结构动力特性

第七章结构动力特性分析

第一节结构抗震试验方法简介

第二节动力性能的一般特性第三节基本构件的动力特性第四节整体结构的动力性能第五节恢复力曲线模型

第六节系统识别理论

5/17/20231第一节结构抗震试验方法简介结构抗震试验的主要任务是构件或结构的动力破坏机理与破坏特征，确定结构的动力特性，为结构的动力理论模型提供基础。结构试验主要类型有：自振特性试验、周期性反复静力加载试验、振动台试验和拟动力试验。5/17/20232第一节结构抗震试验方法简介（续一）一、自振特性试验

二、周期性反复静力加载试验

三、振动台试验四、拟动力试验

5/17/20233一、自振特性试验自振特性试验以获取或确定结构的自振周期、振型和阻尼为目的。实用的方法通常有三种：1、自由振动法2、共振法3、脉动法。5/17/202341、自由振动法

自由振动法利用阻尼振动衰减原理求取自振特性。该法借助一定的张拉释放装置或反冲激振器使结构在一定的初位移（或初速度）状态下开始自由衰减振动，通过记录振动衰减曲线，便可利用动力学理论求出自振周期。自振衰减曲线上两个相邻波峰之间即等于结构自振周期。动力特性测定5/17/202351、自由振动法动力特性测定放大器桥盒动态电阻应变仪光线示波器结构物撞击拾振器位移传感器自由振动衰减量测系统5/17/20236自由振动时间历程曲线有阻尼自由振动的运动方程：—阻尼比—衰减系数；；自振频率：即基本周期的倒数。5/17/202372、共振法共振法采用能产生稳态简谐振动的起振机或激振器作为振源。实验时，把激振器安装在结构适当位置，当逐渐加大激振器的输出力量时，可以迫使结构产生周期性的强迫振动。在一定输出力量下，逐渐改变激振器的激振频率，则可促成结构的共振反应。通过测量结构振动反应的幅值，可以得到共振曲线和振型曲线。通过对共振曲线的分析，可以获得结构的自振频率和振型阻尼比5/17/202382、共振法（振动荷载法）功率放大器信号发生器激振器频率仪试件放大器放大器放大器放大器记录仪相位计拾振器共振法测量原理框图5/17/20239共振时的振动图形和共振曲线由共振曲线求阻尼系数和阻尼比衰减系数：阻尼比：参数测定5/17/202310用共振法测建筑物振型5/17/2023113、脉动法脉动：由于人为活动和自然环境的影响，建筑物在一般情况下都经常产生微幅振动（振动以微米计）。这种微幅振动称之为建筑物的脉动。脉动法：是通过测量建筑物的脉动反应波形来确定建筑物的动力特性。脉动信号的功率谱峰值对应着结构的固有频率。5/17/202312二、周期性反复静力加载试验拟静力试验：周期性加载是指按一定的力或位移周期性地反复或重复加载。拟静力试验始于50年代后期、为确定构件和结构的恢复力模型进行的。根据试验所得的荷载位移关系曲线反映结构耗能能力的强弱，观察并研究结构破坏机理。拟静力试验加载试验装置的基本组成部分为：反力装置,加载器,试验台座。5/17/202313二、周期性反复静力加载试验大型结构试验反力墙设备5/17/202314二、周期性反复静力加载试验1．静力试验加载制度的分类

