抗震性能试验

第七章抗震性能试验7.1概述7.1.1结构抗震试验的任务1.对结构的抗震性能进行研究，主要从结构的强度、刚度、延性、耗能能力、恢复力特性等方面进行研究和评价。主要采用低周反复荷载试验法。2.对结构的预期地震反应进行验证，主要通过振动台试验或拟动力试验，验证结构的理论计算地震反应。7.1概述7.1.2结构抗震试验方法分类结构抗震静力试验:低周反复荷载试验（又称拟静力试验）、计算机-电液伺服联机试验（又称拟动力试验）结构抗震动力试验:地震模拟振动台试验、强震观测、人工爆破模拟地震试验等7.2工程结构抗震性能试验方法7.2.1拟静力试验拟静力试验又称为低周反复加载试验或伪静力试验，这种试验方法是在20世纪60至70年代基于结构非线性地震反应分析的要求提出的，一般是给试验对象施加低周反复作用的力或位移，来模拟地震时结构的作用，并评定结构的抗震性能和能力。拟静力试验实质上是用静力加载方式模拟地震对结构物的作用。7.2工程结构抗震性能试验方法优点：在试验过程中可以随时停下来观测试件的开裂和破坏状态，并可根据试验需要改变加载历程。不足：试验的加载历程是研究者事先主观确定的，与实际地震作用历程无关，不能反映实际地震作用时应变速率的影响。7.2工程结构抗震性能试验方法1）拟静力试验的设备及装置（1）加载设备结构的拟静力加载试验设备有很多种，过去在试验室中主要采用机械千斤顶或液压式千斤顶（液压式千斤顶可以分为单向千斤顶和双向千斤顶）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，试验加载过程不容易控制，往往造成数据测量不稳定、不准确，试验结果分7.2工程结构抗震性能试验方法析困难。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加载试验。（2）加载的反力装置电液伺服加载器或液压千斤顶一方面与试件连接，另一方面与反力装置连接，以便给结构施加作用。同时试件也需要固定并模拟实际边界条件，所以7.2工程结构抗震性能试验方法反力装置和传力装置都是拟静力加载试验中所必须的。目前常用的反力装置主要有反力墙、反力台座、门式钢架、反力架和相应的各种组合载荷载。另外，加载反力装置本身应当具有足够的刚度、承载力和整体稳定性，同时应尽可能地做到结构简单、安装方便。每一种静力加载试验的目的不同，试件的尺寸、形状和数量也不尽相同，所以其加载方式、加载7.2工程结构抗震性能试验方法装置和测量传感器的选择和安装也有很大的差异每一项试验要针对具体试验内容来确定加载设备、加载反力装置和测量传感器。如下图为一个典型的电液伺服拟静力试验加载系统。7.2工程结构抗震性能试验方法典型的电液伺服拟静力试验加载系统7.2工程结构抗震性能试验方法2）加载制度（1）单向加载制度a.位移控制加载；这种方法以位移（包括线位移、角位移、曲率或应变）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。根据位移控制的幅值不同，位移控制加载又可分为变幅加载、等幅加载和变幅等幅混合加载，如下图：7.2工程结构抗震性能试验方法7.2工程结构抗震性能试验方法b.力控制加载；力控制加载是在每次循环加载过程中以力的幅值为控制量进行循环加载。由于结构构件屈服后难以控制加载力，因此这种加载制度很少单独使用。c.力—位移混合控制加载这种加载制度是先以荷载控制进行加载，当试件达到屈服状态时改用位移控制，直至试件破坏。7.2工程结构抗震性能试验方法一般在结构屈服前，荷载变化大，而位移变化小，此时采用控制作用力加载；结构屈服后，荷载变化小，位移变化大，此时采用控制位移加载。下图为拟静力试验中经常采用的一种力-位移混合加载制度。