第三章結(jié)構(gòu)抗震試驗3.1結(jié)構(gòu)抗震試驗的任務和分類一、抗震試驗的任務1、結(jié)構(gòu)抗震性能：一般從結(jié)構(gòu)的強度、剛度、延性、耗能性能、剛度退化等方面來衡量。2、結(jié)構(gòu)抗震能力：是結(jié)構(gòu)抗震性能的表現(xiàn)。我國抗震規(guī)范的結(jié)構(gòu)抗震能力為“小震不壞、中震可修、大震不倒”。3、抗震試驗的任務新材料的抗震性能研究，為推廣使用提供科學依據(jù)；新結(jié)構(gòu)的抗震能力研究，提出新結(jié)構(gòu)的抗震設計方法；實際結(jié)構(gòu)的模型試驗研究，驗證結(jié)構(gòu)的抗震性能和能力；為制定和修改抗震設計規(guī)范提供科學依據(jù)。結(jié)構(gòu)抗震試驗偽靜力試驗擬動力試驗振動臺試驗實驗室內(nèi)試驗野外試驗人工地震模擬試驗天然地震試驗1、偽靜力試驗最常用的抗震試驗方法，又稱低周反復加載試驗或擬靜力試驗，屬于靜力試驗的范疇。優(yōu)點：設備簡單，經(jīng)濟好；便于試驗數(shù)據(jù)和現(xiàn)象的觀測。缺點：試驗的加載歷程與實際地震作用歷程無關（研究者預先主觀確定的）；不能反映實際地震作用時應變速率的影響（加載周期長)。二、抗震試驗分類2、擬動力試驗概念：又稱偽動力試驗或聯(lián)機試驗。由計算機根據(jù)地面運動加速度時程和實測的恢復力曲線求得結(jié)構(gòu)的地震位移反應時程，計算機控制加載器在結(jié)構(gòu)上實現(xiàn)地震位移反應。它是一種對結(jié)構(gòu)邊分析邊試驗的抗震研究方法。通過擬動力試驗，可研究結(jié)構(gòu)的恢復力特性、結(jié)構(gòu)的加速度反應和位移反應、結(jié)構(gòu)的開裂、屈服和破壞全過程。優(yōu)點：l）對于分析結(jié)構(gòu)彈塑性階段的性能特別有利。地震反應計算時不需要對結(jié)構(gòu)的恢復力特性作任何的假設。2）便于觀測結(jié)構(gòu)性能變化和受損破壞的過程。3）可進行大比例尺試件的模擬地震試驗，從而彌補了模擬地震振動臺試驗時，小比例尺模型的尺寸效應，并能較好地反映結(jié)構(gòu)的構(gòu)造要求。3.2結(jié)構(gòu)偽靜力試驗一、加載制度1、位移控制：以位移為控制值，適合剛度較小結(jié)構(gòu)，普遍采用變幅加載：探索性的研究結(jié)構(gòu)強度、變形和耗能的性能。等幅加載：主要用于研究構(gòu)件的強度降低率和剛度退化規(guī)律。力控制：以力為控制值，適合剛度較大小結(jié)構(gòu)，采用較少。加載控制方法也有變幅、等幅和混合加載?；旌峡刂疲合攘刂?，屈服之后以屈服位移的倍數(shù)為控制?；旌霞虞d:

綜合地研究構(gòu)件的性能，其中包括等幅部分的強度和剛度變化，以及在變幅部分特別是大變形增長情況下強度和耗能能力的變化。二、加載設計1、墻體加載高寬比〈=1/3固端平移式試驗裝置（日本建研式）可模擬墻體實際受力與邊界條件，保證在試驗中只允許墻體頂部產(chǎn)生水平位移。2、節(jié)點加載裝置（無側(cè)移）節(jié)點加載裝置（有側(cè)移）2、框架節(jié)點荷載及支座反力：用測力傳感器測定，對于在梁端加載測量柱端水平反力；反之，柱端加載方案則測量梁端支座反力。

