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1、第3章 结构动载试验 3.1概述 工程结构除了承受静荷载作用外，常常受到各种动荷载作用，如地震作用、风振动作用、大型机械设备运转产生的振动和冲击作用、核爆炸等产生的瞬时冲击作用(冲击波)等，因此，须要探讨这些动荷载对工程结构的影响，以达到在结构设计时消退或减小动荷载的不利影响的目的。结构动载试验就是通过试验的方法对结构振动进行分析探讨，因而成为工程结构试验工作的一个重要组成部分。结构动载试验与静载试验比较，具有一些特殊的规律性。首先，造成结构振动的动荷载是随时间而变更的；其次，结构在动荷载作用下的反应与结构本身动力特性有亲密的关系，动荷载产生的动力效应，有时远远大于相应的静力效应，甚至一个较小
2、的动荷载，就可能使结构遭遇严峻破坏，而在另外一种状况下，动力效应却并不比静力效应大，还可能小于相应的静力效应。实际进行的结构动载试验，通常有以下几种状况。(1)测定结构在实际工作时的振动水平(振幅、频率)及性状。如动力机械作用下厂房结构的振动；车辆荷载作用下桥梁的振动；地震时结构的振动；风荷载作用下高层建筑或高耸构筑物的风振；精密机器设备、精密仪表所在环境的振动等。量测得到的试验资料，可以用来探讨结构的工作是否正常、平安，存在何种问题，薄弱环节在何处。据此对原设计及施工进行评价，为保证正常运用提出建议。(2)接受各种类型的激振手段，对原型结构或模型进行动荷载试验。如对各类建筑物进行稳态的正弦激
3、振或随机的自然激振试验，以测定建筑物的动力特性参数，即固有频率、阻尼系数、振型等；对结构物进行振动台模型试验，以测定结构的抗震性能和地震破坏机理；对结构物进行风洞模型试验，以测定结构在风荷载作用下的性能；对结构物进行抗爆或冲击波试验，以测定结构的抗爆性能。(3)结构构件的疲惫试验。此种试验是为了确定结构构件在多次重复荷载作用下的受力性能，如抗裂性能、裂缝宽度、变形和强度等。3.2 动载试验的量测仪器 一、振动量测系统框图 对于振动参量可以通过各种不同方法进行测量，有机械式振动测量仪、光学测量系统及电测法等，其中电测法灵敏度高且便于遥控、遥测，是目前最常用的方法。它是将振动参量(位移、速度、加速
4、度)转换成电量，而后用电子仪器进行放大、显示或记录。接受电测法需依据所测对象的条件和量测目的而选择不同类型的传感器和量测仪表，其振动测量系统可以用图31所示框图来表示。传感器干脆检测振动信号并将其转变为电量，测量电路对从传感器输入的电信号依据须要进行处理，即调制、放大、微分、积分等，然后输入到记录设备；记录设备具有把已测得的信号显示、记录和储存的功能；最终由信号分析仪器完成分析处理工作。在测振仪器的每个环节有若于种仪器可供选择，每种仪器都有其适用条件、性能参数和运用技术。而整套仪器系统还有一个组成配套和耦合匹配问题，须要试验人员综合考虑。二、惯性式拾振器的力学原理 惯性拾振器的基本力学原理是利
5、用弹簧-质量系统的强迫振动特性来进行振动测量。这种拾振器可以干脆固定在被测振动体上，不须要相对参考系固定拾振器。所测结果干脆以固结于地球上的惯性系坐标为参考坐标。因此是一种确定式拾振器。传感器的结构原理图如图3-2所示。在一个刚性的外壳里，安装一个单自由度有阻尼的弹簧质量系统。该系统由惯性质量块(质量m)、弹簧(弹性系数A)和阻尼器(阻尼c)组成。运用时将传感器固定在被测振动体上与被测试件一起振动，依据质量块相对于外壳的运动来测量被测体的振动。质量块的运动方程为：三、测振传感器测振传感器又称拾振器，是振动的感受装置，把振动信号转换为电信号，其转换方式有多种多样，如磁电式、压电式、电阻应变式、差
6、动变压器式、压阻式、差容式等。所测的振动参量通常是位移、速度、加速度。下面重点介绍磁电式速度传感器和压电式加速度传感器。(一)磁电式速度传感器这种形式的传感器是基于电磁感应的原理制成的，特点是灵敏度高、性能稳定、输出阻抗低、频率响应范围有确定宽度，通过对质量弹簧系统参数的不同设计，可以使传感器既能量测特别微弱的振动，也能量测比较强的振动，是工程振动测量最常用的测振传感器。磁电式速度传感器为惯性式速度传感器，其工作原理为：当有一线圈在穿过其磁通发生变更时，会产生感应电动势，电动势的输出与线圈的运动速度成正比。磁电式传感器的结构有两种，一种是绕组与壳体连接，磁钢用弹性元件支承，另一种是磁钢与壳体连
