土木工程结构试验：第五章 工程结构抗震试验1

1、1第五章 工程结构抗震试验 5.1 概述地震对人类威胁最大的自然灾害之一2008年05月12日14时28分，四川汶川发生8.0级地震，死亡人数69227人，17923人失踪，直接经济损失8451亿人民币。2第五章 工程结构抗震试验 5.1 概述地震对人类威胁最大的自然灾害之一2010年04月14日7时49分青海玉树发生7.1级地震，遇难2220人，失踪70人。3第五章 工程结构抗震试验 5.1 概述地震对人类威胁最大的自然灾害之一2010年1月12日当地时间16时53分，海地首都太子港发生7.3级地震，死亡人数2030万人。4第五章 工程结构抗震试验 5.1 概述地震对人类威胁最大的自然灾害之

2、一2010年2月27日当地时间凌晨3时34分，智利康塞普西翁发生8.8级地震，死亡人数799人。第五章 工程结构抗震试验 5.1 概述地震对人类威胁最大的自然灾害之一2011年3月11日当地时间14时46分，日本本州岛附近发生9.0级地震，官方确认死亡人数12554人，15153人失踪。6为了减少人员伤亡和经济损失，提高建筑物的抗震能力，确保人民生命和财产不受损失，需要进行抗震理论的研究。抗震研究的一个主要研究方向是抗震试验方法的研究7目前，结构抗震试验方法主要分三种：1、拟 (伪）静力试验方法或低周反复加载静力试验(Quasi Static Test)2、拟（伪）动力试验方法或计算联机试验(

3、Pseudo Dynamic Test)。3、地震模拟振动台试验方法（Shaking Table Test）85.2 拟静力试验一、概论 1、定义：以一定的荷载或位移作为控制值对试件进行低周反复加载，使结构从弹性阶段直至破坏的一种试验方法。 2、试验目的：建立构件恢复力模型和承载力计算公式，探讨结构的破坏机制，进而评价构件的抗震性能9一、概论 3、优点：加载制度简单明确，可以进行多参数构件试验，进而建立构件恢复力模型和承载力计算公式，评价构件的抗震性能。（性价比最高的抗震试验方法） 4、缺点：加载制度主观确定，与实际地震作用历程无关，很难真实反映地震作用；多为构件试验，仅能应用于以第一振型变形

4、为主的结构；仅能评价抗震性能，不能得到抗震能力10二、试验设备与加载装置 1、加载设备：过去主要采用双向机械式千斤顶或液压千斤顶进行试验加载。目前许多结构试验室主要采用电液伺服加载系统进行结构的拟静力试验加载。11二、试验设备与加载装置 2、加载装置：建筑抗震试验方法规程(JGJl0196)中建议的几种试验加载装置 12二、试验设备与加载装置 2、加载设备：建筑抗震试验方法规程(JGJl0196)中建议的几种试验加载装置 13二、试验设备与加载装置 2、加载设备：典型的拟静力加载装置四联杆机构建研式四连杆拟静力试验加载系统内藏钢板剪力墙拟静力试验15三、单向反复加载制度 目前国内外较为普遍采用

5、的单向(一维)反复加载制度主要有三种：位移控制加载力控制加载力位移混合控制加载 16三、单向反复加载制度1、 位移控制加载 位移控制加载是在加载过程中以位移作为控制值，按一定的位移增幅进行循环加载。当试件具有明确屈服点时，一般都以屈服位移的倍数为控制值。当试件不具有明确的屈服点时(如轴压比较大的柱)或干脆无屈服点时(如无筋砌体)，则由研究者根据已有专业知识主观规定一个认为合适的位移标准值来控制试验加载。17三、单向反复加载制度1、 位移控制加载 根据位移控制的幅值不同，又可分为变幅加载和等幅加载。18变幅位移控制加载多用于研究构件的恢复力特性，并建立其恢复力模型。一般，每一级位移幅值下循环二三