7.2工程结构抗震性能试验方法7.2工程结构抗震性能试验方法（2）两方向加载制度a.同步加载当用两个加载器在两个方向同时加载时，两个主轴方向的分量是同步的，其加载制度与单向受力加载的加载制度相同。b.非同步加载非同步加载要用两个加载器分别在截面两个主轴方向加载。此时，由于X、Y方向可以先后加载7.2工程结构抗震性能试验方法荷载，因而是不同步的。如下图所示为常用的仅有X、Y方向侧向力的加载途径，其中：（a）为单向加载；（b）为X方向恒载，Y方向加载；（c）为X、Y方向先后加载；（d）为X、Y方向交替加载；（e）为8字形加载；（f）为方形加载。7.2工程结构抗震性能试验方法7.2工程结构抗震性能试验方法7.2.2拟动力试验拟动力试验是20世纪70年代发展起来的一种计算机-电液伺服结构试验装置的联机系统，是将地震反应所产生的惯性力作为荷载加在试验结构上，使结构所产生的非线性力学特征与结构在实际地震动作用下所经历的真实过程完全一致。但是这种试验是用静力方式进行的而不是在振动过程中完成的，故称拟动力试验。拟动力试验弥补7.2工程结构抗震性能试验方法了拟静力试验的一些不足之处。拟动力试验的目的是真实模拟地震对结构的作用，其基本原理是用计算机直接参与试验的执行和控制，包括利用计算机按地震实际反应技术得到的位移时程曲线驱动和控制电液伺服加载器（又称作动器）对结构施加荷载。同时进行结构反应的测量和数据采集，经检测装置处理后，联机系统将结构试验得到的反应量立即输入计算机，从而得到结构的瞬时非线性变形和恢复力之间的7.2工程结构抗震性能试验方法关系，再由计算机算出下一次加载后的变形，并将计算机所得到的各控制点的变形转变为控制信号，驱动加载器强迫结构按实际地震反应实现结构的变形和受力。整个试验由专用软件系统通过数据库和运行系统来执行操作指令并完成整个系统的控制和运行。7.2工程结构抗震性能试验方法优点：结构的恢复力特性不再来自数学模型，而是直接从被试验结构上实时侧取；由于试验加载过程接近静态，因此可使试验人员有足够的时间观测结构性能的变化和结构损坏过程，获得较为详细的试验资料；可以对一些足尺模拟或大比例模拟进行试验；可以缓慢地再现地震的反应。不足：拟动力试验不能反映实际地震作用时材料7.2工程结构抗震性能试验方法应变速率的影响；拟动力试验只能通过单个或几个加载器对试件加载，不能完全模拟地震作用时结构实际所受的作用力分布。7.2工程结构抗震性能试验方法拟动力试验加载的设备及装置（1）计算机在拟动力试验中，计算机是整个试验系统的心脏，加载过程的控制和试验数据采集都由计算机来实现，同时对试验结构的其他反应参数（如应变、位移等）进行演算和处理。（2）电液伺服作用器拟动力试验是计算机联机试验，作动器必须7.2工程结构抗震性能试验方法具有电液伺服功能。电液伺服作动器由加载器、控制系统和液压源组成，它可将力、位移、速度、加速度等物理量直接作为控制参数。由于它能较精确地模拟试件所受外力，产生真实的试验状态，所以在近代试验加载技术中被用于模拟各种振动荷载，特别是地震荷载等。（3）传感器拟动力试验中一般采用电测传感器。常用的传7.2工程结构抗震性能试验方法感器有力传感器、位移传感器、应变计等。力传感器一般装在电液伺服作动器中。（4）试验装置试验可采用与静力试验或拟静力试验一样的台座，试验装置的承载能力应大于试验设计荷载的100%。试验安装时，应考虑推拉力作用时试件与台座之间可能发生的松动。反力架与试件底部宜通过刚性拉杆连接，使之不发生相对位移。7.2工程结构抗震性能试验方法7.2.3模拟地震振动台试验动力试验比静力试验更能反映结构在地震作用下的真实动力特征，而模拟地震的试验更接近于结构在地震作用下的工作状态，它是在试验室内研究结构地震反应和破坏机理的最直接方法。