土木工程結構試驗-第五章

第五章工程結構抗震試驗主講教師：劉勝兵2025/5/102主要內容1概述2擬靜力試驗3擬動力試驗4模擬地震振動臺試驗5人工地震模擬試驗6天然地震試驗2025/5/103

結構抗震試驗的目的確定結構線性動力特性結構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。研究結構的非線性性能結構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。概述2025/5/104擬靜力試驗擬動力試驗地震模擬振動臺試驗人工地震試驗天然地震試驗常見的結構抗震試驗2025/5/1051、試驗方法

該方法的加載速率很低，因此由于加載速率而引起的應力、應變的變化速率對于試驗結果的影響很小，可以忽略不計。

是以一定的荷載或位移作為控制值對試件進行低周反復加載（正反兩個方向重復加載和卸載），用以模擬地震時結構在往復振動中的受力特點和變形特點，以獲得結構非線性的荷載—變形特性。一、擬靜力試驗2025/5/1062、試驗設備與加載裝置雙向千斤頂；反力墻；試驗臺座；荷載架，等。一、擬靜力試驗2025/5/107《建筑抗震試驗方法規(guī)程》(JGJ101-96)建議的幾種試驗加載裝置(a)墻片試驗裝置(b)梁式構件試驗裝置一、擬靜力試驗2025/5/108鋼框架梁柱節(jié)點試驗(c)梁柱節(jié)點試驗梁端加載裝置一、擬靜力試驗2025/5/1093、單向反復加載制度(1)位移控制加載

位移控制加載是在加載過程中以位移(包括線位移、角位移、曲率或應變等)作為控制值或以屈服位移的倍數作為控制值，按一定的位移增幅進行循環(huán)加載。一、擬靜力試驗2025/5/1010(a)變幅加載(b)等幅加載(c)變幅等幅混合加載位移控制加載制度一、擬靜力試驗2025/5/1011考慮地震影響的混合位移加載制度一、擬靜力試驗2025/5/1012(2)力控制加載

力控制加載是在加載過程中以力作為控制值，按一定的力增幅進行循環(huán)加載。因為試件屈服后難以控制加載的力，所以這種加載制度較少單獨使用。一、擬靜力試驗2025/5/1013(3)力—位移混合控制加載梁柱節(jié)點通常采用的方案一、擬靜力試驗2025/5/10144、雙向反復加載制度(1)x、y軸雙向同步加載(2)x、y軸雙向非同步加載一、擬靜力試驗2025/5/10155、滯回曲線和骨架曲線(1)滯回曲線

加載一周得到的荷載—位移曲線稱為滯回曲線（滯回環(huán)）。梭形、弓形、反S形、Z形一、擬靜力試驗2025/5/1016梭形說明滯回曲線的形狀非常飽滿，反映出整個結構或構件的塑性變形能力很強，具有很好的抗震性能和耗能能力。例如受彎、偏壓、壓彎以及不發(fā)生剪切破壞的彎剪構件，具有良好塑性變形能力的鋼框架結構或構件的P一△滯回曲線即呈梭形。

一、擬靜力試驗2025/5/1017弓形具有“捏縮”效應，顯示出滯回曲線受到了一定的滑移影響。滯回曲線的形狀比較飽滿，但飽滿程度比梭形要低，反映出整個結構或構件的塑性變形能力比較強，能較好地吸收地震能量。例如剪跨比較大，剪力較小并配有一定箍筋的彎剪構件和壓彎剪構件，一般的鋼筋混凝土結構，其滯回曲線均屬此類。一、擬靜力試驗2025/5/1018反S形反映了更多的滑移影響，滯回曲線的形狀不飽滿，說明該結構或構件延性和吸收地震能量的能力較差。例如一般框架、梁柱節(jié)點和剪力墻等的滯回曲線均屬此類。一、擬靜力試驗2025/5/1019Z形反映出滯回曲線受到了大量的滑移影響，具有滑移性質。例如小剪跨而斜裂縫又可以充分發(fā)展的構件以及錨固鋼筋有較大滑移的構件等，其滯回曲線均屬此類。一、擬靜力試驗2025/5/1020(2)骨架曲線

