结构动力特性分析

2019/9/301第七章结构动力特性分析第一节结构抗震试验方法简介第二节动力性能的一般特性第三节基本构件的动力特性第四节整体结构的动力性能第五节恢复力曲线模型第六节系统识别理论2019/9/302第一节结构抗震试验方法简介结构抗震试验的主要任务是构件或结构的动力破坏机理与破坏特征，确定结构的动力特性，为结构的动力理论模型提供基础。结构试验主要类型有：自振特性试验、周期性反复静力加载试验、振动台试验和拟动力试验。2019/9/303第一节结构抗震试验方法简介（续一）一、自振特性试验二、周期性反复静力加载试验三、振动台试验四、拟动力试验2019/9/304一、自振特性试验自振特性试验以获取或确定结构的自振周期、振型和阻尼为目的。实用的方法通常有三种：1、自由振动法2、共振法3、脉动法。2019/9/3051、自由振动法自由振动法利用阻尼振动衰减原理求取自振特性。该法借助一定的张拉释放装置或反冲激振器使结构在一定的初位移（或初速度）状态下开始自由衰减振动，通过记录振动衰减曲线，便可利用动力学理论求出自振周期。自振衰减曲线上两个相邻波峰之间即等于结构自振周期。动力特性测定2019/9/3061、自由振动法动力特性测定放大器桥盒动态电阻应变仪光线示波器结构物撞击拾振器位移传感器自由振动衰减量测系统2019/9/307自由振动时间历程曲线有阻尼自由振动的运动方程：)sin()(textxtm—阻尼比—衰减系数Tnn1ln1ln1nnT1ln21nn；；自振频率：即基本周期的倒数。2019/9/3082、共振法共振法采用能产生稳态简谐振动的起振机或激振器作为振源。实验时，把激振器安装在结构适当位置，当逐渐加大激振器的输出力量时，可以迫使结构产生周期性的强迫振动。在一定输出力量下，逐渐改变激振器的激振频率，则可促成结构的共振反应。通过测量结构振动反应的幅值，可以得到共振曲线和振型曲线。通过对共振曲线的分析，可以获得结构的自振频率和振型阻尼比2019/9/3092、共振法（振动荷载法）功率放大器信号发生器激振器频率仪试件放大器放大器放大器放大器记录仪相位计拾振器共振法测量原理框图2019/9/3010共振时的振动图形和共振曲线由共振曲线求阻尼系数和阻尼比221衰减系数：0阻尼比：参数测定2019/9/3011用共振法测建筑物振型2019/9/30123、脉动法脉动：由于人为活动和自然环境的影响，建筑物在一般情况下都经常产生微幅振动（振动以微米计）。这种微幅振动称之为建筑物的脉动。脉动法：是通过测量建筑物的脉动反应波形来确定建筑物的动力特性。脉动信号的功率谱峰值对应着结构的固有频率。2019/9/3013二、周期性反复静力加载试验拟静力试验：周期性加载是指按一定的力或位移周期性地反复或重复加载。拟静力试验始于50年代后期、为确定构件和结构的恢复力模型进行的。根据试验所得的荷载位移关系曲线反映结构耗能能力的强弱，观察并研究结构破坏机理。拟静力试验加载试验装置的基本组成部分为：反力装置,加载器,试验台座。2019/9/3014二、周期性反复静力加载试验大型结构试验反力墙设备2019/9/3015二、周期性反复静力加载试验1．静力试验加载制度的分类（1）单向反复加载1）控制位移加载法又可分为变幅加载、等幅加载和变幅等幅混合加载等方法。a．变幅加载控制位移的变幅加载如图8-1(a)所示。（a）控制位移（b）控制作用力图8-1伪静力试验低周反复加载制度2019/9/3016二、周期性反复静力加载试验b．等幅加载控制位移的等幅加载如图8-2所示：c．变幅等幅混合加载混合加载制度是将变幅、等幅两种加载制度结合起来，如图8-3所示。图8-2控制位移的等幅加载制度图图8-3控制位移的变幅等幅混合加载制度2019/9/3017二、周期性反复静力加载试验2）控制作用力加载法控制作用力的加载制度如图8-1(b)所示。