建筑结构抗震试验方法11次课34.

LabofProf.TianShizhu1土木工程学院结构实验技术田石柱教授LabofProf.TianShizhu2§2.7建筑结构抗震试验方法地震造成的灾害是极其严重的:1976年唐山地震；1985年墨西哥城地震1995年阪神地震；1999年台湾地震2008年汶川地震等为了减少人员伤亡和经济损失，提高建筑物的抗震能力，确保人民生命和财产不受损失，需要进行抗震理论的研究。LabofProf.TianShizhu3§2.7建筑结构抗震试验方法由于地震机制和结构抗震性能的复杂性，凭理论分析的手段很难把握结构在地震作用下的性能、反应过程和破坏机理，经常是理论分析与实际地震作用下结构的反应、破坏现象差别较大。LabofProf.TianShizhu4§2.7建筑结构抗震试验方法这样人们不得不寻求试验的方法以解决理论分析的不足。特别是对于大型复杂结构、超出抗震设计规范规定的结构和新型结构体系，必须进行必要的抗震试验以补充理论分析的不足，这样抗震研究的一个主要研究方向是抗震试验方法的研究。LabofProf.TianShizhu5§2.8建筑结构抗震试验方法目前，结构抗震试验方法主要分三种：1．伪(拟）静力试验方法或低周反复加载静力试验(QuasiStaticTest)2．地震模拟振动台试验方法（ShakingTableTest）3．伪（拟）动力试验方法或计算联机试验(PseudoDynamicTest)。LabofProf.TianShizhu6§2.8建筑结构抗震试验方法一、伪静力试验50年代后期开始，由于非线性地震反应研究工作的开展，结构和构件的恢复力特性试验开始引起人们注意。到60～70年代就不单是为了地震反应计算而研究结构或构件的恢复力模型，进而要求从能量耗散的角度进行模拟地震作用的滞回特性试验，以此探求结构的抗震性能。LabofProf.TianShizhu71试验方法静力试验是目前在结构(或构件)抗震性能研究中应用最广泛的试验方法。它是以一定的荷载或位移作为控制值对试件进行低周反复加载，以获得结构非线性的荷载一变形特性，故又称为低周反复加载试验或恢复力特性试验。LabofProf.TianShizhu8应用该试验方法可以最大限度地利用试件提供的各种信息，例如：承载力、刚度、变形能力、耗能能力和损伤特征等。拟静力试验的根本目的是对结构在荷载作用下的基本性能进行深入的研究，进而建立恢复力模型和承载力计算公式，探讨结构的破坏机制，并改进结构的抗震构造措施。LabofProf.TianShizhu92．试验设备与加载装置拟静力试验常用设备：加载设备、反力墙、试验台座、荷载架等，其中加载设备种类较多，过去主要采用双向机械式千斤顶或液压千斤顶进行试验加载。由于这类加载设备主要是手动加载，自动化程度不高，加载过程不易控制，往往造成数据测量不稳定、不准确，试验结果分析困难。LabofProf.TianShizhu102．试验设备与加载装置近年来随着经济的发展和科学技术水平的不断提高，结构加载设备有了质的改变，目前许多结构试验室主要采用电液伺服加载系统进行结构的拟静力试验加载，并采用计算机进行试验控制和数据采集。LabofProf.TianShizhu11建议的几种试验加载装置《建筑抗震试验方法规程》(JGJl01—96)LabofProf.TianShizhu12LabofProf.TianShizhu13典型的拟静力试验加载系统LabofProf.TianShizhu143单向反复加载制度目前国内外较为普遍采用的单向(一维)反复加载制度主要有三种：位移控制加载力控制加载力—位移混合控制加载LabofProf.TianShizhu15(1)位移控制加载位移控制加载是在加载过程中以位移作为控制值或以屈服位移的倍数作为控制值，按一定的位移增幅进行循环加载。当试件具有明确屈服点时，一般都以屈服位移的倍数为控制值。当试件不具有明确的屈服点时(如轴压比较大的柱)或无屈服点时(如无筋砌体)，则由研究者根据已有专业知识主观规定一个认为合适的位移标准值来控制试验加载。LabofProf.TianShizhu16在位移控制加载中，根据位移控制的幅值不同，又可分为变幅加载、等幅加载和变幅等幅混合加载。LabofProf.TianShizhu17变幅位移控制加载：多用于研究构件的恢复力特性，并建立其恢复力模型。一般，每一级位移幅值下循环二～三次，则由试验测得的滞回曲线可以建立构件的恢复力模型。等幅位移控制加载：主要用于确定构件在特定位移幅值下的特定性能，例如极限滞回耗能、强度降低率和刚度退化规律等。LabofProf.TianShizhu18混合位移控制加载：可以综合地研究构件的性能，其中包括等幅部分的强度和刚度变化，以及在变幅部分、特别是大变形增长情况下强度和耗能力的变化。在上述三种位移控制加载制度中。以变幅等幅混合加载方案使用得最多。LabofProf.TianShizhu19(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，按一定的力幅值进行循环加载。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。LabofProf.TianShizhu20(3)力—位移混合控制加载这种加载制度是先以力控制进行加载，当试件达到屈服状态时改用位移控制，一直至试件破坏。LabofProf.TianShizhu21《建筑抗震试验方法规程》(JGJl01—96)规定：试件屈服前，应采用载荷控制并分级加载，接近开裂和屈服荷载前宜减少级差加载；试件屈服后应采用变形控制，变形值应取屈服时试件的最大位移值，并以该位移的倍数为级差进行控制加载；施加反复荷载的次数应根据试验目的确定，屈服前每级荷载可反复一次，屈服以后宜反复三次。