柱梁柱節(jié)點(diǎn)連接與節(jié)點(diǎn)域支撐第36頁(yè)/共58頁(yè)受彎構(gòu)件5.3基本構(gòu)件的動(dòng)力性能鋼筋混凝土構(gòu)件鋼筋屈服前：滯回環(huán)為穩(wěn)定的梭形鋼筋屈服后：捏攏現(xiàn)象、剛度退化明顯第37頁(yè)/共58頁(yè)剪力的存在不利發(fā)揮抗震性能：“捏攏”現(xiàn)象顯著加密箍筋可使耗能能力增加5.3基本構(gòu)件的動(dòng)力性能

鋼筋混凝土構(gòu)件受彎構(gòu)件第38頁(yè)/共58頁(yè)5.4整體結(jié)構(gòu)的動(dòng)力性能5.4.1周期與阻尼第39頁(yè)/共58頁(yè)開裂（或進(jìn)入非線性階段）后的頻率雜化現(xiàn)象：非線性階段高階振型參與分量增大。5.4整體結(jié)構(gòu)的動(dòng)力性能5.4.1周期與阻尼第40頁(yè)/共58頁(yè)地震實(shí)測(cè)結(jié)果5.4整體結(jié)構(gòu)的動(dòng)力性能5.4.1周期與阻尼第41頁(yè)/共58頁(yè)梁鉸機(jī)制結(jié)構(gòu)內(nèi)力重分布過(guò)程是復(fù)雜的過(guò)程，由于隨機(jī)性的存在，往往不可能精確跟蹤內(nèi)力演化的確定性過(guò)程，這導(dǎo)致“歧路亡羊”的過(guò)程?？刂平Y(jié)構(gòu)的基本思想5.4整體結(jié)構(gòu)的動(dòng)力性能5.4.2內(nèi)力重分布與變形集中第42頁(yè)/共58頁(yè)變形集中：非線性現(xiàn)象的重要特征之一是集中（聚集）。與層間剛度和層間強(qiáng)度有關(guān)（彈性與非線性階段變形集中部位可能不同）5.4整體結(jié)構(gòu)的動(dòng)力性能5.4.2內(nèi)力重分布與變形集中第43頁(yè)/共58頁(yè)存在強(qiáng)度相互作用影響和剛度相互作用影響一般雙向地震作用下反應(yīng)增大水平雙向作用對(duì)非線性結(jié)構(gòu)影響可能比對(duì)稱結(jié)構(gòu)為大對(duì)彈塑性層間相對(duì)位移影響較樓層位移反應(yīng)為大對(duì)結(jié)構(gòu)下層影響比對(duì)上層影響為大砌體結(jié)構(gòu)的出平面破壞5.4整體結(jié)構(gòu)的動(dòng)力性能5.4.3雙向地震作用5.4.4扭轉(zhuǎn)反應(yīng)質(zhì)心與剛心不重合震害嚴(yán)重角部反應(yīng)增大，破壞嚴(yán)重第44頁(yè)/共58頁(yè)5.5恢復(fù)力曲線的模型化5.5.1恢復(fù)力曲線的實(shí)驗(yàn)擬合法第45頁(yè)/共58頁(yè)Romberg-Osgood模型骨架曲線：5.5恢復(fù)力曲線的模型化5.5.2幾個(gè)重要的恢復(fù)力曲線模型第46頁(yè)/共58頁(yè)滯回曲線：Romberg-Osgood模型5.5恢復(fù)力曲線的模型化5.5.2幾個(gè)重要的恢復(fù)力曲線模型第47頁(yè)/共58頁(yè)計(jì)算實(shí)例：Romberg-Osgood模型5.5恢復(fù)力曲線的模型化5.5.2幾個(gè)重要的恢復(fù)力曲線模型第48頁(yè)/共58頁(yè)剛度退化：Clough退化雙線性模型5.5恢復(fù)力曲線的模型化5.5.2幾個(gè)重要的恢復(fù)力曲線模型第49頁(yè)/共58頁(yè)計(jì)算實(shí)例：Clough退化雙線性模型5.5恢復(fù)力曲線的模型化5.5.2幾個(gè)重要的恢復(fù)力曲線模型第50頁(yè)/共58頁(yè)剛度退化：Takeda三線性模型5.5恢復(fù)力曲線的模型化5.5.2幾個(gè)重要的恢復(fù)力曲線模型第51頁(yè)/共58頁(yè)Takeda三線性模型5.5恢復(fù)力曲線的模型化5.5.2幾個(gè)重要的恢復(fù)力曲線模型計(jì)算實(shí)例：第52頁(yè)/共58頁(yè)5.5恢復(fù)力曲線的模型化5.5.2幾個(gè)重要的恢復(fù)力曲線模型不同模型計(jì)算實(shí)例(ElCentro)：第53頁(yè)/共58頁(yè)其它模型5.5恢復(fù)