7、接，绕组用弹性元件支承。常用的是后者，图3-3为磁电式速度计的典型结构，可动系统就是传感器的惯性质量块。测振时惯性质量块和仪器壳体相对移动，因而线圈和磁钢也相对移动而产生感应电动势，依据电磁感应定律，感应电动势E的大小为 1弹簧 2壳体 3阻尼环 4磁钢 5线圈 6芯轴 图3.3 磁电式确定速度计 （二）压电式加速度传感器 概念：当某些材料在沿确定方向受到压力或拉力作用而发生变形时，其表面上会产生电荷；若将外力去掉时，它们又重新回到不带电的状态，这种现象就称为压电效应。而具有这种压电效应的物体称为压电材料或压电元件。常见的压电材料有石英、钛酸钡、锆钛酸铅等。压电晶体受到外力产生的电荷Q由下式表
8、示：压电式传感器的工作原理是以某些物质的压电效应为基础的。特点：当某些材料在沿确定方向受到压力或拉力作用而发生变形时，其表面上会产生电荷；若将外力去掉时，它们又重新回到不带电的状态；晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比；如对晶体施加一负变电场，晶体本身将产朝气械变形，这种现象称为逆压电效应。1 工作原理 压缩式压电加速度传感器的结构原理图（如图3.4）压电元件一般由两片压电片组成。在压电片的两个表面上镀银层，并在银层上焊接输出引线，或在两个压电片之间夹一片金属，引线就焊接在金属片上，输出端的另一根引线干脆与传感器基座相连。在压电片上放置一个比重较大的质量块，然后用一硬弹簧或螺栓、螺帽对质量
9、块预加载荷。灵敏度 提高传感器的灵敏度方法:增大m（会影响试件的振动）增加压电片的数目 接受合理的连接 频率特性 压电式加速度传感器，可以简化成由集中质量M、弹簧和阻尼器组成的二阶单自由度系统 式中：x运动体的绝 对位移；xm质量块的确定位移。为此实际测量的振动频率上限一般只取传感器固有频率的1513左右，也就是说工作在频率特性的平直段。在这一范围内，传感器的灵敏度基本上不随频率而变更。即使限制了它的测量频率范围，但由于传感器的固有频率相当高(一般可达30kHz甚至更高)，因此，它的测量频率的上限仍可高达几千赫兹，甚至十几千赫兹。为了满足阻抗匹配要求，压电式传感器般都接受特地的前置放大器。但是
10、，压电式传感器在与阻抗变换器协作运用时，连接电缆不能太长。电缆长，电缆电容Cc就大，电缆电容增大必定使传感器的电压灵敏度降低 解决电缆问题的方法是将放大器装入传感器之中，组成一体化传感器。原理：压电式加速度传感器的压电元件是二片并联连接的石英晶片，放大器是一个超小型静电放大器(阻抗变换器)。这样，引线特别短，引线电容几同等于零，就避开了长电缆对传感器灵敏度的影响。放大器的输入端可以得到较大的电压信号这就弥补了石英晶体灵敏度低的缺陷。内部装有超小型阻抗变换器的压电式加速度传感器 优点(2)：最为突出的是这种传感器能干脆输出一个高电平、低阻抗的信号输出电压可达几伏)，它可以用一般的同轴电缆输出信号
11、，一般不须要再附加放大器，只有在测量低电平振动时，才须要再放大，并可很简洁干脆输至示波器、带式记录器、检流计和其它一般的指示仪表。另一个显著的优点是，由于接受石英晶片作压电元件，因此在很宽的温度范围内灵敏度特别稳定，而且经长期运用，性能也几乎不变。电荷放大器 电荷放大器是压电式传感器另一种专用的前置放大器。它能将高内阻的电荷源转换为低内阻的电压源，而且输出电压正比于输入电荷，因此，电荷放大器同样也起着阻抗变换的作用，其输入阻抗高达1010一1012，输出阻抗小于100 运用电荷放大器突出的一个优点是，在确定条件下，传感器的灵敏度与电缆长度无关。3.3 动载试验的加载方法与设备 所谓动载加载方法
12、，事实上就是使结构产生振动，产生振动有两种，一种是使结构或者是构架产生自由振动，另外一种是使构架或者结构产生持续的各种振动。1惯性力加载方法 就是使结构产生自由振动的加载方法，这里头有两种，一种初始位置加载法，二是初始速度加载法。2激震器加载法 这是使结构或者是构件产生持续振动的方法，这里面一共有三种方法，第一是机械式激震器，其次电磁式激震器，第三是电液伺服激震器，在这节里我们只介绍电磁式激震器和电液伺服激震器。（1）电磁式激震器 如图3.5所示。（2）电液伺服振动台 电液伺服振动台，所谓振动台就是它有这么一个台面，它这个台面可以上下振动，也可以水平方向振动，水平方向当然可以是X轴振动，也可以
