结构抗震试验课件

第三章结构抗震试验3.1结构抗震试验的任务和分类一、抗震试验的任务1、结构抗震性能：一般从结构的强度、刚度、延性、耗能性能、刚度退化等方面来衡量。2、结构抗震能力：是结构抗震性能的表现。我国抗震规范的结构抗震能力为“小震不坏、中震可修、大震不倒”。3、抗震试验的任务新材料的抗震性能研究，为推广使用提供科学依据；新结构的抗震能力研究，提出新结构的抗震设计方法；实际结构的模型试验研究，验证结构的抗震性能和能力；为制定和修改抗震设计规范提供科学依据。结构抗震试验伪静力试验拟动力试验振动台试验实验室内试验野外试验人工地震模拟试验天然地震试验1、伪静力试验最常用的抗震试验方法，又称低周反复加载试验或拟静力试验，属于静力试验的范畴。优点：设备简单，经济好；便于试验数据和现象的观测。缺点：试验的加载历程与实际地震作用历程无关（研究者预先主观确定的）；不能反映实际地震作用时应变速率的影响（加载周期长)。二、抗震试验分类2、拟动力试验概念：又称伪动力试验或联机试验。由计算机根据地面运动加速度时程和实测的恢复力曲线求得结构的地震位移反应时程，计算机控制加载器在结构上实现地震位移反应。它是一种对结构边分析边试验的抗震研究方法。通过拟动力试验，可研究结构的恢复力特性、结构的加速度反应和位移反应、结构的开裂、屈服和破坏全过程。优点：l）对于分析结构弹塑性阶段的性能特别有利。地震反应计算时不需要对结构的恢复力特性作任何的假设。2）便于观测结构性能变化和受损破坏的过程。3）可进行大比例尺试件的模拟地震试验，从而弥补了模拟地震振动台试验时，小比例尺模型的尺寸效应，并能较好地反映结构的构造要求。3.2结构伪静力试验一、加载制度1、位移控制：以位移为控制值，适合刚度较小结构，普遍采用变幅加载：探索性的研究结构强度、变形和耗能的性能。等幅加载：主要用于研究构件的强度降低率和刚度退化规律。力控制：以力为控制值，适合刚度较大小结构，采用较少。加载控制方法也有变幅、等幅和混合加载。混合控制：先力控制，屈服之后以屈服位移的倍数为控制。混合加载:

综合地研究构件的性能，其中包括等幅部分的强度和刚度变化，以及在变幅部分特别是大变形增长情况下强度和耗能能力的变化。二、加载设计1、墙体加载高宽比〈=1/3固端平移式试验装置（日本建研式）可模拟墙体实际受力与边界条件，保证在试验中只允许墙体顶部产生水平位移。2、节点加载装置（无侧移）节点加载装置（有侧移）2、框架节点荷载及支座反力：用测力传感器测定，对于在梁端加载测量柱端水平反力；反之，柱端加载方案则测量梁端支座反力。

荷载一变形曲线：采用电测位移传感器，通过X－Y函数记录仪记录或接入计算机数据采集系统。梁和柱端位移：采用电测位移传感器，重点是量测加载截面处的位移。构件塑性铰区段曲率或转角：对于梁，一般在距柱面（l／2）hb（梁高）或hb处布点，对于柱子则可在距梁面(1／2)hc（柱宽）处布点。节点核心区剪切角：通过量测核心区对角线的位移量来计算确定。梁柱纵筋应力：一般用电阻应变计量测，测点布置以梁柱相交处截面为主。核心区箍筋应力、梁纵筋滑移裂缝开展及宽度梁柱端位移、曲率转角、剪切角、梁、柱端位移曲率转角剪切角4、参数计算1）强度开裂荷载：试件出现水平裂缝、垂直裂缝或斜裂缝时的截面内力或应力值。屈服荷载：试件刚度开始明显变化时的截面内力或应力值。对受弯或大偏压指受拉主筋屈服、受剪或受扭指受力箍筋屈服、小偏心受压或轴心受压短柱指混凝土出现纵向裂缝。对有明显屈服点者由曲线的拐点确定，对没有明显的屈服点用能量等效面积法近似确定屈服强度。无明显屈服点情况屈服点极限荷载：试件达到最大承载力时的内力和应力。