（1）单向反复加载

1）控制位移加载法

又可分为变幅加载、等幅加载和变幅等幅混合加载等方法。

a．变幅加载

控制位移的变幅加载如图8-1(a)所示。

（a）控制位移（b）控制作用力

图8-1伪静力试验低周反复加载制度

5/17/202315二、周期性反复静力加载试验b．等幅加载

控制位移的等幅加载如图8-2所示：

c．变幅等幅混合加载

混合加载制度是将变幅、等幅两种加载制度结合起来，如图8-3所示。

图8-2控制位移的等幅加载制度图

图8-3控制位移的变幅等幅混合加载制度5/17/202316二、周期性反复静力加载试验2）控制作用力加载法

控制作用力的加载制度如图8-1(b)所示。

3）控制作用力和控制位移的混合加载法

混合加载法是先控制作用力，一直加到屈服荷载，再用位移控制。从转变为控制位移加载起，即按屈服位移值的倍数μ值控制，直到结构破坏。

5/17/202317三、振动台试验60年代末，先后在日本、美国开展振动台的研制和试验。我国在60～70年代，建造部分侧重于进行正弦波振动试验的振动台，80年代建造了一批大、中型地震模拟振动台试验目的：了解结构抗震性能、破坏机制、验证计算模型的正确性振动台组成：台体、激振器、控制系统、测量记录系统、数据处理系统等部分。5/17/202318三、振动台试验交通银行大厦振动台试验5/17/202319三、振动台试验试验四个过程：结构自振特性的标定、线性阶段的试验、非线性阶段的试验和极限破坏试验。技术难点在于如何处理试验模型与原型的相似关系问题。一般采取增加附加质量的方法来满足密度相似要求。5/17/202320四、拟动库力试维验拟动力谎试验（利又称为镜伪动力纵试验或弊计算机-加载器私联机试圾验），瓜即是指展计算机峡与试验沸机联机器对试件够进行加灿载试验当。拟动力勿试验：附把电液奋伺服试这验装置男与计算五机控制葬系统结拌合起来耗，利用吉加载试察验给出申结构恢衡复力的找实际数晚据，利网用计算层机数值屡分析技刻术给出邻加载试神验的逐辽步控制岛数据，岗为原型琴结构模页拟地震挡试验。5/4矛/20肌2321四、拟动力崖试验输入脏地面池运动秧加速铃度，商计算搜下一些步的拉位移工值，料位移临值的箭转换挨，量笔测恢撒复力猜及位着移值屋，由霸数据鞋采集蓝系统例进行丙数据省处理递和反威应分香析。御整个偷试验极工作狠的流拉程是井连续板循环事进行垦的，般全部节由计俭算机壶自动吴控制商操作回。拟驻动力强试验梅具有寸以下奸特点慢：拟螺动力片试验蛾在整围个数翅值分御析过伞程中菠不需辈要对鼠结构须的恢伯复力不特性陈作任袜何假努设，磁这对枪于分胖析非台线性秆的系钥统性士能特闸别有顽利。5/什4/地20伸2322四、拟动毅力试少验地震丘模拟厉振动姐台试朽验由强于台制面尺央寸和泰承载砖能力衣的限嫌制，尸只能千进行多小比彻例模暗型的蓬试验株，且之彼此训配重差不足糊，不熄能很犹好满劝足相差似条装件，折特别交是进刷入弹莲塑性报阶段欠工作鹅时，门更不缎可能伤满足到相似剑条件搏，导执致地很震作秩用破惑坏形效态失没真；么拟静幅力试结验只触能得虽到构敲件或必结构叫在反匪复荷艳载作园用下坏的恢撞复力承滞回棕特性鹊，不弯能得涛到结舟构地引震反搏应全悔过程调；而波拟动宿力试昌验则额是加苍载试背验技丽术与暴计算匠机技崇术相合结合反的当廉代先议进的丛抗震鼓试验弓方法辩，可愤以进献行大配比例末模型张或足湖尺结塌构抗探震试未验，递可慢瞒速再刑现结芦构在派地震浪作用港下的直弹性陕一弹里塑性篮一倒醒塌全版过程闸反应疤，这到是具半有广塌泛发振展前插途的遣抗震预试验硬方法热。5/检4/抹20勺2323第二外节魔动力愁性能床的一极般特怨性一、动力怎弹性帝模量速与动胳力极晴限强桶度二、法恢复甲力曲乎线三、强寇度退化妖与刚度罩退化四、帐裂面投效应缩慧与包娇兴格辞效应5/惧4/预20巷2324一、动力弹萌性模量绕与动力征极限强繁度结构童材料蔽承受魂动荷棚载时玩的性解能与亲承受最静荷坏载时睁的性建能往顺往有应较大合的差锐别。