13、是Y轴振动，所以把这个振动台，叫做三维的振动台。因为它可以做上下的和水平的两个方向，一共三个方向的振动。要做的试验试件就放到这个台面上。电液伺服振动台的振动是靠什么来驱动的呢？就是靠上面介绍的电液伺服作动器，比如说它的垂直振动靠两个，事实上台面最少有四个电液伺服作动器来保证它是垂直振动，同样水平方向，比如说X方向一般也得放两个，电液伺服振动器来推动它沿这个方向运动，在垂直方向也要装上电液伺服作动器，那么就可以使整个这个台面依据三个方始终限制做随意方向的振动。因为它是靠电液伺服作动器来推动的，所以它的驱动实力很大，所以这个台面也可以做的很大，可以做建筑物的模型试验，当然这是比较现代化的一个振动试
14、验装置。3.4 动载特性的测定三部分：动载试验应能依据波形识别出是什么样的振动。一.探测主振源分析实测振动波形，间接推断振源。1.间歇性的阻尼振动说明：撞击性振源引起的振动。动载特性结构动力特性结构动力反应作用力的大小、方向、频率及作用规律风、振凿引起周围结构产生动载的反应结构系统的特点 2.简谐振动 说明：可能是由一台机器或多台转速一样的机器所引起的振动。3.两个频率相差两倍的简谐振源合成的振动 4.三个简谐振源引起的合成振动图形 5.拍振 （1）两个频率相近的简谐振源共同作用 （2）一个振源，但其频率和结构的固有频率相近。6.随机振动 二.动载特性的试验测定 1.干脆测定法：是干脆测定动荷
15、载本身参数以确定其特性。假如有一个移动的质量，用加速度传感器测a或干脆在下加力传感器，得惯性力。2.间接测定法：是把要测定动力的机器安装在有足够弹性变形的专用结构上，先进行结构的静力和动力特性的测定（可接受突加或突卸荷载法），确定出结构的刚度和惯性力矩、自振频率、阻尼比及已知简谐外力作用下的振幅。然后，开动机器用仪器测定并记录结构的振动状况，依据所测数据来确定动力机器的特性。3.比较测定法：是通过比较振源的承载结构（楼板、框架或基础）在已知动荷载作用下的振动状况和待测振源作用下的振动状况，进而得出动荷载的特性。结构发生振动，其主振源并不总是自不待言的，这时主振源的测定可以通过下述一些试验方法来
16、测定。在工业厂房内有多台动力机械设备时，可以逐个开动，视察结构在每个振源影响下的振动状况，从中找出主振源，但是这种方法往往由于影响生产而不便实现。也可以分析实测振动波形，依据不同振源将会引起不同规律的强迫振动这一特点，来间接判定振源的某些性质，作为探测主振源的参考依据。3.5 结构动力特性的试验测定 结构动力特性是结构固有的特性，包括固有频率、阻尼、振型，它们只与结构的质量、刚度、材料有关。结构动力特性是探讨结构振动的基础。从动力学可知，有阻尼自由振动方程为，式中：c-称阻尼系数；m,k-为质量与刚度。（5-1）将式（5-1）改写成，（5-2）式中：，称做阻尼比。,称为固有频率 式（5-2）的
17、解为：（5-3）1）自由振动法 频率测量 在试验中接受初位移或初速度的突卸或突加荷载的方法，使结构受一冲击荷载作用而产生有阻尼的自由振动。通过测量仪器的记录，可以得到结构的有阻尼自由振动曲线(图5.1)。依据记录纸带速度或时间坐标，量取振动波形的周期，由此求得结构的自振频率f=1/T。为精确起见，可多取几个波形，以求得其平均值。（2）阻尼测量 上式中n为衰减系数。所以，结构的阻尼系数 （3）振型测量 结构振动时，结构上各点的位移、速度和加速度都是时间和空间的函数。结构在某一固有频率振动时，将各点位移连接起来形成确定形式的曲线，就是结构在对应某一固有频率下的一个不变的振动型式，称为对应当频率时的
18、结构振型。为了实测结构的振型曲线，当结构在按某一阶固有频率振动时须要沿结构高度或跨度方向连续布置水平或垂直方向的测振传感器，一般至少要布置五个测点。对于整体结构试验时常常是在各层楼面及屋面上布置测点。对于高层建筑和高耸构筑物，测点的数量只要满足能获得完整的振型曲线即可。试验时各测点仪器必须要严格同步。在量取各点位移值时必需留意振动曲线的相位，以确定位移值的正负。对于接受自由振动法时，则多数用初位移或初速度法在结构可能产生最大位移值的位置进行激振，随后在自由振动状态下测取结构振型，一般状况下自由振动法只能测得结构的基频与第一主振型。图5.4所示为上海五层砌块房屋整体结构动力特性试验中，接受反冲激