破损荷载：试件经历最大承载力后，达到某一剩余承载能力时的内力或应力值。常取极限荷载的85%极限位移：破损荷载对应的位移。2）刚度初次加载刚度K0卸载刚度Ku反向加载DC’、卸载刚度C’D’和重复加载刚度D’C等效刚度Ke屈服刚度开裂刚度5)退化率结构强度和刚度的退化率是指在控制位移作等幅低周反复加载时，每施加一周荷载后强度或刚度降低的速率。它反映结构在一定变形条件下，强度或刚度随反复荷载次数增加而降低的特性。退化率的大小反映了结构是否经受得起地震的反复作用，当退化率小时，说明结构有较大的耗能能力。结构刚度退化率6）能量耗散结构构件吸收能量的好坏，可由滞回曲线所包围的滞回环面积和它的形状来衡量。由滞回环的面积可以求得等效粘滞阻尼系数he。he愈高，结构的耗能能力也愈强。拟动力试验流程四、拟动力试验实例1、概述采用子结构技术，对一六层钢筋混凝土框架结构进行了拟动力试验研究，了解钢筋混凝土框架结构在地震作用下的非线性反应。2、试件采用1：2模型，试验子结构为结构的第一层，上部五层为计算子结构。结构的动力分析模型采用剪切型模型，数值积分方法采用Newmark法。根据相似比，结构的各层质量为7.5t，各层结构的刚度采用底层实测值9700kN／m，试验输人的地震波为EL-Centro地震波，时间间隔为0.014s（根据相似比进行了压缩），持时为14s。为了模拟轴力的作用，在试件的柱端分别加了220kN的轴力。试件和试验简图如下图所示。2、试件3、试验装置4、试验过程地震波的输人采用多种工况，首先输人峰值加速度为0.05g的地震波，用以检验试验方法和仪器仪表的工作状况，然后分别输入进行了0.1g、0.2g、0.4g、0.6g、0.7g的加速度。试验中考虑了损伤引起的阻尼特性变化，当峰值加速度超过0.2g之后，结构的刚度不断退化，据此将结构的阻尼比作了相应的调整，0.2g以内取0.05，0.4g时取0.07，0.6g时取0.09，0.7g时取0.10。层间恢复力模型采用了三线性模型，每种工况下的理论计算采用试验结果对恢复力模型中的参数加以确定，使理论计算能充分反映实际情况。5、试验结果随着输人地震波峰值的增加，结构的层间变形也随之增大，从滞回曲线看，结构的层间刚度也不断退化，随着结构刚度的不断退化，结构的各阶频率也相应降低。当0.1g、0.2g地震波输人时，结构的各阶频率基本没有变化，说明结构没有破坏。当0.4g地震波输人时，梁端和柱端均出现裂缝，结构刚度降低，结构频率明显下降.当输人0.6g地震波时，柱端裂缝出现贯穿断面，局部混凝土剥落，因此，频率降低尤为明显。位移反应加速度反应各工况下结构自振频率(HZ)0.1g0.2g0.4g0.6g0.7g一阶1.441.421.351.071.00二阶4.164.124.124.073.36三阶6.326.316.146.005.932.4振动台加载一、振动台地震模拟振动台是再现各种地震波对结构进行动力试验的一种先进试验设备，其特点是具有自动控制和数据采集及处理系统，采用了计算机和闭环伺服液压控制技术，并配合先进的振动测量仪器，可以在实验室内进行结构物的地震模拟试验，以求得地震反应对结构的影响。地震模拟振动台由台面、液压驱动系统、控制系统、测试和分析系统组成。地震模拟振动台组成1.台面振动台的台面是有一定尺寸的平板结构，其尺寸的规模由结构模型的最大尺寸来决定。台体自重和台身结构与承载的试件重量及使用频率范围有关。振动台必须安装在质量很大的基础上，这样可以改善系统的高频特性，并减小对周围建筑和其他设备的影响。2.