结构抗震试验概论

高等结构试验参考书：朱伯龙主编结构抗震试验姚振纲主编建筑结构试验高等结构试验结构抗震试验概论（2）结构试验相似理论（4）结构模型试验（4）低周反复加载试验振动台试验结构动力特性试验结构抗震研究地震震害调查结构振动理论结构抗震试验1.试验时结构本身可以控制，其性能已知2.试验时可选择地震作用3.试验可研究某一因素的影响结构抗震试验的缺点结构模型和地基条件与实际不符合材料性质上的差别模型尺寸影响结构构造差别地震作用的大小、方向不同结构抗震试验的任务确定结构的动力特性确定结构构件在地震作用下的恢复力特性研究结构或构件的破坏机理和破坏特性验证抗震措施或加固措施的有效性在给定的地震作用下测定结构的地震反应结构抗震试验再现地震反应输入——地面运动（地震工作者研究）系统——结构本身的自振特性输出——结构的地震反应（加速度、速度、位移）输入——系统——输出地震波三要素地震波峰值地震波的频谱地震波持续时间地震波峰值7度——0.1~0.15g8度——0.2~0.25g9度——0.4~0.45g多遇地震——1/3基本烈度罕遇地震——2基本烈度地震波的频谱同一结构建在不同的场地，对于同样的地震，破坏形式不一样地震作用频率——0.5~33Hz特征周期1.Ⅰ类场地土——0.25~0.35S2.Ⅱ类场地土——0.35~0.45S3.Ⅲ类场地土——0.45~0.65S4.Ⅳ类场地土——0.65~0.90S地震持续时间地震持续时间长危险大高应变下的疲劳反应谱不能反映地震持续时间（时程分析、振动台试验）结构抗震试验分类静力试验1.周期性试验——低周反复加载试验2.非周期性试验——拟动力试验动力试验1.周期性试验——激振器加载、振动台加载2.非周期性试验——模拟地震振动台、人工爆炸模拟地震、天然地震结构抗震静力试验以静力加载方式模拟地震对结构的作用周期性静力加载试验——按一定的力或位移对结构或构件作周期性的反复加载试验——伪静力试验、低周反复加载试验1.20世纪50年代研究结构的恢复力模型2.20世纪60~70年代通过滞回面积研究结构的耗能非周期性静力加载试验——通过每一时刻加振器静力加载获得的结构恢复力，计算结构在下一时刻的地震反应，并按这一位移的大小和方向进行下一次的加载，以求得新的恢复力——拟动力试验结构抗震动力试验加载频率大于结构自振频率，可以提供一定的应变速率，反映应变速率对结构试验的影响周期性动力加载试验1.在结构上安装激振器加载2.采用电液伺服加振器加载3.采用周期性振动台加载结构抗震动力试验非周期性动力加载试验1.模拟地震振动台试验2.人工爆破模拟地震试验3.天然地震试验国内外结构抗震试验概况试验目的1.研究结构恢复力特性2.为改善结构的抗震能力进行不同方案的试验比较3.为改进规范条文提供科学依据国内外结构抗震试验概况抗震试验设备1.静力试验设备——电液伺服加载系统、计算机联机试验2.动力试验设备——多自由度模拟地震振动台3.试验数据采集与处理国内外结构抗震试验概况构件类型和材料品种1.构件类型——梁、柱、框架、节点、剪力墙、整体结构2.材料——钢筋混凝土、劲性混凝土、砖、砌块、石料、土国内外结构抗震试验概况恢复力特性的模型化和恢复力曲线的计算1.砌体破坏阶段剪力——滑移模型（吕西林）2.砌体结构半退化三线型模型（朱伯龙）3.考虑裂面效应的混凝土等效应力—应变关系（朱伯龙）抗震试验的国际合作结构试件设计试件形状的选择试件尺寸与数量的确定构造措施试件形状造成和试验目的相一致的应力状态必须注意边界条件的模拟试件尺寸尺寸效应——截面越小，强度越高1.确定一合理尺寸，使强度趋向稳定2.确定尺寸效应的关系，求得强度折减系数构造效果小尺寸试件很难满足构造要求钢筋表面要求——光圆和螺纹石子要求——石子粒径应满足钢筋之间浇捣要求振捣要求——试件越小越难振捣立方体试块要求——大小、同一性设备条件吊车起吊能力试验室净空条件试验加载设备试验台座反力墙经费可能在满足试验要求的前提下，一般情况下试件尺寸愈小愈经济要处理好试件尺寸、数量之间的关系要求反映构造特点的试件尺寸可适当大一些，力求接近实际以研究破坏机制为主的可适当小一些，以增加试件数量钢筋混凝土试件尺寸基本构件——1010~5050cm节点——1/2~1框架结构——1/4~1/2剪力墙——1/10~1/3高层建筑模型——1/15~1/50，1/100（有机玻璃模型）桥梁——1/10~1/50砖石及砌体结构试件尺寸静力试验——1/2~1动力试验——1/6~1/4试件数量试件数量直接关系到试验工作量和是否满足试验任务的要求，同时受试验经费和时间期限的限制分析因子——参与研究问题有决定性的影响参数水平数——同一参数的几种状态钢筋混凝土试件分析因子钢筋强度混凝土强度配筋率配箍率剪跨比轴向应力砌体结构抗剪强度试验分析因子1.