19、振器激振，由布置在屋面和各层楼面的磁电式测振传感器经放大器后将信号输入光线振子示波器记录所得的相应于基本频率时的主振型曲线。振型曲线是倒三角形分布，以剪切型为主。2）共振法（1）频率测量 强迫振动法也称共振法。接受偏心激振器对结构施加周期性的简谐振动，在模型试验时可接受电磁激振器激振，使结构和模型产生强迫振动。利用激振器可以连续变更激振频率的特点，当干扰力的频率与结构自振频率相等时，结构产生共振，振幅出现极大值，这时激振器的频率即是结构的自振频率。对于多自由度体系结构具有连续分布的质量系统，当激振器连续变更激振频率，由共振曲线(图5.5)的振幅最大值(峰点)对应的频率，即可相应得到结构的第一频
20、率(基频)和其他高阶频率。（2）阻尼测量 由单自由度有阻尼强迫振动运动方程可以得到动力系数（放大系数）为：如以 为纵坐标，以 为横坐标，即可画出动力系数（共振曲线）的曲线，见图5.6所示。（3）振型测量 接受强迫振动法激振时，是将机械式偏心激振器安装于结构顶层，连续进行频率扫描，通过共振可以测得结构的几阶固有频率和相应的振型。石家庄KQ79型框架轻板建筑三层空框架整体试验中，利用两台同步偏心激振器安 装于结构屋面的V1，V2位置(图5.7)进行同步激振。依据布置在各层及屋面的测振传感器Xl，X2和X3的记录，可以测得结构的一二阶固有频率和振型。在其次振型图上由于一二层楼面的位移与屋面位移在相位
21、上正好相差180，所以在振型图上测点2、3之间出现了位移为“零”的不动点。3）随机振动法 人们在试验观测中发觉，建筑结构由于受外界的干扰而常常处于微小而不规则的振动之中，其振幅一般在10微米以下(001mm)称之为脉动。建筑物的脉动与地面脉动、风或气压变更有关，特殊是受城市车辆、机器设备等所产生的扰动和旁边地壳内部小的裂开以及远处地震传来的影响尤为显著，其脉动周期为0.10.8秒，由于在任何时候都存在着环境随机振动，从而引起建筑物的响应。建筑物的脉动源都是不规则的随机变量，在随机理论中这种无法用确定的时间函数描述的变量称为随机过程，因此建筑物的脉动也必定是一个随机过程。由于地面脉动所包含的频谱
22、是相当丰富的，这样，建筑物的脉动就有一个重要的特性，即是它能明显地反映出建筑物的固有频率和自振特性。接受环境随机振动激振测定结构动力特性的最大优点是不再须要用人工激振，因此就特殊适用于量测整体结构的动力特性。但必需对量测的随机信号进行数据处理，通过频谱分析才能得到高阶振型的自振周期。随着计算机技术的发展和快速富里哀变换方法(FFT)的出现，专用计算机和频谱分析仪为数据的快速处理供应了分析手段。（1）模态分析法 建筑物的脉动是由随机的地面脉动源所引起的响应，它也是一种随机过程。随机振动是一个困难的过程，每重复一次所取得的每一个样本都是不同的，假如单个样本在全部时间上所求得的统计特性与在同一时刻对
23、振动历程的全体所求得的统计特性相等，则称这种随机过程为各态历经的。另外由于建筑物脉动的主要特征与时间的起点选择关系不大，它在时刻t1到t2这一段随机振动的统计信息与t1+，到t2+这一段的统计信息是相关的，并且差别不大，即具有相同的统 计特性，因此，建筑物脉动又是一种平稳随机过程。实践证明，对于这样一种各态历经的平稳随机过程，只要我们有足够长的记录时间，就可以用单个样本函数来描述随机过程的全部特性。与一般振动问题相类似，随机振动问题也是探讨系统的输入(激励)、输出(响应)以及系统的动态特性三者之间的关系。假设x(t)是脉动源为输入的振动过程，结构本身称之为系统，当脉动源作用于系统后，结构在外界
24、激励下就产生响应，即是建筑物脉动反应y(t)，称为输出的振动过程，这时系统的响应输出必定反应了结构的动力特性。图5.8说明白输入、系统与输出三者的关系。由以上关系可知，当已知输入输出时，即可得到传递函数。在测试工作中通过测振传感器测量地面自由场的脉动源x(t)和结构反应的脉动信号y(t)的记录，将这符合平稳随机过程的样本由专用信号处理机(频谱分析仪)通过运用具有传递函数等的功率谱程序进行计算处理，得到结构的动力特性一频率、振幅、相位等，运算结果可以在处理机上干脆显示，也可用xy记录仪将结果绘制出来。图5.9是利用专用计算机把时程曲线经过富里哀变换，由数据处理结果得到的频谱图。从频谱曲线上用峰值