荷載一變形曲線：采用電測位移傳感器，通過X－Y函數(shù)記錄儀記錄或接入計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。梁和柱端位移：采用電測位移傳感器，重點是量測加載截面處的位移。構(gòu)件塑性鉸區(qū)段曲率或轉(zhuǎn)角：對于梁，一般在距柱面（l／2）hb（梁高）或hb處布點，對于柱子則可在距梁面(1／2)hc（柱寬）處布點。節(jié)點核心區(qū)剪切角：通過量測核心區(qū)對角線的位移量來計算確定。梁柱縱筋應力：一般用電阻應變計量測，測點布置以梁柱相交處截面為主。核心區(qū)箍筋應力、梁縱筋滑移裂縫開展及寬度梁柱端位移、曲率轉(zhuǎn)角、剪切角、梁、柱端位移曲率轉(zhuǎn)角剪切角4、參數(shù)計算1）強度開裂荷載：試件出現(xiàn)水平裂縫、垂直裂縫或斜裂縫時的截面內(nèi)力或應力值。屈服荷載：試件剛度開始明顯變化時的截面內(nèi)力或應力值。對受彎或大偏壓指受拉主筋屈服、受剪或受扭指受力箍筋屈服、小偏心受壓或軸心受壓短柱指混凝土出現(xiàn)縱向裂縫。對有明顯屈服點者由曲線的拐點確定，對沒有明顯的屈服點用能量等效面積法近似確定屈服強度。無明顯屈服點情況屈服點極限荷載：試件達到最大承載力時的內(nèi)力和應力。破損荷載：試件經(jīng)歷最大承載力后，達到某一剩余承載能力時的內(nèi)力或應力值。常取極限荷載的85%極限位移：破損荷載對應的位移。2）剛度初次加載剛度K0卸載剛度Ku反向加載DC’、卸載剛度C’D’和重復加載剛度D’C等效剛度Ke屈服剛度開裂剛度5)退化率結(jié)構(gòu)強度和剛度的退化率是指在控制位移作等幅低周反復加載時，每施加一周荷載后強度或剛度降低的速率。它反映結(jié)構(gòu)在一定變形條件下，強度或剛度隨反復荷載次數(shù)增加而降低的特性。退化率的大小反映了結(jié)構(gòu)是否經(jīng)受得起地震的反復作用，當退化率小時，說明結(jié)構(gòu)有較大的耗能能力。結(jié)構(gòu)剛度退化率6）能量耗散結(jié)構(gòu)構(gòu)件吸收能量的好壞，可由滯回曲線所包圍的滯回環(huán)面積和它的形狀來衡量。由滯回環(huán)的面積可以求得等效粘滯阻尼系數(shù)he。he愈高，結(jié)構(gòu)的耗能能力也愈強。擬動力試驗流程四、擬動力試驗實例1、概述采用子結(jié)構(gòu)技術，對一六層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)進行了擬動力試驗研究，了解鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)在地震作用下的非線性反應。2、試件采用1：2模型，試驗子結(jié)構(gòu)為結(jié)構(gòu)的第一層，上部五層為計算子結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)的動力分析模型采用剪切型模型，數(shù)值積分方法采用Newmark法。根據(jù)相似比，結(jié)構(gòu)的各層質(zhì)量為7.5t，各層結(jié)構(gòu)的剛度采用底層實測值9700kN／m，試驗輸人的地震波為EL-Centro地震波，時間間隔為0.014s（根據(jù)相似比進行了壓縮），持時為14s。為了模擬軸力的作用，在試件的柱端分別加了220kN的軸力。試件和試驗簡圖如下圖所示。2、試件3、試驗裝置4、試驗過程地震波的輸人采用多種工況，首先輸人峰值加速度為0.05g的地震波，用以檢驗試驗方法和儀器儀表的工作狀況，然后分別輸入進行了0.1g、0.2g、0.4g、0.6g、0.7g的加速度。試驗中考慮了損傷引起的阻尼特性變化，當峰值加速度超過0.2g之后，結(jié)構(gòu)的剛度不斷退化，據(jù)此將結(jié)構(gòu)的阻尼比作了相應的調(diào)整，0.2g以內(nèi)取0.05，0.4g時取0.07，0.6g時取0.09，0.7g時取0.10。