第七章--结构抗震试验

第七章结构抗震试验学习目的和要求:了解和掌握低周反复加载试验的加载制度和试验方法，及不同于静力试验的特殊性，对拟动力试验的工作原理和试验流程，及振动台试验有一般了解。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。7.1.2结构抗震试验的分类和特点目前的抗震试验方法有三种：（1）低周反复加载试验（2）拟动力试验（3）地震模拟振动台试验7.1.2结构抗震试验的分类和特点（续）试验方法：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—变形特性。1．低周反复加载试验又称为拟静力试验、伪静力试验。低周反复加载试验的荷载特点是：试验荷载反复的周期远大于结构的固有周期，荷载实际是静荷载。低周反复加载试验的不足：加载程序是试验者主观确定的，与地震荷载的作用情况完全不一致。2．拟动力试验又称为伪动力试验、计算机－加载器联机试验。如下图为建筑结构单元的拟动力试验。拟动力试验的特点：（1）试验中弹塑性动力反应数值分析过程，不需要预先假设结构的恢复力特性。（2）试验加载周期较长；（3）加载器的作用力大，可进行大比例模型试验。拟动力试验的不足：（1）加载周期长，不能反映地震时的应变速率；（2）加载器数量一般较少，不能反映实际荷载分布。3．地震模拟振动台试验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。振动台试验的不足：模型比例小，尺寸效应明显，模型与原型的相似关系复杂。如下图为东方明珠电视塔的振动台模型试验。7.2.1低周反复加载试验的加载制度7.2低周反复加载试验真实地震的位移时程曲线（多为加速度时程曲线）1.单向反复加载制度常用的三种加载方法①控制位移加载法；②控制荷载加载法；③控制荷载和位移混合加载法。1）控制位移加载法常以屈服位移或最大层间位移的某一百分比来控制加载♦变幅加载：常作为探索性试验研究用（我国规范规定同一级荷载下重复三次）。♦等幅加载：用于研究强度退化和刚度退化（规范规定不少于5次）。♦变幅等幅混合加载：研究内容广，常用于综合性研究（等幅2~10次不等）。1.单向反复加载制度（续）位移控制加载(a)变幅加载(b)等幅加载(c)变幅等幅混合加载考虑二次地震影响和混合位移加载制度2)力控制加载（很少用）3)力—位移混合控制加载梁柱节点通常采用的方案一般在结构屈服前，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。2、双向反复加载制度1)x、y轴双向同步加载2)x、y轴双向非同步加载双向反复加载也称为二维反复加载，如右图。即从X、Y两个主轴方向同时施加低周反复荷载。这是为了研究地震对结构构件的空间组合影响。双向反复加载试验的加载制度，可采用双向同步或非同步的加载制度。双向非同步加载制度按照两个方向加载步调的差异，又可分为若干种。下图为各种双向反复加载试验的加载制度。7.2.2低周反复加载试验的加载设计试验设备与加载装置加载设备：双向千斤顶；反力墙；试验台座；荷载架等；如图示：1.砖石及砌块结构抗震性能研究（续）一、试件和边界条件的模拟：符合实际结构受力图式。横墙：单层单片墙体横墙：双层单片墙体纵墙（双肢或单肢窗间墙试件）二、试验装置和加载设计墙体顶部能自由平移，避免竖向荷载产生水平约束。多个加载器的同步加载：液压加载器的优点，或采用多个分配梁式。♦建研式低周反复加载装置：钢横梁的水平移动（见后图）竖向荷载的施加需配置稳压装置。承力架试件液压加载器操作台管路系统试验台座日本建研式低周反复加载装置（固端平移式试验装置）砖石及砌块墙体在低周反复加载试验时的加载制度1.加载器的数量和荷载的大小根据砌体截面及控制竖向应力的大小来设计确定。2.水平反复荷载♦在弹性阶段（砌体开裂前）以荷载控制，取预计极限荷载的1/5~1/10。♦墙体开裂后按变形进行控制。♦每级荷载反复循环的次数：主要看试件变形是否趋于稳定而定。1.