第七章結(jié)構(gòu)抗震試驗(yàn),學(xué)習(xí)目的和要求:了解和掌握低周反復(fù)加載試驗(yàn)的加載制度和試驗(yàn)方法，及不同于靜力試驗(yàn)的特殊性，對(duì)擬動(dòng)力試驗(yàn)的工作原理和試驗(yàn)流程，及振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)有一般了解。,7.1概述,7.1.1結(jié)構(gòu)抗震試驗(yàn)的任務(wù)1對(duì)結(jié)構(gòu)的抗震性能進(jìn)行研究，主要從結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度、延性、耗能能力、恢復(fù)力特性等方面進(jìn)行研究和評(píng)價(jià)。主要采用低周反復(fù)荷載試驗(yàn)法。2對(duì)結(jié)構(gòu)的預(yù)期地震反應(yīng)進(jìn)行驗(yàn)證，主要通過振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)或擬動(dòng)力試驗(yàn)，驗(yàn)證結(jié)構(gòu)的理論計(jì)算地震反應(yīng)。,7.1.2結(jié)構(gòu)抗震試驗(yàn)的分類和特點(diǎn),目前的抗震試驗(yàn)方法有三種：（1）低周反復(fù)加載試驗(yàn)（2）擬動(dòng)力試驗(yàn)（3）地震模擬振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn),7.1.2結(jié)構(gòu)抗震試驗(yàn)的分類和特點(diǎn)（續(xù)）,試驗(yàn)方法：是以一定的荷載或位移作為控制值對(duì)試件進(jìn)行低周反復(fù)加載，以獲得結(jié)構(gòu)非線性的荷載變形特性。1低周反復(fù)加載試驗(yàn)又稱為擬靜力試驗(yàn)、偽靜力試驗(yàn)。低周反復(fù)加載試驗(yàn)的荷載特點(diǎn)是：試驗(yàn)荷載反復(fù)的周期遠(yuǎn)大于結(jié)構(gòu)的固有周期，荷載實(shí)際是靜荷載。低周反復(fù)加載試驗(yàn)的不足：加載程序是試驗(yàn)者主觀確定的，與地震荷載的作用情況完全不一致。,2擬動(dòng)力試驗(yàn)又稱為偽動(dòng)力試驗(yàn)、計(jì)算機(jī)加載器聯(lián)機(jī)試驗(yàn)。如下圖為建筑結(jié)構(gòu)單元的擬動(dòng)力試驗(yàn)。擬動(dòng)力試驗(yàn)的特點(diǎn)：（1）試驗(yàn)中彈塑性動(dòng)力反應(yīng)數(shù)值分析過程，不需要預(yù)先假設(shè)結(jié)構(gòu)的恢復(fù)力特性。（2）試驗(yàn)加載周期較長；（3）加載器的作用力大，可進(jìn)行大比例模型試驗(yàn)。擬動(dòng)力試驗(yàn)的不足：（1）加載周期長，不能反映地震時(shí)的應(yīng)變速率；（2）加載器數(shù)量一般較少，不能反映實(shí)際荷載分布。,3地震模擬振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)振動(dòng)臺(tái)能夠模擬天然地震振動(dòng)，將結(jié)構(gòu)模型固定在振動(dòng)臺(tái)上，輸入地震波，則可以觀測和測試結(jié)構(gòu)模型的振動(dòng)反應(yīng)和破壞過程。振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)的不足：模型比例小，尺寸效應(yīng)明顯，模型與原型的相似關(guān)系復(fù)雜。如下圖為東方明珠電視塔的振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)。,7.2.1低周反復(fù)加載試驗(yàn)的加載制度,7.2低周反復(fù)加載試驗(yàn),真實(shí)地震的位移時(shí)程曲線（多為加速度時(shí)程曲線）,1.單向反復(fù)加載制度常用的三種加載方法控制位移加載法；控制荷載加載法；控制荷載和位移混合加載法。,1）控制位移加載法常以屈服位移或最大層間位移的某一百分比來控制加載變幅加載：常作為探索性試驗(yàn)研究用（我國規(guī)范規(guī)定同一級(jí)荷載下重復(fù)三次）。等幅加載：用于研究強(qiáng)度退化和剛度退化（規(guī)范規(guī)定不少于5次）。