建筑结构试验课件第八章-结构抗震动力加载试验

第八章章结构抗抗震动动力加加载试试验主要内内容：8.1概述8.2结构抗抗震动动力加加载试试验的的加载载制度度和加加载设设计8.3结构抗抗震周周期性性动力力加载载试验验8.4结构抗抗震非非周期期性动动力加加载试试验第八章章结结构抗抗震动动力加加载试试验本章的的教学学内容容：1．动荷荷特性性的测测定：：包括括主振振源的的测定定，动动荷特特性测测试方方法；；2．结构构动力力特性性的测测定：：包括括自由由振动动法，，强迫迫振动动法，，脉动动法；；3．结构构动荷荷反应应的测测定：：包括括结构构动荷荷变形形的测测量，，结构构动力力系数数的测测定4．结构构疲劳劳试验验：包包括试试验荷荷载，，加荷荷的频频率，，疲劳劳试验验的观观测。。重点：：结构构动力力特性性的测测定；；结构构动荷荷反应应的测测定。。难点：：动荷荷特性性的测测定，，结构构动荷荷特性性的测测定。。第八章章结结构抗抗震动动力加加载试试验8.1概述结构抗抗震动动力试试验的的一个个目的的是确确定结结构线线性动动力特特性，，即结结构在在弹性性阶段段变形形比较较小的的情况况下的的自振振周期期，振振型，，能量量耗散散和阻阻尼值值。另一个个目的的是研研究结结构的的非线线性性性能，，如结结构进进入非非线性性阶段段的能能量耗耗散，，滞回回特性性，延延性性性能，，破坏坏机理理和破破坏特特征。。第八章章结结构抗抗震动动力加加载试试验8.1概述从结构构抗震震工程程研究究发展展来看看，目目前抗抗震动动力试试验主主要是是从场场地结结构原原型观观测和和试验验室试试验两两个方方面进进行，，抗震震研究究认为为结构构的静静态试试验和和结构构原型型弹性性阶段段的动动态试试验所所取得得的资资料数数据，，对抗抗震设设计已已不能能反映映客观观的要要求，，特别别是结结构工工作各各个阶阶段的的动态态特性性参数数，对对结构构地震震反应应分析析愈来来愈有有它的的重要要性。。例如如，多多层砖砖石结结构房房屋当当振动动超出出线性性范围围后，，动力力特性性有显显著变变化，，主要要表现现为周周期增增长2～4倍，，阻阻尼尼也也将将增增加加两两倍倍左左右右。。为为此此必必须须进进行行原原型型结结构构进进入入非非线线性性阶阶段段的的动动力力试试验验，，提提供供结结构构系系统统力力与与变变形形的的关关系系、、能能量量吸吸收收和和破破坏坏特特征征。。特特别别是是各各种种构构件件在在结结构构中中所所引引起起的的阻阻尼尼特特性性，，各各类类结结构构部部件件的的连连接接以以及及非非结结构构构构件件连连接接的的特特性性等等资资料料。。更更由由于于结结构构建建造造在在不不同同地地震震烈烈度度区区和和各各种种不不同同条条件件的的地地基基土土壤壤上上，，通通过过场场地地原原型型结结构构动动力力试试验验尚尚可可以以研研究究地地基基土土壤壤和和结结构构的的相相互互作作用用。。第八八章章结结构构抗抗震震动动力力加加载载试试验验8.1概述述相对对于于原原型型结结构构，，目目前前较较多多地地还还是是在在试试验验室室进进行行缩缩小小比比例例尺尺的的结结构构构构件件或或模模型型试试验验。。随着着结结构构动动力力试试验验设设备备和和试试验验技技术术的的发发展展，，结结构构抗抗震震动动力力加加载载试试验验逐逐渐渐引引起起人人们们的的注注意意，，并并开开始始在在结结构构抗抗震震研研究究的的实实践践中中得得到到应应用用。。在在前前述述建建筑筑结结构构低低周周反反复复静静力力加加载载试试验验中中，，由由于于受受试试验验设设备备和和试试验验技技术术条条件件的的限限制制，，人人们们用用静静力力加加载载方方法法来来模模拟拟地地震震力力的的作作用用，，以以致致整整个个试试验验进进行行全全过过程程的的时时间间是是比比较较长长的的，，甚甚至至可可在在几几个个小小时时以以上上，，这这对对结结构构的的自自振振周周期期往往往往只只在在1秒以下相比比，即使试试验时间能能从几小时时缩短到几几十秒、几几秒钟时，，这还可以以看作是慢慢加载。当当然这种方方法的优点点是设备简简单，便于于观测试验验过程，但但是与结构构真正受动动力荷载的的作用相比比，没有反反映应变速速率的影响响。