25、法很简洁定出各阶频率，结构固有频率处必定出现突出的峰值，一般基频处特别突出，而在其次第三频率处也有相应明显的峰值。（2）主谐量法：从频谱分析法人们可以利用功率谱得到建筑物的白振频率。假如输入功率谱是已知的话，除了可以得到基频外，还可以得到高阶频率、振型和阻尼，但用上述方法探讨建筑动力特性参数须要特地的频谱分析设备及专用程序。在实践中人们从记录得到的脉动信号图中有时可以明显地发觉它反映出结构的某种频率特性。由环境随机振动法的基本原理可知，既然建筑物的基频谐量是脉动信号中最主要的成分，那么在记录里就应有所反映。事实上在脉动记录里有多次出现酷似“拍”的现象，波形光滑，振幅最大，周期相同，这一周期往往
26、即是建筑物的基本周期。见图5.10。在结构脉动记录中出现这种现象是不难理解的，因为地面脉动是一种随机现象，它的频率是多种多样的。当这些信号输入到具有滤波器作用的结构时，由于结构本身的动力特性，使得远离结构自振频率的信号被抑制，而与结构自振频率接近的信号则被放大，而这些被放大的信号恰恰为我们揭示结构动力特性供应了线索。很明显在“拍”上的周期是脉动记录里出现次数最多的一个周期，所以功率谱上在这一周期旁边或就对应于这一周期确定有峰值，而在频谱曲线上这一周期确定对应有最大的峰值。既然如此，就不再须要去求功率谱或频谱曲线了，而可以干脆从记录图上量出建筑物的基本周期。在出现“拍”的瞬时，可以理解为在此刻建
27、筑物的基频谐量处于最大，其他谐量处于最小，因此表现有建筑物基本振型的性质。利用脉动记录读出该时刻同一瞬间各点的振幅，即可以确定建筑物的基本振型。对于一般建筑物用环境随机振动法确定基频与主振型比较便利，但有时还能测出其次频率及相应振型，然而高阶振动的脉动信号在记录曲线中出现的机会很少，振幅也小，这样测得的结构动力特性误差较大。另外这种主谐量法无法确定结构的阻尼特性。3.6结构抗震试验 地震是一种自然现象，发生具有随机性，地震发生后的传播是不确定性的。在工程结构抗震探讨中，结构抗震试验探讨是一个重要方面，其任务主要是对新材料、新结构的抗震实力进行探讨，从而在地震区推广应用。通过对实际结构的模型试验
28、探讨，验证结构的抗震性能和实力，评定其重要性，为判定和修改抗震设计规范供应科学依据。建筑结构的抗震试验依据试验方法和试验手段的不同，可以分为低周反复加载试验（伪静力试验）；拟动力试验；再现地震过程的模拟地震振动台试验；接受爆破法引起地面运动的人工地震以及在地震区对已建房屋进行测试的自然地震试验等。3.6.1 概 述结构抗震试验的目的有两个：一是确定结构线性动力特性，即结构在弹性阶段变形比较小的状况下的自振周期、振型、能量耗散和阻尼值；另一个是探讨结构的非线性性能，如结构进入非线性阶段的能量耗散、滞回特性、延性性能、破坏机理和破坏特征。一.结构抗震试验的特点 从结构抗震工程探讨发展来看，目前结构
29、抗震试验主要是从场地原型观测和试验室两个方面进行，抗震探讨认为结构的静态试验和结构原型弹性阶段的动力试验所取得的资料数据，对抗震设计来说不能反映客观要求，特殊是结构工作的各个阶段的动态特性参数，对结构地震反应分析愈来愈有它的重要性。结构抗震试验的难度和困难性比静力试验要大，这主要是：首先，荷载是以动力形式出现，它有速度、加速度或以确定频率对结构产生动力响应。由于加速度作用引起的惯性力，以致荷载的大小又干脆与结构本身的质量有关，动荷载对结构产生的共振使应变和挠度增大。其次，动力荷载作用于结构还有应变速率问题，应变速率的大小，又干脆影响结构材料的强度。如加荷速度愈快，引起结构或构件的应变速率愈高，
30、则试件强度和弹性模量也就相应提高。二.结构抗震试验的内容 在长期抗御地震灾难中，人们相识到工程结构抗震试验是探讨结构抗震性能的一个重要方面。可是，怎样使试验做到既解决问题又比较经济却不太简洁，因为地震的发生是随机的，地震发生后的传播是不确定性的，从而导致结构的地震反应是不确定性的，这给确定试验方案带来了困难。一般说来，结构抗震试验包括三个环节：结构抗震试验设计、结构抗震试验和结构抗震试验分析。三者中，结构抗震试验设计是关键，结构抗震试验是中心，结构抗震试验分析是目的。三.结构抗震试验分类 1.拟静力试验 拟静力试验又称为低周反复加载试验或伪静力试验，一般给试验对象施加低周反复作用的力或位移，来
