1、建筑結(jié)構(gòu)試驗建筑結(jié)構(gòu)試驗土木工程實驗室土木工程實驗室第七章第七章 結(jié)構(gòu)抗震試驗結(jié)構(gòu)抗震試驗學(xué)習(xí)目的和要求:了解和掌握低周反復(fù)加載試驗的加載制度和試驗方法，及不同于靜力試驗的特殊性，對擬動力試驗的工作原理和試驗流程，及振動臺試驗有一般了解。 7.1 概述概述7.1.1 結(jié)構(gòu)抗震試驗的任務(wù) n1對結(jié)構(gòu)的抗震性能進(jìn)行研究，主要從結(jié)構(gòu)的強度、剛度、延性、耗能能力、恢復(fù)力特性等方面進(jìn)行研究和評價。主要采用低周反復(fù)荷載試驗法。n2對結(jié)構(gòu)的預(yù)期地震反應(yīng)進(jìn)行驗證，主要通過振動臺試驗或擬動力試驗，驗證結(jié)構(gòu)的理論計算地震反應(yīng)。 7.1.2 結(jié)構(gòu)抗震試驗的分類和特點 n 目前的抗震試驗方法有三種：（1）低周反復(fù)加載

2、試驗（2）地震模擬振動臺試驗（3）擬動力試驗 7.1.2 結(jié)構(gòu)抗震試驗的分類和特點（續(xù)）n試驗方法：是以一定的荷載或位移作為控制值對試件進(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。n1低周反復(fù)加載試驗 又稱為擬靜力試驗、偽靜力試驗。 低周反復(fù)加載試驗的荷載特點是：試驗荷載反復(fù)的周期遠(yuǎn)大于結(jié)構(gòu)的固有周期，荷載實際是靜荷載。 低周反復(fù)加載試驗的不足：加載程序是試驗者主觀確定的，與地震荷載的作用情況完全不一致。 n2地震模擬振動臺試驗 振動臺能夠模擬天然地震振動，將結(jié)構(gòu)模型固定在振動臺上，輸入地震波，則可以觀測和測試結(jié)構(gòu)模型的振動反應(yīng)和破壞過程。 振動臺試驗的不足：模型比例小，尺寸效應(yīng)明顯，模

3、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臺模型試驗。n3擬動力試驗又稱為偽動力試驗、計算機加載器聯(lián)機試驗。如下圖為建筑結(jié)構(gòu)單元的擬動力試驗。 n擬動力試驗的特點：（1）試驗中彈塑性動力反應(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。 擬動力試驗的不足：（1）加載周期長，不能反映地震時的應(yīng)變速率；（2）加載器數(shù)量一般較少，不能反映實際荷載分布。 7.2.1低周反復(fù)加載試驗的加載制度7.2 低周反復(fù)加載試驗低周反復(fù)加載試驗 真實地震的位移時程曲線（多為加速度時程曲線）1.單向反復(fù)加載制度n常用的三種加載方法 控制位

4、移加載法；控制荷載加載法；控制荷載和位移混合加載法。n1）、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：常作為探索性試驗研究用（我國規(guī)范規(guī)定同一級荷載下重復(fù)三次）。 等幅加載：用于研究強度退化和剛度退化（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，此時采用控制作用力加載；結(jié)構(gòu)屈服

5、后，荷載變化小，位移變化大，此時采用控制位移加載。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n 雙向反復(fù)加載也稱為二維反復(fù)加載，如右圖。n即從X、Y兩個主軸方向同時施加低周反復(fù)荷載。n這是為了研究地震對結(jié)構(gòu)構(gòu)件的空間組合影響。 雙向反復(fù)加載試驗的加載制度，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)加載試驗的加載制度。7.2.2 低周反復(fù)加載試驗的加載設(shè)計 試驗設(shè)備與加載裝置加載設(shè)備：雙向千斤頂；反力墻；試驗臺座；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

6、擬：符合實際結(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、試驗裝置和加載設(shè)計n墻體頂部能自由平移，避免豎向荷載產(chǎn)生水平約束。n多個加載器的同步加載：液壓加載器的優(yōu)點，或采用多個分配梁式。 建研式低周反復(fù)加載裝置：鋼橫梁的水平移動（見后圖）n豎向荷載的施加需配置穩(wěn)壓裝置。承力架承力架試件試件液壓加載器液壓加載器操作臺操作臺管路系統(tǒng)管路系統(tǒng)試驗臺座試驗臺座日本建研式低周反復(fù)加載裝置（固端平移式試驗裝置） 磚石及砌塊墻體在低周反復(fù)加載試驗時的加載制度n1.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)計確定。n2.水平反復(fù)荷載 在彈性階段（砌體開裂前