層間恢復力模型采用了三線性模型，每種工況下的理論計算采用試驗結(jié)果對恢復力模型中的參數(shù)加以確定，使理論計算能充分反映實際情況。5、試驗結(jié)果隨著輸人地震波峰值的增加，結(jié)構(gòu)的層間變形也隨之增大，從滯回曲線看，結(jié)構(gòu)的層間剛度也不斷退化，隨著結(jié)構(gòu)剛度的不斷退化，結(jié)構(gòu)的各階頻率也相應降低。當0.1g、0.2g地震波輸人時，結(jié)構(gòu)的各階頻率基本沒有變化，說明結(jié)構(gòu)沒有破壞。當0.4g地震波輸人時，梁端和柱端均出現(xiàn)裂縫，結(jié)構(gòu)剛度降低，結(jié)構(gòu)頻率明顯下降.當輸人0.6g地震波時，柱端裂縫出現(xiàn)貫穿斷面，局部混凝土剝落，因此，頻率降低尤為明顯。位移反應加速度反應各工況下結(jié)構(gòu)自振頻率(HZ)0.1g0.2g0.4g0.6g0.7g一階1.441.421.351.071.00二階4.164.124.124.073.36三階6.326.316.146.005.932.4振動臺加載一、振動臺地震模擬振動臺是再現(xiàn)各種地震波對結(jié)構(gòu)進行動力試驗的一種先進試驗設備，其特點是具有自動控制和數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)，采用了計算機和閉環(huán)伺服液壓控制技術，并配合先進的振動測量儀器，可以在實驗室內(nèi)進行結(jié)構(gòu)物的地震模擬試驗，以求得地震反應對結(jié)構(gòu)的影響。地震模擬振動臺由臺面、液壓驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、測試和分析系統(tǒng)組成。地震模擬振動臺組成1.臺面振動臺的臺面是有一定尺寸的平板結(jié)構(gòu)，其尺寸的規(guī)模由結(jié)構(gòu)模型的最大尺寸來決定。臺體自重和臺身結(jié)構(gòu)與承載的試件重量及使用頻率范圍有關。振動臺必須安裝在質(zhì)量很大的基礎上，這樣可以改善系統(tǒng)的高頻特性，并減小對周圍建筑和其他設備的影響。2.液壓驅(qū)動和動力系統(tǒng)液壓驅(qū)動系統(tǒng)給振動臺以巨大的推力。由電液伺服系統(tǒng)來驅(qū)動液壓加載器，控制進入加載器液壓油的流量大小和方向，從而推動臺面能在垂直軸或水平軸的X和Y方向上產(chǎn)生相位受控的正弦運動或隨機運動，實現(xiàn)地震模擬和波形再現(xiàn)的要求。液壓動力部分是一個巨大的液壓功率源，能供給所需要的高壓油流量，以滿足巨大推力和臺身運動速度的要求。3.控制系統(tǒng)采用計算機進行數(shù)字迭代的補償技術，實現(xiàn)臺面地震波的再現(xiàn)。試驗時，振動臺臺面輸出的波形是期望再現(xiàn)的某個地震記錄或是模擬設計的人工地震波。由于包括臺面、試件在內(nèi)的系統(tǒng)的非線性影響，在計算機給臺面的輸入信號激勵下所得到的反應與輸出的期望波形之間必然存在誤差。這時，可由計算機將臺面輸出信號與系統(tǒng)本身的傳遞函數(shù)（頻率響應）進行比較，求得下一次驅(qū)動臺面所需的補償量和修正后的輸入信號。經(jīng)過多次迭代，直至臺面輸出反應信號與原始輸入信號之間的誤差小于預先給定的量值，完成迭代補償并得到滿意的期望地震波形。4.測試和分析系統(tǒng)測試系統(tǒng)：對臺面運動進行控制而測量位移、加速度反應，對被試模型一般也可測量位移、加速度和應變等參數(shù)。