为此人人们总希望望通过动力力加载试验验来研究结结构的动力力反应、结结构抵抗动动力荷载的的实际能力力与安全储储备。第八章结结构抗震动动力加载试试验8.1概述结构抗震动动力试验的的难度和复复杂性比静静力试验要要大，这主主要是：首首先，荷载载是以动力力形式出现现，它有速速度，加速速度或以一一定频率对对结构产生生动力响应应；由于加加速度作用用引起惯性性力，以致致荷载的大大小又直接接与结构本本身的质量量有关；动动力荷载对对结构产生生的共振使使应变及挠挠度增大。。其次，动动力荷载作作用于结构构还有应变变速率的问问题，应变变速率的大大小，又直直接影响结结构材料的的强度。第八章结结构抗震动动力加载试试验8.1概述在试验中人人们经常用用试验对象象的自振周周期(第一周期)作为标准，，衡量和区区分静力或或动力试验验的界限。。如果试验验对象的周周期为0．3s，则加载周周期超过0．3s时，可以认认为是静力力加载试验验，反之如如小于0．3s即可作为动动力试验。。当然这也也是一个相相对的时间间概念，对对于一个刚刚性结构，，由于自振振周期很小小，研究这这种结构的的动力滞回回性能，每每周加载时时间就应该该很小。反反之，对于于柔性结构构加载时间间自然可以以长一些，，在实际工工作中，有有时受试验验条件的限限制，国外外有学者对对于自振周周期小于ls的砖石结构，，当试验加载载周期为2s时，也称是动动力试验。在在钢筋混凝土土梁的试验中中，当变形速速度为25cm／s时，也认为是是动力试验。。为此动力试试验的特点是是试验对象受受动力荷载作作用后，反映映力与变形关关系的滞回曲曲线是在小于于或等于结构构自振期的情情况下获得，，同时反映出出结构应变速速率2的影响。第八章结构构抗震动力加加载试验8.1概述在结构试验中中，人们发现现加荷速度愈愈快，引起结结构或构件的的应变速率愈愈高，则试件件强度和弹性性模量也就相相应提高。在在冲击荷载作作用下，强度度与弹性模量量的变化尤为为显著。在地震力作用用下，钢筋的的应变速率取取决于构件的的反应，如钢钢筋混凝土框框架的钢筋应应变大致在0．01～0．02／s。在动力反复荷荷载作用下，，结构的强度度要比静力低低周反复加载载提高10％以上，由此此可见动力加加载对应变速速率所产生的的作用。第八章结构构抗震动力加加载试验8．2结构抗震动力力加载试验的的加载制度和和加载设计由于试验设备备和试验技术术的不同，与与结构抗震静静力试验一样样，结构抗震震动力试验可可以区分为周周期性和非周周期性的动力力加载试验。。在在结构抗震动动力试验中，，由于周期性性的动力加载载比较容易实实现，所以目目前在实际试试验中应用得得比较普遍，，如采用偏心心激振器、电电液伺服加载载器及单向周周期性振动台台等加载设备备均能较好地地满足试验要要求。第八章结构构抗震动力加加载试验8．2结构抗震动力力加载试验的的加载制度和和加载设计在试验中为了了更好地反映映结构受地震震作用的动力力性能，采用用模拟地震的的非周期性动动力加载试验验，更接近于于结构受地震震动力作用的的工作状态。。这样，在结结构抗震试验验中，非周期期性的动力加加载试验具有有更大的意义义。目前进行行非周期性动动力加载试验验的方法主要要有模拟地震震振动台试验验，人工地震震(人工爆破)试验和天然地地震试验。第八章结构构抗震动力加加载试验8．2结构抗震动力力加载试验的的加载制度和和加载设计8．2．1周期性动力加加载试验的加加载制度一、强迫振动动共振加载强迫振动共振振加载是结构构动力试验中中采用得较多多的一种加载载制度。按加加载方法的不不同，它又可可分为稳态正正弦激振和变变频正弦激振振。第八章结构构抗震动力加加载试验8．2结构抗震动力力加载试验的的加载制度和和加载设计1．稳态正弦激激振即即是在结构构上作用一个个按正弦变化化的，作用于于单一方向的的力，它的频频率可以精确确地保持在某某—数值，这时对对它所激起的的结构振动进进行测量。然然后将频率调调到另一个值值，重复进行行测量，持续续进行得到整整个振动过程程的反应曲线线。通过测量量结构在各个个不同频率下下结构振动的的振幅，可以以得到结构的的共振曲线。。这种加载制制度的目的是是使激振频率率固定在一段段足够长的时时间，以便使使全部瞬态运运动消除并建建立起均匀的的稳态运动。。2．