6、次，则由试验测得的滞回曲线可以建立构件的恢复力模型。等幅位移控制加载主要用于确定构件在特定位移幅值下的特定性能，例如极限滞回耗能、强度降低率和刚度退化规律等。以变幅位移控制加载方案使用得最多。19三、单向反复加载制度2、 力控制加载 力控制加载是在加载过程中，以力作为控制值，按一定的力幅值进行循环加载。因为试件达到极限荷载后难以控制加载的力，所以这种加载制度较少单独使用。20三、单向反复加载制度3、力位移混合控制加载 建筑抗震试验方法规程(JGJl0196)规定：试件屈服前，应采用载荷控制并分级加载，接近开裂和屈服荷载前宜减少级差加载；试件屈服后应采用变形控制，变形值应取屈服时试件的最大位移值

7、，并以该位移的倍数为级差进行控制加载；施加反复荷载的次数应根据试验目的确定，屈服前每级荷载可反复一次，屈服以后宜反复三次。 屈服点如何确定？21考虑不规则地震作用加载制度22四、双向反复加载制度 地震对结构的作用实际上是多维的作用，通常水平双向地震比单向地震对结构的破坏严重的多。为了模拟双向水平地震，可在x,y两个主轴方向(二维)同时施加低周反复荷载，采用较多的是双向同步或非同步的加载制度。23四、双向反复加载制度1. x、y轴双向同步加载 与单向反复加载相同，低周反复荷载作用在与构件截面主轴成一定角度作斜向加载，使x、y两个主轴的方向的分量同步作用24四、双向反复加载制度2. x、y轴双向非

8、同步加载 (a)为在x轴不加载、y轴反复加载，或情况相反，即是前述的单向加载；(b)为x轴加载后保持恒载，而y轴反复加载；(c)为x、y轴先后反复加载；(d)为x、y两轴交替反复加载；(e) 8字形加载(f) 方形加载25 对于x、y轴双向非同步拟静力加载制度，由于两个方向上液压伺服加载器之间存在相互藕联，很难协调控制，是目前拟静力试验研究的一个热点和难点。26五、常用试验数据整理与分析1、试件破坏过程、破坏形态分析第一条裂缝的位置？裂缝发展趋势？破坏形态？27五、常用试验数据整理与分析2、强度及变形特征值确定开裂荷载、开裂位移：出现第一条裂缝时的荷载值及对应的位移极限荷载、极限位移：结构构件

9、所能承受的最大荷载值及对应的位移破坏荷载、破坏位移：结构破坏时的荷载值及对应的位移。通常取极限荷载下降到85%时对应的荷载值及位移28屈服荷载、屈服位移：1）拐点法：观察荷载-变形曲线，找到其较明显的拐点，确定结构屈服点；2）钢筋屈服法：监控受力钢筋应变，当某一控制截面受力钢筋应变多数达到材性试验测得的屈服应变，则认为构件达到屈服点；3）开裂屈服法：观察构件出现第一条裂缝时认为构件达到屈服点。294）能量等效面积法：具体方法是(见图)：由最大荷载点A作水平线AB，由原点O作割线OD与AB线交于D点，使面积ADCA与面积CFOC相等，则由D点引垂线与曲线OA交于E点，则此时的E点即为构件的屈服点

10、，E点对应的荷载为屈服荷载，对应位移y为屈服位移。305）通用屈服弯矩法：具体方法是(见图)：从原点作弹性理论值OH线与过极限荷载点G的水平线相交于H，过H作垂线在P-曲线上交于点I，连结OI延长后与HG相交于H，过H作垂线在P-曲线上交于点B，B点即为假定的屈服点。拐点法及钢筋屈服法适用于有明显屈服点构件；开裂屈服法、能量等效面积法及通用屈服弯矩法适用于没有明显屈服点的构件31五、常用试验数据整理与分析3、滞回曲线施加荷载和结构构件实际位移反应的关系曲线，是拟静力试验最基本试验数据，是确定构件恢复力模型及耗能指标的依据。依据实时观测滞回曲线对试验过程进行控制323、滞回曲线根据各种构件恢复力