31、模拟地震时结构的作用，并评定结构的抗震性能和实力。由于拟静力试验实质上是用静力加载方式模拟地震对结构物的作用，其优点是在试验过程中可以随时停下来观测试件的开裂和破坏状态，并可依据试验须要变更加载历程。但是试验的加载历程是探讨者事先主观确定的，与实际地震作用历程无关，不能反映实际地震作用时应变速率的影响，这又是它的不足。2.拟动力试验拟动力试验又称计算机-加载器联机试验，是将计算机的计算和限制与结构试验有机地结合在一起的试验方法。它与接受数值积分方法进行的结构非线性动力分析过程特别相像，与数值分析方法不同的是结构的复原力特性不再来自数学模型，而是干脆从被试验结构上实时测取。拟动力试验的加载过程是
32、拟静力的，但它与拟静力试验方法存在本质的区分，拟静力试验每一步的加载目标(位移或力)是已知的，而拟动力试验每一步的加载目标是由上一步的测量结果和计算 结果通过递推公式得到的，而这种递推公式是基于被试验结构的离散动力方程，因此试验结果代表了结构的真实地震反应，这也是拟动力试验优于拟静力试验之处。拟动力试验也有不足之处。首先，拟动力试验不能反映实际地震作用时材料应变速率的影响；其次，拟动力试验只能通过单个或几个加载器对试件加载，不能完全模拟地震作用时结构实际所受的作用力分布。另外，结构的阻尼也较难在试验中出现。3.地震模拟振动台试验地震模拟振动台可以真实地再现地震过程，是目前探讨结构抗震性能较好的
33、试验方法之一。地震模拟振动台可以在振动台台面上再现自然地震记录，安装在振动台上的试件就能受到类似自然地震的作用。所以，地震模拟振动台试验可以再现结构在地震作用下结构开裂、破坏的全过程，能反映应变速率的影响，并可依据相像要求对地震波进行时域上压缩和加速度幅值调整等处理，对超高层或原型结构进行整体模型试验。如图6-1 地震模拟振动台试验主要用于检验结构抗震设计理论、方法和计算模型的正确性，尤其是很多高层结构和超高层结构、大型桥梁结构、海洋工程结构都是通过缩尺模型的振动台试验来检验设计和计算结果的。振动台不仅可进行建筑结构、桥梁结构、海洋结构、水工结构试验，同时还可进行工业产品和设备等的振动特性试验
34、。地震模拟振动台也有其局限性，一般振动台试验都为模型试验，比例较小，简洁产生尺寸效应，难以模拟结构构造，且试验费用较高。4.人工地震模拟试验接受地面或地下爆炸法引起地面运动的动力效应来模拟某一烈度或某一确定性自然地震对结构的影响，对大比例模型或足尺结构进行试验，并已在实际工程试验中得到实践。这种方法简洁直观，并可考虑场地的影响，但试验费用高、难度大 5.自然地震试验在频繁出现地震的地区或短期预报可能出现较大地震的地区，有意识地建立一些试验性结构或在已建结构上安装测震仪，以便一旦发生地震时可以得到结构的反应。这种方法真实、牢靠，但费用高，实现难度较大。3.6.2 低周反复加载静力试验 一.静力试
35、验加载制度的分类 1.单向反复加载（1）限制位移加载法 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 限制位移的变幅加载如图6-2(a)所示。用变幅加载来确定复原力模型，探讨强度、变形和耗能的性能。（a）限制位移（b）限制作用力图6-2 伪静力试验低周反复加载制度 返回 b等幅加载限制位移的等幅加载如图6-3所示。主要用于探讨构件的强度降低率和刚度退化规律。图6-3 限制位移的等幅加载制度图 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6-4所示。图6-4 限制位移的变幅等幅混合加载制度 （2）限制作用力加载法限制作用力的加载制度如图8-2(b)所示
36、。（3）限制作用力和限制位移的混合加载法混合加载法是先限制作用力，始终加到屈服荷载，再用位移限制。从转变为限制位移加载起，即按屈服位移值的倍数值限制，直到结构破坏。2.双向反复加载 为了探讨地震对结构构件的空间组合效应，可在X、Y两个主轴方向同时施加低周反复荷载。如对框架柱或压杆的空间受力和框架梁柱节点在两个主轴方向所在平面内接受梁端加载方案施加反复荷载试验时，可接受双向同步或非同步的加载制度。（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。角的方向作斜向加载，使X、Y两个主轴方向的重量同步作用。反复加载同样可以是限制位移、限制作用力和二者混合限制的加载制度