變幅等幅混合加載：研究內(nèi)容廣，常用于綜合性研究（等幅210次不等）。,1.單向反復(fù)加載制度（續(xù)）,位移控制加載,(a)變幅加載,(b)等幅加載,(c)變幅等幅混合加載,考慮二次地震影響和混合位移加載制度,2)力控制加載（很少用）,3)力位移混合控制加載,梁柱節(jié)點(diǎn)通常采用的方案,一般在結(jié)構(gòu)屈服前，荷載變化大，而位移變化小，此時(shí)采用控制作用力加載；結(jié)構(gòu)屈服后，荷載變化小，位移變化大，此時(shí)采用控制位移加載。,2、雙向反復(fù)加載制度,1)x、y軸雙向同步加載,2)x、y軸雙向非同步加載,雙向反復(fù)加載也稱為二維反復(fù)加載，如右圖。即從X、Y兩個(gè)主軸方向同時(shí)施加低周反復(fù)荷載。這是為了研究地震對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的空間組合影響。雙向反復(fù)加載試驗(yàn)的加載制度，可采用雙向同步或非同步的加載制度。雙向非同步加載制度按照兩個(gè)方向加載步調(diào)的差異，又可分為若干種。下圖為各種雙向反復(fù)加載試驗(yàn)的加載制度。,7.2.2低周反復(fù)加載試驗(yàn)的加載設(shè)計(jì),試驗(yàn)設(shè)備與加載裝置,加載設(shè)備：雙向千斤頂；反力墻；試驗(yàn)臺(tái)座；荷載架等；如圖示：,1.磚石及砌塊結(jié)構(gòu)抗震性能研究（續(xù)）一、試件和邊界條件的模擬：符合實(shí)際結(jié)構(gòu)受力圖式。,橫墻：單層單片墻體,橫墻：雙層單片墻體,縱墻（雙肢或單肢窗間墻試件）,二、試驗(yàn)裝置和加載設(shè)計(jì)墻體頂部能自由平移，避免豎向荷載產(chǎn)生水平約束。多個(gè)加載器的同步加載：液壓加載器的優(yōu)點(diǎn)，或采用多個(gè)分配梁式。建研式低周反復(fù)加載裝置：鋼橫梁的水平移動(dòng)（見后圖）豎向荷載的施加需配置穩(wěn)壓裝置。,日本建研式低周反復(fù)加載裝置（固端平移式試驗(yàn)裝置）,磚石及砌塊墻體在低周反復(fù)加載試驗(yàn)時(shí)的加載制度1.加載器的數(shù)量和荷載的大小根據(jù)砌體截面及控制豎向應(yīng)力的大小來設(shè)計(jì)確定。2.水平反復(fù)荷載在彈性階段（砌體開裂前）以荷載控制，取預(yù)計(jì)極限荷載的1/51/10。墻體開裂后按變形進(jìn)行控制。每級(jí)荷載反復(fù)循環(huán)的次數(shù)：主要看試件變形是否趨于穩(wěn)定而定。,磚石及砌塊結(jié)構(gòu)抗震性能研究（續(xù)）三、試驗(yàn)觀測項(xiàng)目與測點(diǎn)布置裂縫及初裂荷載：初裂荷載的判定（目測、應(yīng)變片、曲線拐點(diǎn)）破壞荷載墻體位移和荷載變形曲線：消除支座位移影響、平面外偏心影響應(yīng)變測量：由于墻體（磚、砂漿）由兩種材料組成，具有不均勻性，用大標(biāo)距的電阻應(yīng)變片或機(jī)械引伸儀測量，或大標(biāo)距的位移計(jì)等,2鋼筋混凝土框架梁柱節(jié)點(diǎn)組合體的抗震性能試驗(yàn)框架節(jié)點(diǎn)復(fù)雜的受力特征（水平荷載下）：以抗剪為主。,2.鋼筋混凝土框架梁柱節(jié)點(diǎn)組合體的抗震性能試驗(yàn)（續(xù)）一、試件和邊界條件的模擬：十字型節(jié)點(diǎn)、上下左右反彎處截取試件由于節(jié)點(diǎn)受力的復(fù)雜性，試件比例不少于1/2并輔以足尺試件。柱端加載方案和梁端加載方案：區(qū)別在于P-效應(yīng)X形試件：梁有軸力、柱軸力可變。,二、試驗(yàn)裝置和加載設(shè)計(jì)梁柱節(jié)點(diǎn)組合體梁端加載試驗(yàn)裝置柱端加載試驗(yàn)裝置三、試驗(yàn)觀測項(xiàng)目的測點(diǎn)布置（教材P149-150）,建筑抗震試驗(yàn)方法規(guī)程(JGJ101-96)建議的幾種試驗(yàn)加載裝置,(a)墻片試驗(yàn)裝置,(b)梁式構(gòu)件試驗(yàn)裝置,(c)梁柱節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)裝置,(d)測P-效應(yīng)的節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)裝置,典型的擬靜力試驗(yàn)加載系統(tǒng),7.2.4低周反復(fù)加載試驗(yàn)的數(shù)據(jù)資料整理,需要整理的參數(shù)種類：滯回曲線（如下圖左），強(qiáng)度、剛度、延性、退化率、耗能等。