3）控制作用力和控制位移的混合加载法混合加载法是先控制作用力，一直加到屈服荷载，再用位移控制。从转变为控制位移加载起，即按屈服位移值的倍数μ值控制，直到结构破坏。2019/9/3018三、振动台试验60年代末，先后在日本、美国开展振动台的研制和试验。我国在60～70年代，建造部分侧重于进行正弦波振动试验的振动台，80年代建造了一批大、中型地震模拟振动台试验目的：了解结构抗震性能、破坏机制、验证计算模型的正确性振动台组成：台体、激振器、控制系统、测量记录系统、数据处理系统等部分。2019/9/3019三、振动台试验交通银行大厦振动台试验2019/9/3020三、振动台试验试验四个过程：结构自振特性的标定、线性阶段的试验、非线性阶段的试验和极限破坏试验。技术难点在于如何处理试验模型与原型的相似关系问题。一般采取增加附加质量的方法来满足密度相似要求。2019/9/3021四、拟动力试验拟动力试验（又称为伪动力试验或计算机-加载器联机试验），即是指计算机与试验机联机对试件进行加载试验。拟动力试验：把电液伺服试验装置与计算机控制系统结合起来，利用加载试验给出结构恢复力的实际数据，利用计算机数值分析技术给出加载试验的逐步控制数据，为原型结构模拟地震试验。2019/9/3022四、拟动力试验输入地面运动加速度，计算下一步的位移值，位移值的转换，量测恢复力及位移值，由数据采集系统进行数据处理和反应分析。整个试验工作的流程是连续循环进行的，全部由计算机自动控制操作。拟动力试验具有以下特点：拟动力试验在整个数值分析过程中不需要对结构的恢复力特性作任何假设，这对于分析非线性的系统性能特别有利。2019/9/3023四、拟动力试验地震模拟振动台试验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，且彼此配重不足，不能很好满足相似条件，特别是进入弹塑性阶段工作时，更不可能满足相似条件，导致地震作用破坏形态失真；拟静力试验只能得到构件或结构在反复荷载作用下的恢复力滞回特性，不能得到结构地震反应全过程；而拟动力试验则是加载试验技术与计算机技术相结合的当代先进的抗震试验方法，可以进行大比例模型或足尺结构抗震试验，可慢速再现结构在地震作用下的弹性一弹塑性一倒塌全过程反应，这是具有广泛发展前途的抗震试验方法。2019/9/3024第二节动力性能的一般特性一、动力弹性模量与动力极限强度二、恢复力曲线三、强度退化与刚度退化四、裂面效应与包兴格效应2019/9/3025一、动力弹性模量与动力极限强度结构材料承受动荷载时的性能与承受静荷载时的性能往往有较大的差别。动力弹性模量高于静力弹性模量。动力极限强度也高于静力极限强度。2019/9/3026二、恢复力曲线滞回曲线：结构或构件在力循环往复作用下得到的力--变形曲线。骨架曲线：滞回曲线的外包络线。多数情况中，骨架曲线与单调加载的力－变形曲线基本一致。恢复力曲线：滞回曲线与骨架曲线合称为恢复力曲线，它表示构件或结构的变形履历过程。2019/9/3027二、恢复力曲线恢复力代表构件或结构在外荷载去除后恢复原来形状的能力。循环往复加载：正向加载--卸载--反向加载--反向卸载--再正向加载重复加载：加载--卸载--再加载2019/9/3028三、强度退化与刚度退化在循环往复荷载作用下，当保持相同的峰点位移时，常常出现峰值荷载随循环次数增多而降低的现象，称作强度退化。2019/9/3029三、强度退化与刚度退化当保持相同的峰值荷载时，峰点位移往往随循环次数增加而增加，称作刚度退化。退化性质反映结构累积损伤的影响，是结构动力性能的重要特性之一。2019/9/3030四、裂面效应与包兴格效应裂面效应即裂面接触效应，也就是在反复荷载下的钢混材料，开裂的砼再受压时，具有裂面局部接触以传递压力的效应。造成裂面效应的根本原因是在裂面重新受压时，骨料咬合作用使裂缝在完全闭合之前就已传递较大的压力。试验指出，裂缝越宽，裂面接触效应越显著。