第七章结构动力试验

1、第七章 结构动力试验 安徽工业大学建工学院 一、模拟地震振动台试验 1. 概述 模拟地震振动台试验是结构抗震研究的重要手段 （方法）； 通过振动台模型试验，研究新型结构计算理论， 有助于力学计算模型的建立。 地震对结构的作用是由于地面运动而引起的一 种惯性力，通过振动台对结构输入正弦波或地震波， 可以再现各种形式地震波输入后的结构反应和地震 震害发生的过程，观测试验结构在相应各个阶段的 力学性能，进行随机振动分析，使人们对地震破坏 作用进行深入的研究； 一、模拟地震振动台试验 2. 试验模型的基本要求 模型结构应与原型结构的几何相似； 应采用与实际结构性能相近的材料制作模型； 振动台上进行模型

2、试验，由于振动台面尺寸限 制，一般采用缩尺模型来进行试验； 试验模型要按相似理论考虑模型的设计问题， 要使原型与模型保持相似，两者必须在时间、空间、 物理、边界和运动条件等各方面都满足相似条件的 要求； 振动台试验模型制作工艺应严格要求。 一、模拟地震振动台试验 3. 加载过程及试验方法 在模拟地震振动台试验前，要重视加载过程的 设计及试验方法的制定，不适当的加载设计，可能 会使试验结果与试验目的相差甚远； 所选荷载过大，试件可能会很快进入塑性阶段 乃至破坏倒塌，难以完整地量测到结构弹性和塑性 阶段的全过程数据，甚至发生安全事故； 所选荷载过小，可能无法达到预期的试验效果， 产生不必要的重复试

3、验，且多次重复试验对试件会 产生损伤积累，因此，为获得系统的试验资料，必 须周密地设计加载程序。 一、模拟地震振动台试验 3. 加载过程及试验方法 加载程序的基本要求：加载程序的基本要求： （1）振动台台面输出能力的选择 主要考虑振动台台面输出的频率范围、最大位移、速度和加 速度、台面承载力等性能，在试验前应认真核查振动台台面特 性曲线是否满足试验要求。 （2）输入地震波 为了真实模拟地震时地面运动，对输入给振动台的波形有一 定的要求： 1）要选择适当的地震记录或人工地震波，使其占主导分量的 周期与结构周期相似。这样能使结构产生多次瞬时共振，从而得 到清晰的变化和破坏形式； 一、模拟地震振动台

4、试验 3. 加载过程及试验方法 加载程序的基本要求：加载程序的基本要求： （2）输入地震波 2）选择与之相适应的场地土地震记录，使选择的地震记 录的频谱特性尽可能与场地土的频谱特性相一致，并应考虑地 震烈度和震中距离的影响； 3）常见输入波有下面几种： 强震实测记录，在这方面国内外都已取得一些较完整 记录可供试验选用； 按需要的地质条件或参照相近的地震记录，做出人工 地震波； 按规范的谱值构造人工地震波，这主要用于检验性试 验。 一、模拟地震振动台试验 3. 加载过程及试验方法 加载过程加载过程 根据试验目的的不同，在选择和设计台面输入加速 度时程曲线后，试验的加载过程可选择一次性加载及多 次

5、加载等不同的方案。 （1）一次性加载 一次性加载就是在一次加载过程中，完成结构从弹性到弹 塑性直至破坏阶段的全过程； 按在试验过程中，连续记录结构的位移、速度、加速度及 应变等输出信号，并观察记录结构的裂缝形成和发展过 程， 从而研究结构在弹性、弹塑性及破坏阶段的各种性能，如刚度 变化、能量吸收等，并且还可以从结构反应来确定结构各个阶 段的周期和阻尼比； 一、模拟地震振动台试验 3. 加载过程及试验方法 加载过程加载过程 （1）一次性加载 （2）多次加载 主要特点是能较好地连续模拟结构在一次强烈地震中的 整 个表现及反应，但因为是在振动台台面运动的情况下对结 构进行量测和观察，测试的难度较大。

6、 与一次性加载方法相比，多次加载法是目前模拟地震振 动台试验中比较常用的试验方法 一、模拟地震振动台试验 3. 加载过程及试验方法 加载过程加载过程 （2）多次加载步骤 进行模型结构动力特性试验，测定结构的动力特性； 给台面输入运动，使结构薄弱部位产生微裂； 加大输入运动，使结构产生中等裂缝； 增大输入运动，使结构主要部位产生破坏； 给再增大输入运动，使结构变为机动体系，稍加荷载 就 会发生倒塌。 各个加载阶段的周期、阻尼、 振型、刚度退化、能量吸收 能力及滞回反应等特性 一、模拟地震振动台试验 4. 量测方案 一般需观测结构的位移、加速度、应变反应、结构的开裂部 位、裂缝的发展、结构的破坏部

7、位和破坏形式等； 位移和加速度测点一般布置在产生最大位移或加速度的部位， 对于整体结构的房屋模型试验，则在主要楼面和顶层高度的位置上 布置位移和加速度传感器； 结构构件的主要受力部位和截面，应测量钢筋和混凝土的应 变、钢筋和混凝土的粘结滑移等参数； 测量层间位移时，应在相邻两楼层布置位移或加速度传感器， 将加速度传感器测到的信号，通过二次积分即可转化为位移信号； 测得的位移、加速度和应变传感器的所有信号被连续输入计算 机或专用数据采集系统进行数据采集和处理，试验结果可由计算机 终端显示或利用绘图仪、打印机等外围设备输出。 一、模拟地震振动台试验 5. 安全措施 （2）试件与振动台的安装应牢固，