动力鼓弹性踩模量选高于苏静力扩弹性吊模量貌。动力尽极限惯强度薄也高尺于静打力极币限强据度。5/忘4/蜓20霉2325二、恢复力总曲线滞回曲边线：结庸构或构态件在力广循环往鞠复作用剂下得到客的力--变形曲顺线。骨架曲朵线：滞糕回曲线令的外包抵络线。负多数情第况中，洽骨架曲亩线与单召调加载统的力－拨变形曲伏线基本榜一致。恢复力事曲线：手滞回曲造线与骨据架曲线园合称为伞恢复力夕曲线，虚它表示赢构件或拍结构的诱变形履摇历过程缠。5/4炉/20裹2326二、恢复庙力曲蚂线恢复肤力代拥表构备件或差结构牌在外仪荷载糠去除挎后恢熊复原妹来形盒状的彼能力餐。循环往杂复加载惕：正向酱加载--卸载--反向小加载--反向卸画载--再正向诱加载重复锯加载矿：加海载--卸载--再加载5/4框/20惧2327三、强度退蹲化与刚额度退化在循丽环往携复荷亦载作存用下芒，当载保持士相同失的峰爽点位禽移时瓶，常仙常出底现峰胁值荷辈载随跳循环托次数佩增多只而降胸低的第现象静，称想作强土度退债化。5/4希/20秒2328三、强度退煎化与刚并度退化当保纽奉持相展同的尚峰值宣荷载剧时，短峰点非位移陡往往麦随循班环次要数增亡加而亭增加沾，称集作刚陷度退惧化。退化性联质反映洪结构累糊积损伤宇的影响梳，是结注构动力赔性能的沃重要特起性之一仿。5/4炊/20历2329四、裂面贿效应限与包行兴格证效应裂面效端应即裂黄面接触图效应，扯也就是速在反复墓荷载下廊的钢混土材料，挎开裂的龄砼再受林压时，关具有裂味面局部桐接触以蜂传递压愿力的效柳应。造成裂请面效应走的根本党原因是采在裂面争重新受场压时，病骨料咬撞合作用所使裂缝云在完全渗闭合之棵前就已眯传递较笑大的压蠢力。试坐验指出兆，裂缝裂越宽，叙裂面接戚触效应推越显著宜。5/4哑/20峰2330四、裂面效御应与包她兴格效乘应循环往猜复加荷选荷载变罢位曲线歪的另一阴特点是扫屈服后拢反向加到载时应少力可能收明显降书低，这阳一现象坝称之为唯包兴格调效应。5/望4/隆20寸2331第三观节基本构酿件的动迅力特性一、钢筋混屑凝土构迷件二、帝钢结邀构构施件三、砌拘体构件5/婶4/形20手2332一、钢筋雨混凝抓土构现件1、受弯洋构件；2、压移弯构午件；3、受扭刊构件；4、梁-柱节点州；5、剪力政墙；5/4宫/20问23331、受狭弯构香件受弯构看件：受阁弯构件脉是指没裕有轴力瞎影响，尼且以弯模矩作用枝为主的周梁式构思件。在循环迎往复荷欠载下的够破坏属构于纤维展性破坏年，即受液拉钢筋寨超过屈辩服应力淋后受压层钢筋压命曲而破葵坏，因施此，构敲件具有录较大的户延性。对比试投验表明傲，对称屑配筋梁掌具有较单好的延粮性，耗弄能能力拘亦较非芒对称配腐筋梁好渣。加密箍幸筋可以立增加耗蕉能能力袖，但不员能完全抱消除捏殖拢现象秒。5/4爽/20同23341、受弱弯构稠件钢筋传屈服吗前，勒循环昆往复旧荷载小下梁塞的骨柔架曲野线与材单调启加荷赌时梁池的力——变形曲拒线基本殿重合，固滞回环体基本呈中稳定的蛙梭形，钞刚度与忆强度退嗓化均较利小。而怜在钢筋堆屈服以纯后，由岂于钢筋字的包兴张格效应候、混凝用土裂缝难的开张匆与闭合欧、钢筋扒与混凝欠土之间轧粘结力席的破坏汁，滞回许曲线将汽出现“奖捏拢”铸现象，原同时，冷刚度退眨化现象踏亦渐趋松明显。5/4岭/20拳23351、受丽弯构浇件剪力剩的存师在不肚利于首受弯善构件尼良好肠地发懂挥抗遥震性至能。祝图（a）剪刮力相绪对较弦小，振滞回辜曲线孟基本贞呈“暂梭形信”，惩图（b）剪力晌较大，臣滞回环笼呈现显邀著的“久捏拢”围现象，袜耗能能厅力明显筒降低。5/4叼/20脖23362、压剃弯构仇件压弯构蒸件主要遮模拟框侦架或排矩架柱的咐受力情矩况。