7、）以荷載控制，取預(yù)計極限荷載的1/51/10。 墻體開裂后按變形進(jìn)行控制。 每級荷載反復(fù)循環(huán)的次數(shù)：主要看試件變形是否趨于穩(wěn)定而定。1. 磚石及砌塊結(jié)構(gòu)抗震性能研究（續(xù)）三、試驗觀測項目與測點布置n裂縫及初裂荷載：初裂荷載的判定（目測、應(yīng)變片、曲線拐點）n破壞荷載n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n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)變片或機械引伸儀測量，或大標(biāo)距的位移計等2鋼筋混凝土框架梁柱節(jié)點組合體的抗震性能試驗n框架節(jié)點復(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)點組合體的抗震性能試驗（續(xù)）一、試件和

8、邊界條件的模擬：十字型節(jié)點、上下左右反彎處截取試件n由于節(jié)點受力的復(fù)雜性，試件比例不少于1/2并輔以足尺試件。n柱端加載方案和梁端加載方案：區(qū)別在于P-效應(yīng)nX形試件：梁有軸力、柱軸力可變。n二、試驗裝置和加載設(shè)計 梁柱節(jié)點組合體梁端加載試驗裝置 柱端加載試驗裝置三、試驗觀測項目的測點布置（教材P149-150）建筑抗震試驗方法規(guī)程 (JGJ101-96)建議的幾種試驗加載裝置(a)墻片試驗裝置(b)梁式構(gòu)件試驗裝置(c)梁柱節(jié)點試驗裝置(d)測P-效應(yīng)的節(jié)點試驗裝置典型的擬靜力試驗加載系統(tǒng)7.2.4 低周反復(fù)加載試驗的數(shù)據(jù)資料整理 n需要整理的參數(shù)種類：滯回曲線（如下圖左），強度、剛度、延性

9、、退化率、耗能等。 n1強度。反映結(jié)構(gòu)強度的指標(biāo)有： 開裂強度 屈服強度 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n3骨架曲線：在低周反復(fù)加載試驗的滯回曲線中，取所有各級荷載第一次循環(huán)的峰點連接的包絡(luò)線作為骨架曲線，如上圖右。n4延性系數(shù)：骨架曲線上結(jié)構(gòu)破壞時的極限變形與屈服變形之比。n5退化率：分為強度退化率和剛度退化率。n6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中，把每次滯回曲

10、線的峰點都連接起來的包絡(luò)線稱骨架曲線。 它反映了構(gòu)件受力與變形的各個不同階段及特性，是確定恢復(fù)力模型中特征點的依據(jù)。骨架曲線與單次加載曲線(1) 強度有明顯屈服點構(gòu)件的屈服荷載無明顯屈服點構(gòu)件的屈服荷載(2) 剛度(4) 延性yu延性系數(shù)：(6) 耗能等效粘滯阻尼系數(shù)：OBDABCeSSh21功比指數(shù)：yyiiswQQIiQi、 第 次循環(huán)時卸載點的荷載和位移。i等效粘滯阻尼系數(shù)計算(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 。okyQuQuy(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的多次

11、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擬動力試驗1、方法：是由計算機進(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算機進(jìn)行非線性結(jié)構(gòu)動力分析，將計算得到的位移反應(yīng)作為輸入數(shù)據(jù)，以控制加載器對試驗結(jié)構(gòu)進(jìn)行試驗。2、優(yōu)缺點：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。其缺點是不能再現(xiàn)真實的地震反應(yīng)，只適用離散質(zhì)量分布的結(jié)構(gòu)，設(shè)備精度要求高。n7.3.1 擬動力試驗的工作原理 將計算機解結(jié)構(gòu)動力微分方程與試驗所得的荷載位移關(guān)系相結(jié)合，不事先假定結(jié)構(gòu)的恢復(fù)力，邊試驗，邊解方程，方程的解又反過來作為試驗加載的控制值。所以這種方法是把計算機分析與恢復(fù)力實測結(jié)合起來的半理論半試驗的非線性地震反應(yīng)分析方法。擬動力試驗原理框圖如下。 聯(lián)機試驗計算機加載流程框圖7.3.2 擬動力試驗的加載設(shè)計和工作流程 擬動力試驗中計算機解運動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流程。 7.3.3 擬動力試驗的試驗設(shè)備 n擬動力試驗設(shè)備由四部分組成：電液伺服加載器、計算機、傳感器、試驗臺架。1電液伺服加載器。 電液伺