这种设备具有一套先进的数据采集与处理系统，从而使结构动力试验得到了很大的发展与提高，并大大促进了结构抗震研究工作的开展。模拟地震7.2工程结构抗震性能试验方法振动台试验不仅用于检验结构抗震设计理论、方法和计算模型准确与否，还可以用于研究过程结构动力特征、设备抗震性能以及检验结构抗震措施合理性等内容。振动台能够模拟天然地震振动，将结构模型固定在振动台上，输入地震波，则可以观测和测试结构模型的振动反应和破坏过程。不过地震模拟振动台也有其局限性，一般振动台试验都为模型试验，比例较小，容易产生尺寸效7.2工程结构抗震性能试验方法应，模型与原型的相似关系复杂，而且由于台面尺寸和承载能力的限制，只能进行小比例模型的试验，往往配重不足，不能很好地满足相似条件，特别是进入弹塑性阶段工作时，更是如此，往往会导致地震工作形态失真。如下图为东方明珠电视塔的振动台模型试验。7.2工程结构抗震性能试验方法模拟地震振动台是再现各种地震波对结构进行动力试验的一种先进试验设备，主要由以下几个部分组成：台面和基础、高压油源和管路系统、电液伺服加载器、模拟控制系统、计算机控制系统和相应的数据采集处理系统。下图为模拟地震振动台系统示意图：7.2工程结构抗震性能试验方法7.3工程结构抗震性能的评定工程结构抗震试验的目的，最终是对结构或结构构件进行抗震性能和抗震能力的评定。在拟静力试验中，确定结构构件抗震性能的主要指标为其滞回曲线和骨架曲线。1）确定结构构件抗震性能的主要指标（1）滞回曲线在低周反复试验中，加载一周所得到的荷载-位移曲线（P-Δ曲线）称为滞回曲线。根据恢复力7.3工程结构抗震性能的评定特性试验结果，滞回曲线可以归纳为4种基本情况：（a）梭形：受弯、偏压、压弯及不发生剪切破坏的试件。（b）弓形：有一定的滑移影响，有“捏缩”效应，多发生在剪跨比大或剪力较小又配有一定箍筋的弯剪和偏压剪的试件。（c）反S形：有更多的滑移影响。常发生在一般和有剪刀撑的框架、梁柱节点和剪力墙。7.3工程结构抗震性能的评定（d）Z形：有大量的滑移影响。发生在小剪跨而斜裂缝充分发展的试件。及锚固钢筋有较大滑动的试件。许多构件，往往开始是梭形，然后发展到弓形、反S形或最后达到Z形。后3种形式主义取决于滑移量的大小，滑移的大小将引起滞回曲线图形性质的变化。下图为典型的滞回曲线：7.3工程结构抗震性能的评定7.3工程结构抗震性能的评定滞回环的面积代表试件的耗能能力。面积越大说明试件的耗能能力越强，试件的抗震性能越好。（2）骨架曲线在变位移幅值加载的低周反复试验中，如果把荷载-位移曲线所有每次循环峰点（开始卸载点）连接起来的包络线，就得到骨架曲线。如下图所示：7.3工程结构抗震性能的评定7.3工程结构抗震性能的评定2）骨架曲线和滞回曲线包括的几个重要控制指标（1）强度反映结构强度的指标有：开裂强度、屈服强度、极限荷载、破坏荷载。（2）刚度反映结构刚度的指标有：初次加载刚度、卸载刚度、反向加载\卸载刚度、重复加载刚度、等效刚度。7.3工程结构抗震性能的评定(3)延性延性系数是反映结构构件塑性变形能力的指标，它表示了结构构件抗震性能的好坏，在结构分析中经常采用延性系数来表示。（4）耗能能力试件的耗能能力是指试件在地震反复作用下吸收能量的大小，以试件荷载变形滞回曲线所包围的面积来衡量。由滞回曲线的面积可以求得等效7.3工程结构抗震性能的评定粘滞阻尼系数he，he系数愈高，结构的耗能能力也愈强。（5）恢复力特性模型进行非线性地震反应分析时，需要用到恢复力模型。恢复力模型的建立是结构及构件进行非线性地震反应分析的基础；目前地震反应分析中常用的恢复力模型有如下图所示的几种形式：7.3工程结构抗震性能的评定