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1、 第五章第五章 工程结构抗震试验工程结构抗震试验主讲教师：刘胜兵主讲教师：刘胜兵2023/3/32023/3/32 2主要内容主要内容1 概述概述2 拟静力静力试验3 拟动力力试验4 模模拟地震振地震振动台台试验5 人工地震模人工地震模拟试验6 天然地震天然地震试验2023/3/32023/3/33 3 结构抗震试验的目的v确定结构线性动力特性确定结构线性动力特性 结构在结构在弹性阶段弹性阶段变形比较小的情况变形比较小的情况下的自振周期、振型、能量耗散和阻尼下的自振周期、振型、能量耗散和阻尼值。值。v研究结构的非线性性能研究结构的非线性性能 结构进入非线性阶段的结构进入非线性阶段的能量耗散能量
2、耗散、滞回特性滞回特性、延性性能延性性能、破坏机理破坏机理和和破坏破坏特征特征。概述概述2023/3/32023/3/34 4v拟静力试验v拟动力试验v地震模拟振动台试验v人工地震试验v天然地震试验常见的结构抗震试验2023/3/32023/3/35 51 1、试验方法、试验方法 该方法的该方法的加载速率很低加载速率很低，因此由于加载速率而，因此由于加载速率而引起的应力、应变的变化速率对于试验结果的影响引起的应力、应变的变化速率对于试验结果的影响很小，可以忽略不计。很小，可以忽略不计。是以一定的是以一定的荷载荷载或或位移位移作为控制值对试件进行作为控制值对试件进行低周反复加载（正反两个方向重复
3、加载和卸载低周反复加载（正反两个方向重复加载和卸载），用以模拟地震时结构在往复振动中的受力特点和变用以模拟地震时结构在往复振动中的受力特点和变形特点，以形特点，以获得结构非线性的荷载获得结构非线性的荷载变形特性变形特性。一、拟静力试验一、拟静力试验2023/3/32023/3/36 62、试验设备与加载装置双向千斤顶；反力墙；试验台座；荷载架，等。一、拟静力试验一、拟静力试验2023/3/32023/3/37 7建筑抗震试验方法规程(JGJ101-96)建议的几种试验加载装置(a)墙片试验装置墙片试验装置(b)梁式构件试验装置梁式构件试验装置一、拟静力试验一、拟静力试验2023/3/32023
4、/3/38 8钢框架梁柱节点试验钢框架梁柱节点试验(c)梁柱节点试验梁端加载装置一、拟静力试验一、拟静力试验2023/3/32023/3/39 93 3、单向反复加载制度、单向反复加载制度(1)位移控制加载位移控制加载 位移控制加载是在加载过程中以位移位移控制加载是在加载过程中以位移(包包括括线位移、角位移、曲率或应变线位移、角位移、曲率或应变等等)作为控作为控制值或以屈服位移的倍数作为控制值，制值或以屈服位移的倍数作为控制值，按一按一定的位移增幅进行循环加载定的位移增幅进行循环加载。一、拟静力试验一、拟静力试验2023/3/32023/3/31010(a)变幅加载(b)等幅加载(c)变幅等幅
5、混合加载位移控制加载制度位移控制加载制度一、拟静力试验一、拟静力试验2023/3/32023/3/31111考虑地震影响的混合位移加载制度考虑地震影响的混合位移加载制度一、拟静力试验一、拟静力试验2023/3/32023/3/31212(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，按一定的力增幅进行循环加载。因为试件屈服后难以控制加载的力，所以这种加载制度较少单独使用。一、拟静力试验一、拟静力试验2023/3/32023/3/31313(3)力力位移混合控制加载位移混合控制加载梁柱节点通常采用的方案一、拟静力试验一、拟静力试验2023/3/32023/3/314144 4、双向反复
6、加载制度、双向反复加载制度(1)x x、y y 轴双向同步轴双向同步加载加载(2)x x、y y 轴双向非同步轴双向非同步加载加载一、拟静力试验一、拟静力试验2023/3/32023/3/315155 5、滞回曲线和骨架曲线、滞回曲线和骨架曲线(1)滞回滞回曲线曲线 加载一周得到的荷载位移曲线称为滞回曲线（滞回环）。梭形、弓形、反S形、Z形一、拟静力试验一、拟静力试验2023/3/32023/3/31616v梭形说明滞回曲线的形状非常饱满，反映出整个结构或构件的塑性变形能力很强，具有很好的抗震性能和耗能能力。例如受弯、偏压、压弯以及不发生剪切破坏的弯剪构件，具有良好塑性变形能力的钢框架结构或构