總通道數(shù)可達百余點。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)：由計算機采集記錄來自測量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，并存于計算機中，然后由計算機分析。振動臺臺面運動最基本的參數(shù)是位移、速度和加速度以及使用頻率。一般按照模型相似原理，根據(jù)模型比例及試驗要求確定臺身滿負荷時的最大加速度、速度和位移等數(shù)值。使用頻率范圍一般由試驗模型的第一頻率確定（1～l0HZ）。二、地震波輸入選擇1．試驗結(jié)構(gòu)的周期如果模擬長周期結(jié)構(gòu)并研究它的破壞機理，就要選擇長周期分量占主導地位的地震記錄或人工地震波，以便結(jié)構(gòu)能產(chǎn)生多次瞬時共振而得到清晰的變化和破壞形式。2．結(jié)構(gòu)所在的場地條件如果要評價建立在某一類場地土上的結(jié)構(gòu)的抗震能力，就應選擇與這類場地土相適應的地震記錄，即要求選擇地震記錄的頻譜特性盡可能與場地土的頻譜特性相一致，并需要考慮地震烈度和震中距離的影響。當實際工程進行地震模擬振動臺模型試驗時，這一個條件尤其重要。3．考慮振動臺臺面的輸出能力主要考慮振動臺臺面輸出的頻率范圍、最大位移、速度和加速度、臺面承載能力等性能，在試驗前應認真核查振動臺臺面特性曲線是否滿足試驗要求。三、加載方案1、一次性加載：從彈性到彈塑性直至破壞階段的全過程在一次加載過程中全部完成。主要特點是可以較好地連續(xù)模擬結(jié)構(gòu)在一次強烈地震中的整個表現(xiàn)與反應，但是對試驗過程中的量測和觀察要求較高，特別是在初裂階段難以觀察到結(jié)構(gòu)各個部位上的微裂縫。對于破壞階段的觀測更有危險，這時要求用高速攝影和電視攝像的方法記錄試驗過程，因此在沒有足夠經(jīng)驗的情況下很少采用這種方法。2、多次性加載大多數(shù)的研究者都采用多次性加載的方案來進行試驗研究。一般情況可分為：l）動力特性試驗，以得到結(jié)構(gòu)在各階段的各種動力特性。

2）振動臺臺面輸人運動，使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生微裂縫。例如結(jié)構(gòu)底層墻柱微裂或結(jié)構(gòu)的薄弱部位微裂。3）加大臺面輸人運動，使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生中等程度的開裂。例如剪力墻、梁柱節(jié)點等會產(chǎn)生明顯的裂縫，停止加載后裂縫不能完全閉合。4）加大臺面輸人加速度的幅值，結(jié)構(gòu)振動使剪力墻、梁柱節(jié)點等主要部位產(chǎn)生破壞，受拉鋼筋屈服，受壓鋼筋壓屈，裂縫貫通整個截面，但結(jié)構(gòu)還有一定的承載能力。5）繼續(xù)加大振動臺臺面運動，使結(jié)構(gòu)變?yōu)闄C動體系，稍加荷載就會發(fā)生破壞倒塌。四、觀測設計內(nèi)容：一般需測結(jié)構(gòu)的位移、加速度和應變反應，以及結(jié)構(gòu)的開裂部位、裂縫的發(fā)展、結(jié)構(gòu)的破壞部位和破壞形式等。位移和加速度測點一般布置在最大位移或加速度的部位，對于整體結(jié)構(gòu)的房屋模型試驗，則在主要樓面和頂層高度的位置上布置位移和加速度傳感器（要求傳感器的頻響范圍為0～100HZ）。層間位移：在相鄰兩樓層布置位移或加速度傳感器（通過二次積分轉(zhuǎn)化為位移信號）。