变频正弦激激振上上述稳态正正弦激振要求求激振频率能能在一段时间间内保持固定定不变，在实实际工作中发发现有较大的的困难，因为为要满足这种种要求要有比比较复杂的控控制设备，因因此人们采用用了连续变化化频率的正弦弦激振方法。。第八章结构构抗震动力加加载试验8．2结构抗震动力力加载试验的的加载制度和和加载设计8.2.2非周期性动力力加载试验的的加载设计非周期动力加加载设计(1)地震模拟振动动台动力加载载试验的荷载载设计在在进行结构的的地震模拟振振动台动力试试验时，振动动台台面的输输入都采用地地面运动的加加速度时程曲曲线。在选择择和设计台面面的输入地震震波时，还必必须要考虑下下列问题：①①试验结结构的周期；；

②结构构实际建造时时所在的场地地条件；③③地震烈度度和震中距离离的影响；④④振动台台台面的输出出能力(频率范围、最最大位移、速速度和加速度度性能)。

为此可可以选用已有有通过强震观观测得到的地地震记录，或或者按需要的的地质条件参参照相近的地地震记录设计计出人工地震震波，也可以以按规范的反反应谱值设计计人工地震波波作为结构试试验时台面的的输入信号。。第八章结构构抗震动力加加载试验8．2结构抗震动力力加载试验的的加载制度和和加载设计(2)人工地震模拟拟动力加载试试验的荷载设设计人们采用地面面或地下炸药药爆炸的方法法产生地面运运动的瞬时动动力效应，以以此模拟某一一烈度或某一一确定性天然然地震对结构构的影响，称称之为“人工工地震”。人工地震波对对结构的影响响，可采用地地面质点运动动的最大速度度的幅值作为为衡量标准，，和天然地震震波所造成地地震烈度之间间的参考量。。第八章结构构抗震动力加加载试验8.3结构抗震周期期性动力加载载试验8.3.1偏心激振器周周期性动力加加载试验采用偏心激振振器对结构周周期性动力加加载，将激振振器安装固定定于结构顶层层的楼板上，，也可以支撑撑在走廊两侧侧的墙壁上或或走廊两侧的的框架上，使使激振器通过过楼板、墙柱柱传到整个房房屋，对整体体结构产生强强迫振动。利用共振原理理测定结构的的动力特性，，并研究结构构的极限盈利利、破坏特征征和结构抗倒倒塌能力。第八章结构构抗震动力加加载试验8.3结构抗震周期期性动力加载载试验8.3.2电液伺服加载载器周期性动动力加载试验验控制加载的频频率与试验对对象受载后所所产生的应变变速率。采用用控制作用力力的方法加载载。按照动力加载载试验要求，，对电液伺服服加载器的动动载频率和活活塞最大行程程的要求：最最大荷载0~300kN，动载单向加加载0~200kN，双向±200kN，动载频率0.001~0.5Hz，加载最大行行程±150mm。第八章结构构抗震动力加加载试验8.3结构抗震周期期性动力加载载试验8.3.3单项周期期性振动动台动力力加载试试验机械式、、电磁式式、液压压式第八章结结构抗抗震动力力加载试试验8.4结构抗震震非周期期性动力力加载试试验8.4.1地震模拟拟振动台台动力加加载试验验第八章结结构抗抗震动力力加载试试验8.4结构抗震震非周期期性动力力加载试试验8.4.1地震模拟拟振动台台动力加加载试验验第八章结结构抗抗震动力力加载试试验8.4结构抗震震非周期期性动力力加载试试验8.4.1地震模拟拟振动台台动力加加载试验验1、地震模模拟振动动台动力力加载在在抗震研研究中应应用研究结构构动力特特性、破破坏机理理、震害害原因；；验证抗震震计算理理论和计计算模型型正确性性；研究动力力相似理理论，为为模型试试验提供供依据；；检验产品品质量，，提高抗抗震性能能；为结构抗抗震静力力试验提提供试验验依据。。第八章结结构抗抗震动力力加载试试验8.4结构抗震震非周期期性动力力加载试试验8.4.1地震模拟拟振动台台动力加加载试验验第八章结结构抗抗震动力力加载试试验8.4结构抗震震非周期期性动力力加载试试验8.4.1地震模拟拟振动台台动力加加载试验验第八章结结构抗抗震动力力加载试试验8.4结构抗震震非周期期性动力力加载试试验8.4.1地震模拟拟振动台台动力加加载试验验第八章结结构抗抗震动力力加载试试验8.4结构抗震震非周期期性动力力加载试试验8.4.1地震模拟拟振动台台动力加加载试验验2、地震模模拟振动动台试验验的加载载过程和和试验方方法一次性加加载：从从弹性到到弹塑性性直至破破坏，连连续记录录位移、、速度、、加速度度、应变变信号，，观察记记录裂缝缝形成和和发展，，研究弹弹性、弹弹塑性、、破坏阶阶段何种种性能。。