在變幅位移加載試驗中，把每次滯回曲線的峰點都連接起來的包絡線稱骨架曲線。反映了構件受力與變形的各個不同階段及特性

（強度、剛度、延性、耗能及抗倒塌能力等）。

骨架曲線與單次加載曲線一、擬靜力試驗2025/5/1021(3)強度

根據滯回曲線和骨架曲線可以分析結構構件的開裂荷載、屈服荷載、極限荷載和破壞荷載。一、擬靜力試驗2025/5/1022(4)延性

延性系數定義為構件極限位移與屈服位移之比。位移為廣義位移，包括線位移、曲率、轉角等。延性反應了結構抗震性能的好壞。一、擬靜力試驗2025/5/10232025/5/1024二、擬動力試驗試驗方法：是由計算機進行數值分析并控制加載，即由給定地震加速度記錄通過計算機進行非線性結構動力分析，將計算得到的位移反應作為輸入數據，以控制加載器對試驗結構進行試驗。這種方法需要在試驗前假定結構的恢復力特性模型（即滯回曲線模型）?？蛇呍囼炦吳蠼猓植降玫綄崪y的結構恢復力模型。2025/5/1025二、擬動力試驗擬動力試驗的工作流程：（1）在計算機系統(tǒng)中輸入地震加速度時程曲線。（2）將n時刻的地震加速度值代入運動方程，解出n時刻地震反應位移Xn。（3）由計算機控制電液伺服加載器，將Xn施加到結構上。（4）量測此時結構的反力Fn，并代入運動方程，計算n+1時刻的位移Xn+1，量測結構反力Fn+1。（5）重復上述步驟，連續(xù)進行加載試驗，直至完成整個加載過程。2025/5/1026二、擬動力試驗擬動力試驗的設備：計算機，電液伺服加載器，傳感器，試驗裝置。優(yōu)點：（1）適用于復雜結構的非線性地震反應分析，試驗結果比較準確。（2）可以緩慢地再現(xiàn)結構反應，便于觀測。（3）可進行真型或大比例尺的結構在確定性地震下的試驗研究。2025/5/1027二、擬動力試驗缺點：（1）不能實時再現(xiàn)真實地震反應，不能進行材料特性與時間有關的結構試驗。（2）計算機系統(tǒng)除進行運動方程的數值積分外，還需要準確控制加載器，精度方面很難實現(xiàn)。（3）試驗設備龐大，分析系統(tǒng)復雜，試驗費用高。2025/5/1028鋼框架擬動力試驗2025/5/1029混凝土柱抗震性能試驗二、擬動力試驗2025/5/1030三、模擬地震振動臺試驗加載設備：振動臺；加載程序：一次加載和多次加載；優(yōu)點：很好地再現(xiàn)地震過程。缺點：設備昂貴，一般做小比例模型試驗。2025/5/1031試驗設備組成：臺面和基礎高壓油源和管路系統(tǒng)電液伺服加載器模擬控制系統(tǒng)計算機控制系統(tǒng)數據采集系統(tǒng)三、模擬地震振動臺試驗2025/5/10322025/5/1033四、人工地震模擬試驗1、擬靜力試驗：設備簡單，能進行大尺寸構件或結構抗震的延性試驗，但與實際某一確定地震地面運動產生的地震力有很大的差別，不能反映建筑結構的動力特性。2、擬動力試驗：結構的非線性特性及恢復力與變形的關系必須在試驗前假定，而假定的計算模型是否符合結構的實際情況，還有待于試驗結果來驗證。各類抗震試驗的局限性：2025/5/1034四、人工地震模擬試驗3、振動臺試驗：能較好地模擬地面運動，但由于受臺面尺寸和載重量的限制，不能做較大結構的足尺試驗，另外彈塑性材料的動態(tài)模擬理論尚待研究解決。因此對于大型結構、管道、橋梁、壩體以及核反應堆工程等大比例或足尺模型試驗，受到一定限制，甚至無法進行。2025/5/1035四、人工地震模擬試驗爆破方法：在現(xiàn)場安裝炸藥并加以引爆，稱為直接爆破法。由于地面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越近則越高；地面運動持續(xù)時間離爆心距離越遠則越長。故一般要求裝藥量大，離爆心距離又遠一點效果才好。為了增強爆破效果，可采用密閉爆破法。2025/5/1036四、人工地震模擬試驗人工爆破法存在的問題：人工地震加速度幅值高、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)時間短。可以采用下列措施解決頻率差異：1.縮小試驗對象的尺寸，從而提高自振頻率。2.將試驗對象建造在覆蓋層較厚的土層上，消耗高頻成分。3.增加爆心與試驗對象的距離