主要受力部位：測量鋼筋和混凝土的應變、鋼筋和混凝土的粘結(jié)滑移等參數(shù)。數(shù)據(jù)采集：由計算機終數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集記錄試驗數(shù)據(jù)。五、安全措施1．試件設計應進行吊裝驗算，避免試件在吊裝過程中發(fā)生破壞。2．試件與振動臺的安裝應牢固，對安裝螺栓的強度和剛度應進行驗。3．試驗人員在上下振動臺臺面時應注意臺面和基坑地面之間的間隙，防止發(fā)生掉人或摔倒事故。4．傳感器應與試件牢固連接，并應做好預防掉落的措施5．用吊車通過繩索或鋼絲繩保護，防止試件倒塌時損壞振動臺和周圍設施。6．應做警戒標志，防止與試驗無關的人員進人試驗區(qū)。五、振動臺實例1、概述上海星海大廈，地下2層，地上24層，立面上4-20層開了巨大洞口。為了研究該建筑的抗震性能，采用1:25微?；炷聊Ｐ瓦M行了振動臺試驗。2、模型設計在設計結(jié)構(gòu)動力模型時，完全滿足模型與原型的相似關系是十分困難的。本試驗主要研究地震時結(jié)構(gòu)的性能，因此設計時著重考慮滿足抗側(cè)力構(gòu)件相似關系，使墻、柱、梁、板構(gòu)件及其節(jié)點滿足尺寸、配筋（配筋按等強換算）等相似關系，用設置配重的方法滿足質(zhì)量和荷載的相似關系。模型相似系數(shù)物理量相似系數(shù)物理量相似系數(shù)長度1/25彈性模量1/3.516時間0.075應力1/3.516頻率13.333位移1/25密度1.0加速度7.1103、模型制作模型主體采用微粒砼和鍍鋅鐵絲制作，柱、梁、板、墻等構(gòu)件尺寸及配筋由相似關系計算得出。柱中縱向鋼筋與箍筋的連接采用錫焊。梁、板中配點焊鐵絲網(wǎng)或鍍鋅鐵絲。微?；炷猎O計強度指標為C12.8、C11.4和C10.0，彈性模量為9528～8532MPa。彈性模量與理論值較接近，而強度都低于理論值。由于小比例模型在彈性階段與原型相似較好，而破壞階段只能供參考，所以本項研究盡量滿足彈性模量相似，這使模型與原型在自振頻率方面相似較好，而開裂烈度模型小于原型，破壞程度模型大于原型。由于模型比例較小，精度要求較高，因此對施工有特殊要求。采用有機玻璃板作為外模，易于觀察澆筑情況。內(nèi)模采用泡沫塑料，易于拆模。模型外形見下圖4、試驗輸入地震波地震波：EL_CENTRO波、San-Fernando波、上海人工波烈度大?。浩叨榷嘤龅卣?、基本烈度地震、罕遇地震5、試驗結(jié)果1）試驗現(xiàn)象：七度多遇地震（35gal）：未發(fā)現(xiàn)裂縫?；玖叶鹊卣穑?00gal）:EL_CENTRO波輸入時，3、4、5剪力墻開裂，San-Fernando波時裂縫增多；人工波時，裂縫擴展，裂縫進一步增多。罕遇地震（220gal）:3-5層出現(xiàn)較大裂縫，許多裂縫貫穿，鋼筋屈服，但模型未倒。2）模型動力特性輸入地震波，先輸入白噪聲，測得結(jié)構(gòu)的自振頻率和阻尼比。見下表：模型自振頻率和阻尼比振型123456頻率9.76613.02139.71441.66743.62048.177阻尼比0.04230.05780.03190.02440.01390.0157振型形式斜向扭轉(zhuǎn)X向東塔Y東塔X西塔Y頻率和振型變化多遇三向地震波（San－Fernando）輸人時X向自振頻率下降，結(jié)構(gòu)剛度開始改變，表明模型有微裂縫。隨著地震波輸人幅度的增大，結(jié)構(gòu)剛度不斷減小，七度罕遇地震EL－Centro地震波輸人時，模型X方向第一自振頻率降至4.557Hz，Y方向的第一自振頻率降至2.604Hz。Y方向的開裂