由皇于轴力辫的存在声，使构狠件延性辰降低，英耗能能削力减小忍。在无庭轴力情路况下，冲滞回环刃最为丰辜满，随瓦着轴压拾比的提岛高，滞非回环呈源捏拢现沫象，最匆终成为打所谓“筋弓形”纽奉的滞回怨曲线。5/废4/障20暴2337二、钢结构烈构件1、梁早与柱2、梁－揪柱节点劳连接3、梁猴－柱金节点卡域4、支棒撑5/4臣/20趋23381、梁蔽与柱钢是一状种良好躁的抗震盲材料，瓜然而这露种说法歪是有条淋件的，妙在循环陵往复荷熊载作用乌下整体垦或局部撞的失稳模与低周泰疲劳断芹裂都有桨可能导塘致钢结厌构构件悄出现非材延性破居坏。5/4丸/20搭23392、梁－邮柱节妥点连堂接钢结尽构的蛛梁－长柱节栏点连适接，歉有全却焊接造、翼贿板焊森接、忠腹板健螺栓手连接宪和全疯螺栓浮连接蹦等诸挎多形曾式。缓良好译的焊翻接节倚点（际包括隐翼板封焊接籍、腹佛板螺均栓连蒜接节桨点）丸具有欲稳定栗的滞涨回性俗能，娘而螺为栓连挥接节拨点则舅可能拳因螺读栓的第滑动票使滞逆回环警呈滑躁移形放式。5/4驴/20剩23403、梁－及柱节霜点域钢框架于中的梁协－柱节雅点域在丈梁不平辉衡弯矩弃和柱端摘剪力作论用下，衰会产生阔较大的啦剪切变降形，对从结构的袍内力和垮变形均杏有较大姐影响。丑满足局弹部稳定腥条件的五梁－柱恭节点域粱具有饱触满、稳侄定的滞组回曲线却。5/4苹/20绘23414、支撑单件支节撑在不渗同变形若幅度下潜的循环葬往复试委验滞回耐曲线典因型情况判如图。辉这一发溜现导致册人们曾盗试图将楚两个交沿叉支撑邮视为两控个单杆咐支撑，样利用单是杆支撑萄的滞回独性质来盖集合交纵叉支撑糠的滞回良性质。戴但后来嫂的研究详表明，舱这种近玻似难以础反应两茫支撑间京的相互辈作用影丑响。5/获4/防20走2342第四已节整体冶结构枝的动备力性岛能一、周期与佳阻尼二、内缎力重分叮布与变瞒形集中三、双信向地震疗作用四、测扭转对反应5/配4/喇20诱2343一、周期贡与阻基尼对建筑境物进行召大规模教的自振技特性的锈观测，栋积累了路数以千姿计的试策验数据佛，得到手经验公炊式，按闲我国试绒验数据闻总结的闻常见结悠构基本警周期计昂算公式限。5/涌4/习20歇2344一、周期与亲阻尼结构绝自振音周期且的大避小与馅结构杠的变存形阶哈段密厌切相逼关。吗上述聚经验捷结果旧一般花是指腥在弹疫性变有形状伴态下老的值酬。在脑非线容性变物形状猜态下休，结在构自猾振周例期是际一个抢变量茄。带构造码柱多层馋砖房试鬼验结果疫说明，山开裂后半，结构织第一频何率下降极约一半宇，相当称于结构编刚度降稀低4倍；开马裂后，吊较高振乒型振动未所消耗躁能量显耻著增加她。5/孟4/产20稿2345二、内力见重分巡寿布与畏变形巴集中在循不环往乱复荷凭载作堂用下匠，由直于荷析载的属反向牙作用衡和结就构内鹅部的暗累积筝，使肾内力咬重分煮布规金律更哪趋复社杂而肌不易携掌握测。钢筋详混凝欣土框屠架结距构的和弹塑扣性性贼能及浮破坏隶机理扇，除短与其爆基本鹿构件毯的恢扬复力滑特性姜密切薯关系耀外，尘还与透结构罪中塑径性铰仗形成晓的过路程有雨重要倚关系须。在框架别结构首芹先出现绝梁塑性籍铰后，条若能使译框架在拍内力重加分配中廉依次较组均匀地阶出现塑俘性铰，雨则框架绸结构将接具有最嚷好的延汉性。5/4葬/20到2346二、内力重捡分布与红变形集烈中(续一)塑性素铰的新形成咐是非铁线性薯变形搂在构声件一星小区肆段内筑地集递中，蜡与之盆类似卸，整旨体结赴构层桃间屈滨服会美造成锯非线附性变道形在梯该层俗的集适中。在地震腰中，结忙构将首姿先在薄掠弱层发薯生破坏趋。由于失结构内障力重分琴布的作弹用，结肾构累积烫损伤效扭应、结袖构振动凯内力传接播的特章点等因习素的综主合影响雕，这种浅薄弱层宴的破坏梦将迅速仪恶化，须形成非教线性变钞形集中枣于这一嗽层或几狠层的不竹利情况货。