液压驱动和动力系统液压驱动系统给振动台以巨大的推力。由电液伺服系统来驱动液压加载器，控制进入加载器液压油的流量大小和方向，从而推动台面能在垂直轴或水平轴的X和Y方向上产生相位受控的正弦运动或随机运动，实现地震模拟和波形再现的要求。液压动力部分是一个巨大的液压功率源，能供给所需要的高压油流量，以满足巨大推力和台身运动速度的要求。3.控制系统采用计算机进行数字迭代的补偿技术，实现台面地震波的再现。试验时，振动台台面输出的波形是期望再现的某个地震记录或是模拟设计的人工地震波。由于包括台面、试件在内的系统的非线性影响，在计算机给台面的输入信号激励下所得到的反应与输出的期望波形之间必然存在误差。这时，可由计算机将台面输出信号与系统本身的传递函数（频率响应）进行比较，求得下一次驱动台面所需的补偿量和修正后的输入信号。经过多次迭代，直至台面输出反应信号与原始输入信号之间的误差小于预先给定的量值，完成迭代补偿并得到满意的期望地震波形。4.测试和分析系统测试系统：对台面运动进行控制而测量位移、加速度反应，对被试模型一般也可测量位移、加速度和应变等参数。总通道数可达百余点。数据采集系统：由计算机采集记录来自测量系统的数据，并存于计算机中，然后由计算机分析。振动台台面运动最基本的参数是位移、速度和加速度以及使用频率。一般按照模型相似原理，根据模型比例及试验要求确定台身满负荷时的最大加速度、速度和位移等数值。使用频率范围一般由试验模型的第一频率确定（1～l0HZ）。二、地震波输入选择1．试验结构的周期如果模拟长周期结构并研究它的破坏机理，就要选择长周期分量占主导地位的地震记录或人工地震波，以便结构能产生多次瞬时共振而得到清晰的变化和破坏形式。2．结构所在的场地条件如果要评价建立在某一类场地土上的结构的抗震能力，就应选择与这类场地土相适应的地震记录，即要求选择地震记录的频谱特性尽可能与场地土的频谱特性相一致，并需要考虑地震烈度和震中距离的影响。当实际工程进行地震模拟振动台模型试验时，这一个条件尤其重要。3．考虑振动台台面的输出能力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、台面承载能力等性能，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。三、加载方案1、一次性加载：从弹性到弹塑性直至破坏阶段的全过程在一次加载过程中全部完成。主要特点是可以较好地连续模拟结构在一次强烈地震中的整个表现与反应，但是对试验过程中的量测和观察要求较高，特别是在初裂阶段难以观察到结构各个部位上的微裂缝。对于破坏阶段的观测更有危险，这时要求用高速摄影和电视摄像的方法记录试验过程，因此在没有足够经验的情况下很少采用这种方法。2、多次性加载大多数的研究者都采用多次性加载的方案来进行试验研究。一般情况可分为：l）动力特性试验，以得到结构在各阶段的各种动力特性。

2）振动台台面输人运动，使结构产生微裂缝。例如结构底层墙柱微裂或结构的薄弱部位微裂。3）加大台面输人运动，使结构产生中等程度的开裂。例如剪力墙、梁柱节点等会产生明显的裂缝，停止加载后裂缝不能完全闭合。4）加大台面输人加速度的幅值，结构振动使剪力墙、梁柱节点等主要部位产生破坏，受拉钢筋屈服，受压钢筋压屈，裂缝贯通整个截面，但结构还有一定的承载能力。5）继续加大振动台台面运动，使结构变为机动体系，稍加荷载就会发生破坏倒塌。四、观测设计内容：一般需测结构的位移、加速度和应变反应，以及结构的开裂部位、裂缝的发展、结构的破坏部位和破坏形式等。