砖石及砌块结构抗震性能研究（续）三、试验观测项目与测点布置裂缝及初裂荷载：初裂荷载的判定（目测、应变片、曲线拐点）破坏荷载墙体位移和荷载变形曲线：消除支座位移影响、平面外偏心影响应变测量：由于墙体（砖、砂浆）由两种材料组成，具有不均匀性，用大标距的电阻应变片或机械引伸仪测量，或大标距的位移计等2钢筋混凝土框架梁柱节点组合体的抗震性能试验框架节点复杂的受力特征（水平荷载下）：以抗剪为主。2.钢筋混凝土框架梁柱节点组合体的抗震性能试验（续）一、试件和边界条件的模拟：十字型节点、上下左右反弯处截取试件由于节点受力的复杂性，试件比例不少于1/2并辅以足尺试件。柱端加载方案和梁端加载方案：区别在于P-Δ效应X形试件：梁有轴力、柱轴力可变。二、试验装置和加载设计梁柱节点组合体梁端加载试验装置柱端加载试验装置三、试验观测项目的测点布置（教材P149-150）《建筑抗震试验方法规程》(JGJ101-96)建议的几种试验加载装置(a)墙片试验装置(b)梁式构件试验装置(c)梁柱节点试验装置(d)测P-△效应的节点试验装置典型的拟静力试验加载系统7.2.4低周反复加载试验的数据资料整理需要整理的参数种类：滞回曲线（如下图左），强度、刚度、延性、退化率、耗能等。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3．骨架曲线：在低周反复加载试验的滞回曲线中，取所有各级荷载第一次循环的峰点连接的包络线作为骨架曲线，如上图右。4．延性系数：骨架曲线上结构破坏时的极限变形与屈服变形之比。5．退化率：分为强度退化率和刚度退化率。6．耗能：采用耗能系数（等效粘滞阻尼系数）表示。滞回曲线和骨架曲线的主要特征(1)曲线图形加载一周得到的荷载—位移曲线称为滞回曲线（滞回环）。(3)骨架曲线在变幅位移加载试验中，把每次滞回曲线的峰点都连接起来的包络线称骨架曲线。它反映了构件受力与变形的各个不同阶段及特性，是确定恢复力模型中特征点的依据。骨架曲线与单次加载曲线(1)强度有明显屈服点构件的屈服荷载无明显屈服点构件的屈服荷载(2)刚度(4)延性yu延性系数：(6)耗能等效粘滞阻尼系数：OBDABCeSSh21功比指数：yyiiswQQIiQi、—第次循环时卸载点的荷载和位移。i等效粘滞阻尼系数计算(7)不同加载制度引起的耗能差异单调加载曲线单调加载：初始刚度、屈服力、极限力、屈服位移及极限位移。okyQuQuy(a)每一控制位移加载一次(b)每一控制位移下反复三次(c)控制荷载超过屈服点的多次反复(c)控制荷载超过极限荷载的反复6、恢复力特性的模型比(a)双线型(b)三线型(c)Clough型(d)D-TRI型(e)NCL型(f)滑移型不同常数的NCL模型7.3拟动力试验1、方法：是由计算机进行数值分析并控制加载，即由给定地震加速度记录通过计算机进行非线性结构动力分析，将计算得到的位移反应作为输入数据，以控制加载器对试验结构进行试验。2、优缺点：可缓慢再现地震反应，观察破坏全过程，可做大模型试验。其缺点是不能再现真实的地震反应，只适用离散质量分布的结构，设备精度要求高。7.3.1拟动力试验的工作原理将计算机解结构动力微分方程与试验所得的荷载位移关系相结合，不事先假定结构的恢复力，边试验，边解方程，方程的解又反过来作为试验加载的控制值。所以这种方法是把计算机分析与恢复力实测结合起来的半理论半试验的非线性地震反应分析方法。拟动力试验原理框图如下。联机试验计算机加载流程框图7.3.2拟动力试验的加载设计和工作流程拟动力试验中计算机解运动微分方程的方法有多种，如线性加速度法、Newmark-β法、Wilson-β法等。下面以线性加速度法为例介绍试验流程。7.3.3拟动力试验的试验设备拟动力试验设备由四部分组成：电液伺服加载器、计算机、传感器、试验台架。1．电液伺服加载器。电液伺服加载器由加载器、控制系统、液压源三部分组成。它的控制参数可以是力、位移、速度、加速度等物理量。2．计算机。进行加载控制、数据采集、运动方程求解。3．传感器4．试验台架7.4地震模拟振动台试验加载设备：振动台；控制方式：模拟控制与数字控制；加载程序：一次加载和多次加载；优点：很好地反应应变速率对结构材料强度的影响。缺点：设备昂贵，不能做大比模型试验，不便于试验全过程观测。