2019/9/3031四、裂面效应与包兴格效应循环往复加荷荷载变位曲线的另一特点是屈服后反向加载时应力可能明显降低，这一现象称之为包兴格效应。2019/9/3032第三节基本构件的动力特性一、钢筋混凝土构件二、钢结构构件三、砌体构件2019/9/3033一、钢筋混凝土构件1、受弯构件；2、压弯构件；3、受扭构件；4、梁-柱节点；5、剪力墙；2019/9/30341、受弯构件受弯构件：受弯构件是指没有轴力影响，且以弯矩作用为主的梁式构件。在循环往复荷载下的破坏属于纤维性破坏，即受拉钢筋超过屈服应力后受压钢筋压曲而破坏，因此，构件具有较大的延性。对比试验表明，对称配筋梁具有较好的延性，耗能能力亦较非对称配筋梁好。加密箍筋可以增加耗能能力，但不能完全消除捏拢现象。2019/9/30351、受弯构件钢筋屈服前，循环往复荷载下梁的骨架曲线与单调加荷时梁的力——变形曲线基本重合，滞回环基本呈稳定的梭形，刚度与强度退化均较小。而在钢筋屈服以后，由于钢筋的包兴格效应、混凝土裂缝的开张与闭合、钢筋与混凝土之间粘结力的破坏，滞回曲线将出现“捏拢”现象，同时，刚度退化现象亦渐趋明显。2019/9/30361、受弯构件剪力的存在不利于受弯构件良好地发挥抗震性能。图（a）剪力相对较小，滞回曲线基本呈“梭形”，图（b）剪力较大，滞回环呈现显著的“捏拢”现象，耗能能力明显降低。2019/9/30372、压弯构件压弯构件主要模拟框架或排架柱的受力情况。由于轴力的存在，使构件延性降低，耗能能力减小。在无轴力情况下，滞回环最为丰满，随着轴压比的提高，滞回环呈捏拢现象，最终成为所谓“弓形”的滞回曲线。2019/9/3038二、钢结构构件1、梁与柱2、梁－柱节点连接3、梁－柱节点域4、支撑2019/9/30391、梁与柱钢是一种良好的抗震材料，然而这种说法是有条件的，在循环往复荷载作用下整体或局部的失稳与低周疲劳断裂都有可能导致钢结构构件出现非延性破坏。2019/9/30402、梁－柱节点连接钢结构的梁－柱节点连接，有全焊接、翼板焊接、腹板螺栓连接和全螺栓连接等诸多形式。良好的焊接节点（包括翼板焊接、腹板螺栓连接节点）具有稳定的滞回性能，而螺栓连接节点则可能因螺栓的滑动使滞回环呈滑移形式。2019/9/30413、梁－柱节点域钢框架中的梁－柱节点域在梁不平衡弯矩和柱端剪力作用下，会产生较大的剪切变形，对结构的内力和变形均有较大影响。满足局部稳定条件的梁－柱节点域具有饱满、稳定的滞回曲线。2019/9/30424、支撑单件支撑在不同变形幅度下的循环往复试验滞回曲线典型情况如图。这一发现导致人们曾试图将两个交叉支撑视为两个单杆支撑，利用单杆支撑的滞回性质来集合交叉支撑的滞回性质。但后来的研究表明，这种近似难以反应两支撑间的相互作用影响。2019/9/3043第四节整体结构的动力性能一、周期与阻尼二、内力重分布与变形集中三、双向地震作用四、扭转反应2019/9/3044一、周期与阻尼对建筑物进行大规模的自振特性的观测，积累了数以千计的试验数据，得到经验公式，按我国试验数据总结的常见结构基本周期计算公式。2019/9/3045一、周期与阻尼结构自振周期的大小与结构的变形阶段密切相关。上述经验结果一般是指在弹性变形状态下的值。在非线性变形状态下，结构自振周期是一个变量。带构造柱多层砖房试验结果说明，开裂后，结构第一频率下降约一半，相当于结构刚度降低4倍；开裂后，较高振型振动所消耗能量显著增加。2019/9/3046二、内力重分布与变形集中在循环往复荷载作用下，由于荷载的反向作用和结构内部的累积，使内力重分布规律更趋复杂而不易掌握。钢筋混凝土框架结构的弹塑性性能及破坏机理，除与其基本构件的恢复力特性密切关系外，还与结构中塑性铰形成的过程有重要关系。在框架结构首先出现梁塑性铰后，若能使框架在内力重分配中依次较均匀地出现塑性铰，则框架结构将具有最好的延性。2019/9/3047二、内力重分布