位移和加速度测点一般布置在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（要求传感器的频响范围为0～100HZ）。层间位移：在相邻两楼层布置位移或加速度传感器（通过二次积分转化为位移信号）。主要受力部位：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。数据采集：由计算机终数据采集系统采集记录试验数据。五、安全措施1．试件设计应进行吊装验算，避免试件在吊装过程中发生破坏。2．试件与振动台的安装应牢固，对安装螺栓的强度和刚度应进行验。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，防止发生掉人或摔倒事故。4．传感器应与试件牢固连接，并应做好预防掉落的措施5．用吊车通过绳索或钢丝绳保护，防止试件倒塌时损坏振动台和周围设施。6．应做警戒标志，防止与试验无关的人员进人试验区。五、振动台实例1、概述上海星海大厦，地下2层，地上24层，立面上4-20层开了巨大洞口。为了研究该建筑的抗震性能，采用1:25微粒混凝土模型进行了振动台试验。2、模型设计在设计结构动力模型时，完全满足模型与原型的相似关系是十分困难的。本试验主要研究地震时结构的性能，因此设计时着重考虑满足抗侧力构件相似关系，使墙、柱、梁、板构件及其节点满足尺寸、配筋（配筋按等强换算）等相似关系，用设置配重的方法满足质量和荷载的相似关系。模型相似系数物理量相似系数物理量相似系数长度1/25弹性模量1/3.516时间0.075应力1/3.516频率13.333位移1/25密度1.0加速度7.1103、模型制作模型主体采用微粒砼和镀锌铁丝制作，柱、梁、板、墙等构件尺寸及配筋由相似关系计算得出。柱中纵向钢筋与箍筋的连接采用锡焊。梁、板中配点焊铁丝网或镀锌铁丝。微粒混凝土设计强度指标为C12.8、C11.4和C10.0，弹性模量为9528～8532MPa。弹性模量与理论值较接近，而强度都低于理论值。由于小比例模型在弹性阶段与原型相似较好，而破坏阶段只能供参考，所以本项研究尽量满足弹性模量相似，这使模型与原型在自振频率方面相似较好，而开裂烈度模型小于原型，破坏程度模型大于原型。由于模型比例较小，精度要求较高，因此对施工有特殊要求。采用有机玻璃板作为外模，易于观察浇筑情况。内模采用泡沫塑料，易于拆模。模型外形见下图4、试验输入地震波地震波：EL_CENTRO波、San-Fernando波、上海人工波烈度大小：七度多遇地震、基本烈度地震、罕遇地震5、试验结果1）试验现象：七度多遇地震（35gal）：未发现裂缝。基本烈度地震（100gal）:EL_CENTRO波输入时，3、4、5剪力墙开裂，San-Fernando波时裂缝增多；人工波时，裂缝扩展，裂缝进一步增多。罕遇地震（220gal）:3-5层出现较大裂缝，许多裂缝贯穿，钢筋屈服，但模型未倒。2）模型动力特性输入地震波，先输入白噪声，测得结构的自振频率和阻尼比。见下表：模型自振频率和阻尼比振型123456频率9.76613.02139.71441.66743.62048.177阻尼比0.04230.05780.03190.02440.01390.0157振型形式斜向扭转X向东塔Y东塔X西塔Y频率和振型变化多遇三向地震波（San－Fernando）输人时X向自振频率下降，结构刚度开始改变，表明模型有微裂缝。随着地震波输人幅度的增大，结构刚度不断减小，七度罕遇地震EL－Centro地震波输人时，模型X方向第一自振频率降至4.557Hz，Y方向的第一自振频率降至2.604Hz。Y方向的开裂