7、件的P一滞回曲线即呈梭形。一、拟静力试验一、拟静力试验2023/3/32023/3/31717v弓形具有“捏缩”效应，显示出滞回曲线受到了一定的滑移影响。滞回曲线的形状比较饱满，但饱满程度比梭形要低，反映出整个结构或构件的塑性变形能力比较强，能较好地吸收地震能量。例如剪跨比较大，剪力较小并配有一定箍筋的弯剪构件和压弯剪构件，一般的钢筋混凝土结构，其滞回曲线均属此类。一、拟静力试验一、拟静力试验2023/3/32023/3/31818v反S形反映了更多的滑移影响，滞回曲线的形状不饱满，说明该结构或构件延性和吸收地震能量的能力较差。例如一般框架、梁柱节点和剪力墙等的滞回曲线均属此类。一、拟静力试验
8、一、拟静力试验2023/3/32023/3/31919vZ形反映出滞回曲线受到了大量的滑移影响，具有滑移性质。例如小剪跨而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，其滞回曲线均属此类。一、拟静力试验一、拟静力试验2023/3/32023/3/32020(2)骨架骨架曲线曲线 在变幅位移加载试在变幅位移加载试验中，把每次滞回曲线的验中，把每次滞回曲线的峰点都连接起来的包络线峰点都连接起来的包络线称称骨架曲线骨架曲线。反映了构件反映了构件受力与变形的各个不同阶受力与变形的各个不同阶段及特性段及特性（强度、刚度、强度、刚度、延性、耗能及抗倒塌能力延性、耗能及抗倒塌能力等等）。）。骨架
9、曲线与单次加载曲线骨架曲线与单次加载曲线一、拟静力试验一、拟静力试验2023/3/32023/3/32121(3)强度强度 根据滞回曲线和骨架曲线可以分析结构构件的开裂荷载、屈服荷载、极限荷载和破坏荷载。一、拟静力试验一、拟静力试验2023/3/32023/3/32222(4)延性延性 延性系数定义为构件极限位移与屈服位移之比。位移为广义位移，包括线位移、曲率、转角等。延性反应了结构抗震性能的好坏。一、拟静力试验一、拟静力试验2023/3/32023/3/323232023/3/32023/3/32424二、拟动力试验二、拟动力试验试验方法：试验方法：是由计算机进行数值分析并控是由计算机进行数
10、值分析并控制加载，即由制加载，即由给定地震加速度给定地震加速度记录通过计记录通过计算机进行非线性结构动力分析，将计算得算机进行非线性结构动力分析，将计算得到的到的位移位移反应作为输入数据，以控制加载反应作为输入数据，以控制加载器对试验结构进行试验。这种方法需要在器对试验结构进行试验。这种方法需要在试验前假定结构的恢复力特性模型（试验前假定结构的恢复力特性模型（即滞即滞回曲线模型回曲线模型）。）。可边试验边求解，分步得可边试验边求解，分步得到实测的结构恢复力模型到实测的结构恢复力模型。2023/3/32023/3/32525二、拟动力试验二、拟动力试验拟动力试验的工作流程：拟动力试验的工作流程：
11、（1）在计算机系统中输入地震加速度时程曲线。）在计算机系统中输入地震加速度时程曲线。（2）将）将n时刻的地震加速度值代入运动方程，解出时刻的地震加速度值代入运动方程，解出n时时刻地震反应位移刻地震反应位移Xn。（3）由计算机控制电液伺服加载器，将）由计算机控制电液伺服加载器，将Xn施加到结构施加到结构上。上。（4）量测此时结构的反力）量测此时结构的反力Fn，并代入运动方程，计算，并代入运动方程，计算n+1时刻的位移时刻的位移Xn+1，量测结构反力，量测结构反力Fn+1。（5）重复上述步骤，连续进行加载试验，直至完成整）重复上述步骤，连续进行加载试验，直至完成整个加载过程。个加载过程。2023/
12、3/32023/3/32626二、拟动力试验二、拟动力试验拟动力试验的设备：拟动力试验的设备：计算机，电液伺服加载器，计算机，电液伺服加载器，传感器，试验装置。传感器，试验装置。优点：优点：（1）适用于复杂结构的非线性地震反应分析，）适用于复杂结构的非线性地震反应分析，试验结果比较准确。试验结果比较准确。（2）可以缓慢地再现结构反应，便于观测。）可以缓慢地再现结构反应，便于观测。（3）可进行真型或大比例尺的结构在确定性地）可进行真型或大比例尺的结构在确定性地震下的试验研究。震下的试验研究。2023/3/32023/3/32727二、拟动力试验二、拟动力试验缺点：缺点：（1）不能实时再现真实地震
13、反应，不能进行材）不能实时再现真实地震反应，不能进行材料特性与时间有关的结构试验。料特性与时间有关的结构试验。（2）计算机系统除进行运动方程的数值积分外，）计算机系统除进行运动方程的数值积分外，还需要准确控制加载器，精度方面很难实现。还需要准确控制加载器，精度方面很难实现。（3）试验设备庞大，分析系统复杂，试验费用）试验设备庞大，分析系统复杂，试验费用高。高。2023/3/32023/3/32828钢框架拟动力试验钢框架拟动力试验2023/3/32023/3/32929混凝土柱抗震性能试验混凝土柱抗震性能试验二、拟动力试验二、拟动力试验2023/3/32023/3/33030三、模拟地震振动台