试验表创明，在御弹性变与形阶段顾变形较照大的层厦在弹塑悼性阶段梢不一定氏变形最陷大。说吗明弹塑益性变形播的集中陪不仅与抹层间刚证度有关局，还与持层间强擦度密切仍相关。5/4欲/20细2347三、双向地啄震作用双向地恒震作用:相互灶垂直康的两远个水仗平方尤向或葛水平田向与絮竖向秩两种福情况勉。在双向秧地震作俭用下，顾结构构翠件存在担着强度护相互作暂用影响料和刚度枯相互作言用影响,将使临结构非在双马向地箱震作许用下缝的反寻应增恨大。试验宁指出泉，双氏向地隔震波观对非寇对称挡结构爹位移秋反应叼的影浪响较臣对称稍结构墨大；闯双向蹄地震哨波对销框架急柱的灭局部传屈曲较有不档利的柴影响蔬。理论浮分析胁表明烈，双浪向地彼震作乐用对俘弹塑征性层煌间相慕对位裕移的丽影响祝比对喇楼层钉位移沙反应袍的影惜响大;对结椒构下舒层的螺影响胳比对盗结构窑上层治的影材响大恨。5/篮4/安20册2348四、扭转供反应实际虹工程逆中，犯存在动结构怎质心泼与刚抛心不筝重合壤的结优构物开。震害演调查爆表明劫，这斑种结飞构特侮征使齿地震按中的拒扭转叔破坏惊现象衫十分霜突出赏。试验发形现，偏史心结构甜在双向冒地震作孝用下的顽扭转反阁应突出照而且明疫显，角见部破坏甩严重，贡边墙首村先开裂基，墙体润塌落自员外向内窜发展是较扭转反谈应的典输型表现经。一般规幅律：在宜结构的举初始损光伤阶段洪，扭转佛反应随牧结构损响伤的发显展而增逼加，而程在结构桑进入到把接近或妹超过层域间屈服束的严重吵损伤阶离段，扭依转反应近又趋于株降低。5/享4/疯20垦2349第五节恢复逃力曲昌线模瓜型一、恢复力影曲线的躺实验拟扬合法二、几棒个重要负的恢复盆力曲线曾模型5/4云/20商2350一、恢复力晃曲线的桥实验拟弟合法实验拟脚合法是惨根据实杜验散点虏图，利速用一定垂的数学颂模型，哄定量地笋确定出骨架曲捡线和不歇同控键制变欺形下经的标准滞父回环，然后偷将骨架流曲线和帅各标准县滞回环顽结合起找来组成恢复力且曲线，并璃利用绣不同唱控制穿变形慌下的妙标准掌滞回炒环相蝇比较坝确定恨反复容加荷宅时的诱退化恨规律哄。实验拟痛合法所怒依据的屿背景一剖般是周辫期性的必拟静力迷试验。5/毯4/亩20呀2351一、恢复力慕曲线的碌实验拟诸合法(续一)1、骨伸架曲俗线采用悠无量央纲坐完标，残将实鲁验数核据点穿在鸟图巨上。像这里分别喊表示呼屈服形变形迷和屈版服荷鞋载。从图据上可钓见，构屈服之前亿，轴力石对骨架曲线买的影响粘不大；在A点，剪实验谜点的抱趋势有一腿明显转灯折；屈服之金后，碑离散喜性较倍大，总的穷趋势竖是随牙轴力乡丰的增加病，延导性段如逐渐唱减小临，下蹈降段当斜率悠逐渐低增加考。于发是可用四侨折线来隆表示骨弊架曲线轿。5/4意/20崇2352一、恢复萍力曲辣线的屑实验道拟合钩法(续二)2、标准捐滞回环与上述钳做法类歇似，可雨以得到悲近屈服喷点和近衬极限点杰处的两母种标准扫滞回环付。5/柱4/调20偏2353一、恢复力邻曲线的枕实验拟梁合法(续三)3、刚字度退东化规娃律以屈钻服滞警回环环的刚艇度为Ky，以极限签滞回环朴的刚度颂为Ku，则退竭化刚邮度KT可表示为码：上式表铃明，刚容度退化掉随绝对值卖的增加确而发展膛。应该早指出，追由于从宿实验拟冶合的角斑度出发求，上式挨同时表腐达了滞盗回环各厕线段的浩刚度退那化规律茂，对应呀于图的雨各线段晚，刚度Ky与Ku分别由忆公式(5.因6)取值.把骨夹架曲丑线、馆标准贯滞回捏环、汇刚度赤退化朗规律秀相结会合，步就可疏以组砖成一舍个较雨为完眼整的党恢复忘力模刮型。5/4用/20嘱2354二、几个门重要娘的恢常复力粪曲线继模型1、兰伯奥格－奥踩斯古德邀模型2、克糠拉夫彩模型3、武夹田模隔型5/摊4/禁20圣23551、兰伯灿格－奥斜斯古德惩模型（图5.4爽8，5.向49）最初宰表示