砌体截面积A2.砂浆强度fm3.垂直压应力0砖砌体试件试验数据试件号截面积（m2）砂浆强度（MPa）垂直压应力（MPa）抗剪强度(MPa)10.20.50.0640.09020.3020.24032.50.0640.16940.3020.40750.70.50.0640.06460.3020.16072.50.0640.11180.3020.275试件组合数分析因子数水平数23451234524916253827641254168125662553224310243125试件数量设计正交试验设计法1.选择正交表2.综合评价总体设计分批进行1.水平数不变2.分析因子数不变正交表L4(23)试件号列号1231111212232124221砖砌体试件试验数据试件号截面积（m2）砂浆强度（MPa）垂直压应力（MPa）抗剪强度（MPa）平均值（MPa）10.20.50.0640.0900.24842.50.3020.40750.70.50.3020.1600.13672.50.0640.111砖砌体试件试验数据试件号砂浆强度（MPa）截面积（m2）垂直压应力（MPa）抗剪强度（MPa）平均值（MPa）10.50.20.0640.0900.12550.70.3020.16072.50.70.0640.1110.25940.20.3020.407砖砌体试件试验数据试件号垂直压应力（MPa）砂浆强度（MPa）截面积（m2）抗剪强度（MPa）平均值（MPa）10.0640.50.20.0900.10272.50.70.11140.3022.50.20.4070.28450.50.70.160正交试验设计法的优缺点优点——大大减少试件数量，当因子数为5，水平数为4时，试件由1024降为16根缺点——不能建立单个因子与试验目的之间的函数关系，不能定量研究结构的抗震性能。总体设计分批进行水平数不变，设为31.分析因子数1，试件为3个，试验曲线为1条2.分析因子数2，试件为5个或9个，试验曲线为3条3.分析因子数3，试件为27个，试验曲线为9条总体设计分批进行分析因子数不变1.水平数为2，试件8根，曲线4条2.水平数为3，试件27根，曲线9条水平数越多，每根试件的贡献越小试验误差试件尺寸误差材料强度误差试件安装误差试验设备误差试验方法非标准误差数据分析误差试件尺寸误差外形尺寸误差1.钢筋混凝土构件不可能做到与设计尺寸一致2.砌体构件尺寸受施工砌筑及材料本身尺寸的影响3.钢结构试件中钢板、型钢尺寸偏差在制作条件良好的情况下影响承载能力1~2%试件尺寸误差钢筋位置偏差1.主筋、箍筋绑扎时的偏差2.振捣混凝土时引起的骨架变形由于主筋位置偏差改变了混凝土构件截面的有效高度h0，影响承载能力4~6%。减少尺寸误差的方法试验前量测试件的实际外形尺寸试验后敲开混凝土，量测保护层实际厚度和钢筋的准确位置理论分析中采用实测尺寸材料强度误差试件的实际材料强度与名义值（标准试块确定）之间的差别所产生的误差材料强度误差混凝土——要求试块和试件具有同一性1.具有相同的混凝土（同一次拌和）2.具有相同条件的外模3.具有相同的振捣条件4.具有相同的拆模时间5.具有相同的养护状况6.具有相同的试验时刻材料强度误差影响砌体强度的因素1.块材的强度2.砂浆的强度及和易性3.砌筑时块材的湿润程度4.砌筑者的技术水平（误差达50%）5.试验时的龄期材料强度误差保持砌体试块和试件同一性的方法1.每批试块和试件采取分皮流水作业——减少因砌筑者水平不同引起的差异2.每皮砌完后所拌砂浆不足以砌完下一皮时，宁可放弃重拌。3.所用块材力求材质均匀，同等条件浸湿强度误差可控制在10~15%材料强度误差钢材1.同级同批同直径的钢筋屈服强度误差5~8%2.同一根钢筋取样产生的误差1~2%试件安装误差试件划线误差支座、加力点与划线对中不准的误差支座长度方向不平或试件底部不平引起的试件扭转或出平面变形支座太紧、摩擦力抵销一部分作用力安装引起的误差可控制在1~3%试验设备误差材料试验机的精度和实验者的读数误差试验加载装置的精度和实验者的读数误差传感器精度和实验者读数误差数据采集和记录设备内部元器件引起的误差对试验机、加载装置、传感器、记录设备进行定期标定，采用自动记录装置试验方法非标准引起的误差混凝土和砌体在临近破坏时，加载时间越长，强度越低（5~8%）在进行反复荷载加载试验时，当确定荷载大小后，还应确定加载时间数据分析误差曲线数字化时产生的误差数字绘制曲线时产生的误差试验误差系统误差——不因人而异的误差非系统误差——因人而异的误差有些误差很难减少——材质本身不均匀产生的误差（砌体结构中最严重）