LabofProf.TianShizhu22如图为在梁一柱节点拟静力试验中被普遍采用的一种力—位移混合加载制度。LabofProf.TianShizhu234．双向反复加载制度为了研究地震对结构构件的空间组合效应，克服采用在结构构件单方向(平面内)加载时不考虑另一方向(平面外)地震力同时作用对结构影响的局限性，可在x，y两个主轴方向(二维)同时施加低周反复荷载。例如：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采用梁端加载方案施加反复荷载试验时，可采用双向同步或非同步的加载制度。LabofProf.TianShizhu24(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两个主轴的方向的分量同步作用。反复加载同样可以采用位移控制、力控制和两者混合控制的加载制度LabofProf.TianShizhu25(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。由于x、y两个方向可以不同步的先后或交替加载，因此，它可以有如图各种变化方案。(a)为在x轴不加载、y轴反复加载，或情况相反，即是前述的单向加载；(b)为x轴加载后保持恒载，而y轴反复加载；(c)为x、y轴先后反复加载；(d)为x、y两轴交替反复加载；(e)8字形加载(f)方形加载LabofProf.TianShizhu26当采用由计算机控制的电液伺服加载器进行双向加载试验时，可以对一结构构件在x、y两个方向成900作用。实现双向协调稳定的同步反复加载。LabofProf.TianShizhu275．滞回曲线和骨架曲线的主要特征(1)曲线图形根据各种构件恢复力特性研究结果，构件的滞回曲线可归纳为四种基本形态。(a)梭形。例如：受弯、偏压以及不发生剪切破坏的弯剪构件等；LabofProf.TianShizhu28(b)弓形。它反映了一定的滑移影响，有明显的“捏缩”效应。例如：剪跨比较大，剪力较小并配有一定箍筋的弯剪构件和偏压剪构件等；(c)反S形。它反映了更多的滑移影响。例如：一般框架和有剪刀撑的框架、梁柱节点和剪力墙等；LabofProf.TianShizhu29(d)Z形，它反映了大量的滑移影响。例如：小剪跨且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。LabofProf.TianShizhu30(2)骨架曲线加载一周得到的荷载—位移曲线称为滞回曲线(滞回环)。在变幅位移加载试验中，把每次滞回曲线的峰点连接起来的包络线，叫做骨架曲线。图为钢筋混凝土剪力墙滞回环的骨架曲线与单调加载曲线的对比图。骨架曲线的形状基本与单调加载曲线相似、但极限荷载则略低一点。LabofProf.TianShizhu31(3)强度构件在开裂前，荷载与位移成线性，处于弹性阶段；开裂后，由于刚度降低，Q～△曲线出现第一个折点，处于弹塑性阶段；屈服后，刚度进一步降低，Q一△曲线出现第二个折点，已处于塑性阶段。构件加载至极限荷载后，出现较大变形，并开始进入下降段。通常取极限荷载下降至85％时所对应的变形作为极限变形。LabofProf.TianShizhu32对于有明显屈服点的构件，在试验过程中，当试验荷载达到屈服荷载后，构件的刚度将出现明显的变化，即构件的荷载一变形曲线上出现明显拐点。此时，相应于该点的试验荷载为屈服荷载，变形为屈服变形。LabofProf.TianShizhu33对无明显屈服点的构件，可采用荷载～变形曲线的能量等效面积法近似确定屈服荷载和屈服位移。具体方法是(见图)：由最大荷载点A作水平线AB，由原点O作割线OD与AB线交于D点，由D点引垂线与曲线OA交于E点，使面积ADCA与面积CFOC相等，则此时的E点即为构件的屈服点，E点对应的荷载Q，为屈服荷载，位移△，为屈服位移。构件所能承受的最大荷载作用为极限荷载值。LabofProf.TianShizhu34(4)刚度从Q一△曲线可以看出，刚度与应力水平和反复次数有关，在加载过程中刚度为变值，为了地震反应分析需要，常用割线刚度代替切线刚度。在非线性恢复力特性试验中，由于有加、卸载和正、反向加载等情况，再加上有刚度蜕化现象，因此刚度问题要比一次加载复杂得多。LabofProf.TianShizhu35(4)刚度在进行刚度分析时，可取每一循环峰点的荷载及相应的位移与屈服荷载及屈服位移之比，即将其无量纲化后再绘出骨架曲线，经统计可得弹性刚度、弹塑性刚度以及塑性刚度。关于卸载刚度及反向加载刚度均可由构件的恢复力模型直接确定。LabofProf.TianShizhu36(5)延性延性系数是表示结构构件塑性变形能力的指标，它反映了结构构件抗震性能的好坏。在结构塑性分析中经常采用延性系数来表示，即：确定截面的塑性转动比较复杂，需要了解塑性区段长度、弯矩变化及弯矩一曲率关系。在实际工作中，采用挠度(或位移)和曲率延性系数表达结构构件的抗震性能比较方便。uyLabofProf.TianShizhu37(6)耗能目前对构件的耗能能力没有统一的评定标准。常用等效粘滞阻尼系数与功比指数来表示。等效粘滞阻尼系数(如图）：三角形面积OBDABChe.21图形面积功比指数：yyiiswQQILabofProf.TianShizhu38(7)不同加载制度引起的耗能差异每一控制位移加载一次控制荷载超过屈服点的多次反复每一控制位移下反复三次控制荷载超过极限荷载下的反复LabofProf.TianShizhu39谢谢！