8、对安装螺栓的强度和刚度 应进行验算； （1）试件设计时应进行吊装验算，避免试件在吊装过程中发 生破坏； （3）试验人员在上下振动台台面时应注意台面和基坑地面之 间的间隙，防止发生坠人或摔伤事故； （4）传感器应与试件牢固连接，并应采取预防掉落的措施， 避免因振动引起传感器掉落或损坏； （5）有可能发生倒塌的试件，应在振动台四周铺设软垫，并 利用吊车通过绳索或钢丝绳进行防护，防止试件倒塌时损坏振动 台和周围设备，进行倒塌试验时，应将传感器全都拆除，同时认 真做好摄像记录工作； （6）试验过程中应做好警戒标志，振动台开启和振动过程中 任何人不得进入试验区。 二、结构疲劳试验 1. 概述 结构或构件

9、在重复荷载作用下达到破坏时的应力比其 静力强度要低得多，这种现象称为疲劳； 工程结构中存在着许多疲劳现象，如吊车梁，承受悬 挂吊车作用的屋架等； 结构疲劳试验的目的就是要了解在重复荷载作用下结 构的性能及变化规律； 疲劳问题涉及的范围比较广，对某一种结构而言， 它包含材料的疲劳和结构构件的疲劳。 二、结构疲劳试验 2. 测试内容 对结构构件的疲劳试验大多采用等幅匀速脉动荷载， 借以模拟结构构件在使用阶段不断反复加载和卸载的 受力状态； 结构构件疲劳试验一般均在专门的疲劳试验机上进行， 大部分采用电液伺服疲劳试验机或电磁脉冲千斤顶施加 重复或反复荷载，也有采用偏心轮式振动设备加载； 检验性疲劳试

10、验 主要测试抗裂性、开裂荷载、 裂缝宽度及其发展、最大挠度 及其变化规律以及疲劳强度和 疲劳寿命 研究性的疲劳试验 各阶段截面应力分布状况、中和 轴变化规律、抗裂性及开裂荷载、 裂缝及其发展情况、最大挠度及 其变化规律、疲劳强度以及疲劳 破坏特征分析 技术性能指标（单脉动、对称） 二、结构疲劳试验 3. 疲劳试验荷载 疲劳试验荷载取值疲劳试验荷载取值 疲劳试验荷载频率疲劳试验荷载频率 疲劳试验的上限荷载Q max是根据构件在最大标准荷载最不 利组合下产生的效应值计算而得；荷载下限Q min是根据疲劳试 验设备的要求而定，通常不低于Q max的3。 荷载频率是指单位时间内重复作用的次数，影响材料

11、的塑性 变形和徐变；目前，国内外尚无统一的频率规定，主要依据疲 劳试验机的性能而定，一般而言，取值不宜过高； 荷载频率不应使构件及荷载架发生共振，同时应使构件在试 验时与实际工作时的受力状态一致，为此荷载频率与构件自振 频率之比应满足小于0.5或大于1.3。 二、结构疲劳试验 3. 疲劳试验荷载 疲劳试验控制次数疲劳试验控制次数 构件经受下列控制次数的疲劳荷载作用后，抗裂 性（即缝宽度）、刚度、承载力必须满足现行规范 中有关规定。 中级工作制吊车梁：n=2106次 重级工作制吊车梁：n=4106次 二、结构疲劳试验 4. 加载方法 试验的主要过程试验的主要过程 (1) (1) 预加静载试验预加

12、静载试验 对构件施加不大于上限荷载20的预加静载 12次，消除松动及接触不良，并使仪表运动正常; (2) (2) 正式疲劳试验正式疲劳试验 先做疲劳前的静载试验(对比构件经受反复荷载 后受力性能有何变化),荷载分级加到疲劳上限荷载; 再进行疲劳试验，首先调节疲劳机上下限荷载， 待示值稳定后读取第一次动载读数，以后每隔一定 次数读取数据。 二、结构疲劳试验 4. 加载方法 试验的主要过程试验的主要过程 (2) (2) 正式疲劳试验正式疲劳试验 最后做破坏试验，达到要求的疲劳次数后进行 破坏试验有两种情况： 一种是继续施加疲劳荷载直至破坏，得了承受 疲劳荷载的次数； 另一种是作静载破坏试验，荷载分

13、级可以加大。 二、结构疲劳试验 5. 测试内容 疲劳强度疲劳强度 疲劳试验的测试内容与静力试验中的观测内容 基本相同，主要包括构件的变形、应变分布及裂缝 变化； 与常规静载试验不同之处，疲劳试验所获取的 数据一般都是以荷载相同为前提条件，测试数据随 循环次数的变化反映出结构或构件的性能变化即结 构或构件的疲劳性能。 结构的疲劳强度与应力幅和循环次数有关，当 循环应力小于某一值时，荷载重复次数增加不会引 起疲劳现象，而大于该值，则会产生疲劳破坏，此 应力值称为疲劳强度。 二、结构疲劳试验 5. 测试内容 应变测量应变测量 一般采用电阻应变片测量动应变，测点布置依 试验的具体要求而定。 裂缝测量裂缝测量 裂逢的开始出现和微裂缝的宽度对构件安全使 用具有重要意义，因此，疲劳试验中的裂缝测量也 非常重要，目前测裂缝的方法主要是利用光学仪器、 目测、应变传感器电测裂缝。 挠度测