,1強(qiáng)度。反映結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的指標(biāo)有：開裂強(qiáng)度屈服強(qiáng)度極限荷載破壞荷載2剛度。反映結(jié)構(gòu)剛度的指標(biāo)有：初次加載剛度卸載剛度反向加載、卸載剛度，重復(fù)加載剛度等效剛度,3骨架曲線：在低周反復(fù)加載試驗(yàn)的滯回曲線中，取所有各級(jí)荷載第一次循環(huán)的峰點(diǎn)連接的包絡(luò)線作為骨架曲線，如上圖右。4延性系數(shù)：骨架曲線上結(jié)構(gòu)破壞時(shí)的極限變形與屈服變形之比。5退化率：分為強(qiáng)度退化率和剛度退化率。6耗能：采用耗能系數(shù)（等效粘滯阻尼系數(shù)）表示。,滯回曲線和骨架曲線的主要特征,(1)曲線圖形,加載一周得到的荷載位移曲線稱為滯回曲線（滯回環(huán)）。,(3)骨架曲線,在變幅位移加載試驗(yàn)中，把每次滯回曲線的峰點(diǎn)都連接起來的包絡(luò)線稱骨架曲線。它反映了構(gòu)件受力與變形的各個(gè)不同階段及特性，是確定恢復(fù)力模型中特征點(diǎn)的依據(jù)。,骨架曲線與單次加載曲線,(1)強(qiáng)度,有明顯屈服點(diǎn)構(gòu)件的屈服荷載,無明顯屈服點(diǎn)構(gòu)件的屈服荷載,(2)剛度,(4)延性,延性系數(shù)：,(6)耗能,等效粘滯阻尼系數(shù)：,功比指數(shù)：,等效粘滯阻尼系數(shù)計(jì)算,(7)不同加載制度引起的耗能差異,單調(diào)加載曲線,單調(diào)加載：初始剛度、屈服力、極限力、屈服位移及極限位移。,(a)每一控制位移加載一次,(b)每一控制位移下反復(fù)三次,(c)控制荷載超過屈服點(diǎn)的多次反復(fù),(c)控制荷載超過極限荷載的反復(fù),6、恢復(fù)力特性的模型比,(a)雙線型,(b)三線型,(c)Clough型,(d)D-TRI型,(e)NCL型,(f)滑移型,不同常數(shù)的NCL模型,7.3擬動(dòng)力試驗(yàn),1、方法：是由計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)值分析并控制加載，即由給定地震加速度記錄通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行非線性結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析，將計(jì)算得到的位移反應(yīng)作為輸入數(shù)據(jù)，以控制加載器對(duì)試驗(yàn)結(jié)構(gòu)進(jìn)行試驗(yàn)。,2、優(yōu)缺點(diǎn)：可緩慢再現(xiàn)地震反應(yīng)，觀察破壞全過程，可做大模型試驗(yàn)。其缺點(diǎn)是不能再現(xiàn)真實(shí)的地震反應(yīng)，只適用離散質(zhì)量分布的結(jié)構(gòu)，設(shè)備精度要求高。,7.3.1擬動(dòng)力試驗(yàn)的工作原理將計(jì)算機(jī)解結(jié)構(gòu)動(dòng)力微分方程與試驗(yàn)所得的荷載位移關(guān)系相結(jié)合，不事先假定結(jié)構(gòu)的恢復(fù)力，邊試驗(yàn)，邊解方程，方程的解又反過來作為試驗(yàn)加載的控制值。所以這種方法是把計(jì)算機(jī)分析與恢復(fù)力實(shí)測結(jié)合起來的半理論半試驗(yàn)的非線性地震反應(yīng)分析方法。擬動(dòng)力試驗(yàn)原理框圖如下。,聯(lián)機(jī)試驗(yàn)計(jì)算機(jī)加載流程框圖,7.3.2擬動(dòng)力試驗(yàn)的加載設(shè)計(jì)和工作流程,擬動(dòng)力試驗(yàn)中計(jì)算機(jī)解運(yùn)動(dòng)微分方程的方法有多種，如線性加速度法、Newmark-法、Wilson-法等。下面以線性加速度法為例介紹試驗(yàn)流程。,7.3.3擬動(dòng)力試驗(yàn)的試驗(yàn)設(shè)備,擬動(dòng)力試驗(yàn)設(shè)備由四部分組成：電液伺服加載器、計(jì)算機(jī)、傳感器、試驗(yàn)臺(tái)架。1電液伺服加載器。電液伺服加載器由加載器、