14、试验三、模拟地震振动台试验加载设备：振动台；加载程序：一次加载和多次加载；优点：很好地再现地震过程。缺点：设备昂贵，一般做小比例模型试验。2023/3/32023/3/33131v试验设备组成：成：v台面和基台面和基础v高高压油源和管路系油源和管路系统v电液伺服加液伺服加载器器v模模拟控制系控制系统v计算机控制系算机控制系统v数据采集系数据采集系统三、模拟地震振动台试验三、模拟地震振动台试验2023/3/32023/3/332322023/3/32023/3/33333四、人工地震模拟试验四、人工地震模拟试验1、拟静力试验：、拟静力试验：设备简单，能进行大尺寸构件设备简单，能进行大尺寸构件或结
15、构抗震的延性试验，但与实际某一确定地或结构抗震的延性试验，但与实际某一确定地震地面运动产生的地震力有很大的差别，不能震地面运动产生的地震力有很大的差别，不能反映建筑结构的动力特性。反映建筑结构的动力特性。2、拟动力试验：、拟动力试验：结构的非线性特性及恢复力与结构的非线性特性及恢复力与变形的关系必须在试验前假定，而假定的计算变形的关系必须在试验前假定，而假定的计算模型是否符合结构的实际情况，还有待于试验模型是否符合结构的实际情况，还有待于试验结果来验证结果来验证。各类抗震试验的局限性：各类抗震试验的局限性：2023/3/32023/3/33434四、人工地震模拟试验四、人工地震模拟试验3、振动
16、台试验：、振动台试验：能较好地模拟地面运动，但由能较好地模拟地面运动，但由于受台面尺寸和载重量的限制，不能做较大结于受台面尺寸和载重量的限制，不能做较大结构的足尺试验，另外弹塑性材料的动态模拟理构的足尺试验，另外弹塑性材料的动态模拟理论尚待研究解决。因此对于大型结构、管道、论尚待研究解决。因此对于大型结构、管道、桥梁、坝体以及核反应堆工程等大比例或足尺桥梁、坝体以及核反应堆工程等大比例或足尺模型试验，受到一定限制，甚至无法进行。模型试验，受到一定限制，甚至无法进行。2023/3/32023/3/33535四、人工地震模拟试验四、人工地震模拟试验爆破方法：爆破方法：在现场安装炸药并加以引爆，称为
17、在现场安装炸药并加以引爆，称为直接爆破法。直接爆破法。由于地面运动加速度峰值随装药由于地面运动加速度峰值随装药量增加而增高；地面运动加速度峰值离爆心距量增加而增高；地面运动加速度峰值离爆心距离越近则越高；地面运动持续时间离爆心距离离越近则越高；地面运动持续时间离爆心距离越远则越长。越远则越长。故一般要求装药量大，离爆心距故一般要求装药量大，离爆心距离又远一点效果才好离又远一点效果才好。为了增强爆破效果，可。为了增强爆破效果，可采用密闭爆破法。采用密闭爆破法。2023/3/32023/3/33636四、人工地震模拟试验四、人工地震模拟试验人工爆破法存在的问题：人工爆破法存在的问题：人工地震加速度
18、幅值人工地震加速度幅值高、衰减快、破坏范围小；人工地震的主频率高、衰减快、破坏范围小；人工地震的主频率高于天然地震；人工地震的主震持续时间短。高于天然地震；人工地震的主震持续时间短。可以采用下列措施解决频率差异：可以采用下列措施解决频率差异：1.缩小试验对象的尺寸，从而提高自振频率。缩小试验对象的尺寸，从而提高自振频率。2.将试验对象建造在覆盖层较厚的土层上，消将试验对象建造在覆盖层较厚的土层上，消耗高频成分。耗高频成分。3.增加爆心与试验对象的距离。增加爆心与试验对象的距离。2023/3/32023/3/33737v主要有三主要有三类：在地震频繁地区或高烈度地震区结合房屋在地震频繁地区或高烈度地震区结合房屋结构加固，有目的地采取多种方案的结构加固，有目的地采取多种方案的加固加固措施措施，当地震发生时，可以根据震害分析，当地震发生时，可以根据震害分析不同加固方案的效果。不同加固方案的效果。强震观测强震观测。在高烈度区的某些房屋楼层安。在高烈度区的某些房屋楼层安装长期观测的测振仪器，取得各种信息。装长期观测的测振仪器，取得各种信息。建立专门的天然地震试验场建立专门的天然地震试验场，在场地上建，在场地上建造房屋，运用一切现代化手段取得建筑物造房屋，运用一切现代化手段取得建筑物在地震下的各种反应。在地震下的各种反应。费用最为昂贵费用最为昂贵。五、天然地震试验五、天然地震试验