11、特性研究结果，构件的滞回曲线可归纳为四种基本形态：梭形、弓形、反S形、 Z形梭形，例如受弯、偏压以及不发生剪切破坏的弯剪构件等；弓形，它反映了一定的滑移影响，有明显的“捏缩”效应，例如剪跨比较大，剪力较小并配有一定箍筋的弯剪构件等；333、滞回曲线反S形，它反映了更多的滑移影响，例如一般框架和有剪刀撑的框架、梁柱节点和剪力墙等；Z形，它反映了大量的滑移影响，例如小剪跨且斜裂缝又可以充分发展的构件以及锚固钢筋有较大滑移的构件等。34五、常用试验数据整理与分析4、骨架曲线 每次滞回曲线的峰点都连接起来的包络线，叫做骨架曲线，是确定恢复力模型特征点的依据。骨架曲线的形状基本与单次加载曲线相似、但极限

12、荷载则略低一点。35五、常用试验数据整理与分析4、骨架曲线 通常为了便于进行结构弹塑性反应分析，对骨架曲线需要进行拟合并归一化处理。36五、常用试验数据整理与分析4、耗能能力试件的耗能能力是指试件在地震反复荷载作用下吸收能量的大小，以试件的荷载变形滞回曲线所包围的面积来衡量，它也是衡量试件抗震性能的一个特性。反映滞回耗能能力大小的一些指标有：能量耗散系数E与等效粘滞阻尼比eq等37五、常用试验数据整理与分析4、耗能能力能量耗散系数E和等效粘滞阻尼比eq 能量耗散系数是指滞回环面积与理想弹性耗能面积的比值38五、常用试验数据整理与分析5、刚度退化 刚度就是指作用力与结构反应的比值，通常采用割线刚

13、度来反映构件的刚度退化，采用下式进行计算：式中， 第i次循环正向水平荷载绝对值； 第i次循环负向水平荷载绝对值； 第i次循环正向水平荷载下的位移绝对值； 第i次循环负向水平荷载下的位移绝对值。39五、常用试验数据整理与分析6、延性 延性系数是表示结构构件塑性变形能力的指标，它反映了结构构件屈服后的变形能力，通常采用极限位移与屈服位移的比值表示，即405.3 拟动力试验一、概论 1、方法：通过计算机控制加载模拟地震过程的一种联机试验方法，即由给定地震加速度记录通过计算机进行非线性结构动力分析，将计算得到的位移反应作为输入数据，以控制加载器对试验结构进行试验。1969年，M.Hakuno首先提出采

14、用模拟计算机和做动器联机求解结构运动方程的方法1974年，Takanashi采用拟动力试验方法完成了结构的弹塑性反应试验，从此掀开了拟动力试验研究的篇章。 41一、概论 2、试验目的：评价结构或构件的抗震能力，同时确定构件的抗震性能 3、优点：可进行原型结构试验；可同时评价结构抗震能力和抗震性能；加载过程缓慢，可随时观测控制 4、缺点：不能反映地震的动力特性；适用于质量离散分布的结构；阻尼为人为假定，带有主观性和近似性二、基本原理反馈力位移反馈力位移如何求解运动方程？如何实现计算位移？5.3 拟动力试验二、基本原理如何求解运动方程？(1)-杜哈美积分-数值积分方法：中心差分法、线性加速度法、N

15、ewmark法、 -方法、高阶单步法等冲量引起位移的线性叠加，仅适合线性系统44中心差分法对速度和加速度作如下假定：45三、拟动力试验步骤 1、输入地震动加速度 2、计算下一步的位移值 采用数值积分方法求解下一步位移。 3、施加位移值 由加载控制系统的计算机将第n+1步的指令位移n+1转换成输入电压，再通过电液向加载系统控制作动器对结构加载，由作动器用静态的方法对结构施加n+1位移。46三、拟动力试验步骤4、量测恢复Fn+1即位移值Xn+1对结构施加的荷载，通过作动器的荷载传感器测得此时恢复力Fn+1。5、计算下步结构反应 将Xn+1，Fn+1数据代入上述算式，用同样方法求得Xn+2，进行加载，求得Xn+2位移下的Fn+2，这样如此循环，直到完成整个地震动记录。47子结构拟动力试验试验子结构反馈力位移反馈力位移计算子结构48优点：（1）大大地降低了试