37、。（2）X，Y轴双向非同步加载非同步加载是在构件截面的X，Y两个主轴方向分别施加低周反复荷载。有如图6-5所示的各种变更方案。图6-5 双向低周反复加载制度 二.建筑抗震试验方法规程(JGJl0196)规定的伪静力试验加载方法（1）伪静力试验加载应接受限制作用力和限制位移的混合加载法。试件屈服前，按作用力(荷载)限制分级加载，在接近开裂荷载值和屈服时宜减小级差，以便精确得到开裂荷载值和屈服荷载值。试件屈服后，按位移限制。（2）正式试验前，应先进行预加载，可反复试验两次。混凝土结构预加荷载值不宜超过开裂荷载计算值的30；砌体结构不宜超过开裂荷载计算值的20。（3）正式试验时，宜先施加试件预料开裂
38、荷载的40-60，并重复2-3次，再逐步加到100。（4）试验过程中，应保持反复加载的匀整性和连续性，加载卸载的速率宜保持一样。（5）施加反复荷载的次数，屈服前，每级荷载可反复一次，屈服后，宜反复三次。当进行承载力或刚度退化试验时，反复次数不宜少于五次。（6）对整体原型结构或结构整体模型进行伪静力试验时，荷载按地震作用倒三角形分布，施加水平荷载的作用点集中在结构质量集中的部位，即作用在屋盖及各层楼面板上。结构顶层为1，底部为零，中间各层自上而下按高度比例递减。3.7 疲惫试验试验目的：1.求材料受反覆荷重而不破坏的最高应力。2.了解材料疲惫破断的发生，及其影响因素。3.可探讨材料之形态大小、加
39、工方法以及荷重方式对其疲惫限度的影响。旋转弯曲疲惫试验机 试验原：所谓旋转弯曲疲惫试验系将试杆夹持于旋转疲惫试验机上，在施加荷重W 后，启动马达使试杆旋转。MYIMMr弯曲矩轴心至轴面的距离，即半径面积惯性矩 式中：L为夹持器的支点到施力点的距离。MWL2 I r44d464 r：圆杆半径 d：圆杆直径MYI32Md316WLd3将上述代入式中得S-NS-N曲线图曲线图旋转疲惫试验以不同荷重以使试杆旋转疲惫试验以不同荷重以使试杆所承受应力不同，再求其旋转值，将应所承受应力不同，再求其旋转值，将应力值与其所求得的旋转数值绘成应力力值与其所求得的旋转数值绘成应力转数曲线图，称之为曲线图，转数曲线图
40、，称之为曲线图，至左右时，曲线呈水平，此时的应至左右时，曲线呈水平，此时的应力表示材料无论反复多少次，都不至于力表示材料无论反复多少次，都不至于产生疲惫破坏的最大应力，即疲惫限或产生疲惫破坏的最大应力，即疲惫限或称之为耐久限。称之为耐久限。v假如是非钢铁材料，则曲线无水平部分，一般材料试验到108到5108次而断裂之应力，作为非钢铁金属材料的时间强度，但必需注记旋转次数，有时可称为“疲惫强度”（而非疲惫限）。疲惫试验的曲线图疲惫试验的曲线图v疲惫比疲惫比v疲惫比：就是疲惫限与抗拉强度的疲惫比：就是疲惫限与抗拉强度的比值。通常钢的疲惫比约为比值。通常钢的疲惫比约为.之间，但对有凹痕或被腐蚀的试杆
41、之间，但对有凹痕或被腐蚀的试杆而言，其比值会降低。而言，其比值会降低。v钢的疲惫限与抗拉强度之间关系图钢的疲惫限与抗拉强度之间关系图v疲惫限和疲惫强度关系表疲惫破坏可分四个阶段疲惫破坏可分四个阶段、第一阶段裂口初生、第一阶段裂口初生、其次阶段滑移带裂口成长、其次阶段滑移带裂口成长、第三阶段裂口沿张应力高的表面、第三阶段裂口沿张应力高的表面成长成长、第四阶段断裂、第四阶段断裂v疲惫裂口初生的原理疲惫裂口初生的原理v（）图、表示在拉伸过程中，表面所（）图、表示在拉伸过程中，表面所生成的两个阶梯。生成的两个阶梯。v（）图表示应力变为压缩时，第一个滑（）图表示应力变为压缩时，第一个滑移系统造成一个凹口
42、。移系统造成一个凹口。v（）图表示随后作用的滑移系统所造成（）图表示随后作用的滑移系统所造成一凹处，可经过适当退火来消退其初期的疲一凹处，可经过适当退火来消退其初期的疲惫损害。惫损害。v此阶段，裂口已完全成型而且沿着垂直于拉伸应力最大的方向成长，又称为其次期裂口成长。v当裂口成长到相当大小时，材料所剩余的截面面积已不足以承受所加载的应力时便会造成材料断裂。v海滩纹v一般疲惫断面分为v粗糙区vv海滩纹的形成因素海滩纹的形成因素v（）因周期性的应力负荷所产生的裂口成长v（）因断面的腐蚀与氧化之间的差异v（）因裂口尖端的应力集中而造成的一些塑性流变。v改善疲惫破坏的方法改善疲惫破坏的方法v改良成品设