要求高高速摄影影和电视视摄像。。多次性加加载：1依据按试试体模型型理论计计算的弹弹性和非非弹性地地震反应应，估计计逐次输输入台面面加速度度幅值。。2弹性阶段段试验。。输入某某一幅值值的地震震地面运运动加速速度时程程曲线，，量测试试体的动动力反应应、放大大系数和和弹性性性能。3非弹性阶阶段试验验。逐级级加大台台面输入入加速度度幅值，，使试体体逐步发发展到中中等程度度的开裂裂，除了了采集测测试的数数据外，，尚应观观测试体体各部位位的开裂裂或破坏坏情况。。4破坏阶段段试验。。继续加加大台面面输入加加速度幅幅值，或或在某一一最大的的峰值下下反复输输入，使使试体变变为机动动体系，，直到试试体整体体破坏，，检验结结构的极极限抗震震能力。。第八章结结构抗抗震动力力加载试试验8.4结构抗震震非周期期性动力力加载试试验8.4.1地震模拟拟振动台台动力加加载试验验第八章结结构抗抗震动力力加载试试验8.4结构抗震震非周期期性动力力加载试试验8.4.2人工地震震模拟动动力加载载试验人们采用用地面或或地下炸炸药爆炸炸的方法法产生地地面运动动的瞬时时动力效效应，以以此模拟拟某一烈烈度或某某一确定定性天然然地震对对结构的的影响，，称之为为“人工工地震””。试验荷载载设计时时可按要要求模拟拟的地震震烈度，，考虑实实际场地地条件的的特点，，由要求求的地面面质点运运动最大大速度，，确定炸炸药量和和相应的的爆心至至试验结结构的距距离。第八章结结构抗抗震动力力加载试试验8.4结构抗抗震非非周期期性动动力加加载试试验8.4.2人工地地震模模拟动动力加加载试试验人们在在实践践中发发现，，利用用炸药药爆炸炸模拟拟地震震从地地面运运动效效应上上与天天然地地震有有许多多相似似之处处，但但也存存在着着一定定的差差异，，如人人工地地震的的加速速度幅幅值高高、衰衰减快快、破破坏范范围小小；主主频率率高于于天然然地震震；主主震持持续时时间比比天然然地震震短。。因此此，在在试验验设计计时要要采取取下列列措施施：第八章章结结构抗抗震动动力加加载试试验8.4结构抗抗震非非周期期性动动力加加载试试验8.4.2人工地地震模模拟动动力加加载试试验①缩小小试验验对象象的尺尺寸，，从而而可以以提高高被试试验对对象的的自振振频率率，一一般只只要将将试验验对象象比原原型缩缩小2—3倍；②将试试验对对象建建造在在覆盖盖层较较厚的的土层层上，，可以以利用用松软软土层层的滤滤波作作用，，消耗耗地震震波中中的高高频分分量，，相对对地提提高低低频分分量的的幅值值；③增加加爆心心与试试验对对象的的距离离，使使地震震波的的高频频分量量在传传播过过程中中有较较大的的损耗耗，相相对地地提高高低频频分量量的影影响。。第八章章结结构抗抗震动动力加加载试试验8.4结构抗抗震非非周期期性动动力加加载试试验8.4.2人工地地震模模拟动动力加加载试试验人工模模拟地地震的的结构构动力力试验验与一一般结结构动动力试试验在在测试试技术术上有有许多多相似似之处处，但但也有有它比比较特特殊的的部分分：①在试试验中中主要要是测测量地地面与与建筑筑物的的动态态参数数，要要求测测量仪仪器的的频率率上限限大于于结构构动动态态参数数的上上限；；②人工工地震震爆炸炸过程程中所所产生生的电电磁场场干扰扰，这这对于于高频频响应应较好好，灵灵敏度度较高高的传传感器和和记录录设备备尤为为严重重。为为此可可以采采用低低阻抗抗的传传感器器，另另一方方面尽尽可能能地缩缩短传传感器器至至放放大器器之间间连接接导线线的距距离，，并进进行屏屏蔽和和接地地；第八八章章结结构构抗抗震震动动力力加加载载试试验验8.4结构构抗抗震震非非周周期期性性动动力力加加载载试试验验8.4.2人工工地地震震模模拟拟动动力力加加载载试试验验③在在人人工工地地震震波波作作用用下下的的结结构构试试验验时时间间较较短短。。所所以以动动应应变变量量测测中中可可以以用用线线绕绕电电阻阻代代替替温温度度补补偿偿片片；；④结结构构和和地地面面质质点点运运动动参参数数的的动动态态信信号号测测量量，，由由于于爆爆炸炸