43、计改良成品设计v改良制造方法改良制造方法v改善材料环境改善材料环境v改善材料性质改善材料性质改良成品设计 避开急剧的几何形态变更,如栓、槽、孔等简洁引起应力集中的设计，此外，材料尺寸越大，其疲惫限越低。改良制造方法 避开材料表面有刀痕、刮伤、擦伤，选择能够形成较光滑表面的方法。改善材料环境改善材料环境 1、避开高温：疲惫限一般随温度的、避开高温：疲惫限一般随温度的上升而降低。上升而降低。2、避开腐蚀：材料表面假如受到腐、避开腐蚀：材料表面假如受到腐蚀，则疲惫限会降低。蚀，则疲惫限会降低。改善材料表面光滑度 避开表面成为应力集中的痛点。材料内部的非金属聚集物及二次相的微粒，都会导致应力集中。适当
44、的热处理 钢经过淬火回火后可增加疲惫限，其中合金钢表现最突出。假如机械部分仅受弯曲或扭转荷重的反复作用，由于应力最大值在表面，所以使表面硬化可增加材料的疲惫限。假如机械部分受轴向荷重的反复作用时，则深硬化之热处理者较浅硬化者为佳。延性钢材在常温下加工也增加疲惫限。残留压应力残留压应力 将材料施以预加的应力，则此应力将材料施以预加的应力，则此应力可以抵消一部分的覆变应力，而增加其可以抵消一部分的覆变应力，而增加其疲惫限。例如珠击法疲惫限。例如珠击法影响疲惫限的因素影响疲惫限的因素1、一般强度越大的材料，常因表面的凹、一般强度越大的材料，常因表面的凹痕效应而影响疲惫限度。痕效应而影响疲惫限度。2、
45、试材表面受化学腐蚀时，会产生腐蚀、试材表面受化学腐蚀时，会产生腐蚀疲惫而造成疲惫限降低，其主要因素是疲惫而造成疲惫限降低，其主要因素是因为反复应力使腐蚀孔扩大而产生疲惫因为反复应力使腐蚀孔扩大而产生疲惫裂开。裂开。3、试验时的覆变速度假如在每分钟、试验时的覆变速度假如在每分钟30000次以下时，对疲惫限没有影响，次以下时，对疲惫限没有影响，但假如疲惫试验于中间中断，休息后再但假如疲惫试验于中间中断，休息后再进行时，则会因长时间休息而增加疲惫进行时，则会因长时间休息而增加疲惫限。限。影响疲惫限的因素影响疲惫限的因素 4、疲惫限会随温度上升而下降。、疲惫限会随温度上升而下降。5、试材经过淬火回火处
46、理后会增加其、试材经过淬火回火处理后会增加其疲惫限。疲惫限。6、假如试杆承受过大的应力时，其材、假如试杆承受过大的应力时，其材料内部的会比较严峻，而且疲惫限会降料内部的会比较严峻，而且疲惫限会降低。低。金属表面对疲惫的影响金属表面对疲惫的影响试验步骤试验步骤1、先以拉伸试验测定试片的抗拉强度、先以拉伸试验测定试片的抗拉强度u及降伏强度及降伏强度y，试杆依据标准试杆尺寸，试杆依据标准试杆尺寸制作，并且把表面依据砂纸粗细研磨，制作，并且把表面依据砂纸粗细研磨，磨去加工的条纹，最终用磨去加工的条纹，最终用#400或更细的或更细的纱布研磨，除去毛边以免损坏试验机。纱布研磨，除去毛边以免损坏试验机。2、
47、调整试验机左右轴承部的砝码，使之、调整试验机左右轴承部的砝码，使之平衡。平衡。3、调整自动停止器至适当高度，以便在、调整自动停止器至适当高度，以便在试杆断裂时能自动切断电源。试杆断裂时能自动切断电源。4、将试杆装置在夹头上，并用量表测量、将试杆装置在夹头上，并用量表测量试片的平行部，渐渐的转动轴，以测定试片的平行部，渐渐的转动轴，以测定是否有偏心或是否装置妥当，通常将试是否有偏心或是否装置妥当，通常将试杆装置到振摆至杆装置到振摆至0.02mm以下，以免机以下，以免机器振动而影响试验值。器振动而影响试验值。5、开启马达电源，使试杆空转，再看其回转方向是否正确，运转是否正常，并视察试杆的夹持是否有
48、松脱现象或振动现象，假如出现上述情形，应马上停止再重新调整。6、待一切装置完毕后，使计数器归零，然后再进行计数。7、待一切调整正常后，再利用马达旋转试杆时，快速将荷重加上，以产生适当的弯曲矩（留意：不要使试杆受震击）。而该荷重值可由“假设疲惫限”(=)的应力值代入公式(=16WL/D)而算出。8、至试杆断裂时，便会触及自动停止器而使马达自动停止。9、读取计数器上的数字即为回转数。10、消退荷重，再装上另一试杆，并换成更小的荷重（例如以0.9，0.8，0.7，0.6 的应力所算出的荷重），重复上述步骤，进行下一次试验。11、将应力S以及转数N记录在对数表上，以绘制S-N曲线图。12、另外准备一组（至少5支）试杆，在表面有意留下凹痕，重复以上步骤，以探讨表面效应的影响性。