第8章 土木工程结构抗震试验

第8章土木工程结构抗震试验8.1概述8.2结构伪静力试验方法8.3结构拟动力试验方法8.4结构模拟地震振动台试验8.5人工地震模拟试验8.6天然地震试验教学目标(1)熟练掌握结构抗震的低周反复加载试验；(2)了解拟动力试验内容；(3)掌握地震模拟振动台试验。1.任务和内容1.结构参数识别2.破坏机制分析3.抗震能力分析1.试件制作和安装2.数据采集和处理3.人员组织和分工1.试验模型设计2.试件数量选择3.试验方法确定4.试验仪器选择结构抗震试验分析试验目的结构抗震试验设计结构抗震试验结论8.1概述2.结构抗震试验分类：1.伪静力试验方法2.拟动力试验方法3.模拟地震振动台试验方法4.人工地震5.天然地震试验1.伪静力试验的基本概念伪静力试验方法一般以试件的荷载值或位移值作为控制量，在正、反两个方向对试件进行反复加载和卸载。8.2结构伪静力试验方法伪静力试验低周反复加载制度2.伪静力试验的加载装置电液伺服加载系统示意图1-冷却塔；2-电动机；3-高压油泵；4-电液伺服阀；5-液压加载器；6-试验结构；7-荷重传感器8-位移传感器；9-应变传感器；10-荷载调节器；11-位移调节器；12-应变调节器；13-记录及显示装置14-指令发生器；15-伺服控制器；16-竖向加载器；17-四杆联动机构加载设备：加载装置①梁式压弯构件试验装置。1-试件；2-荷载支承架；3-拉杆；4-双向液压加载器；5-荷载传感器；6-试验台座②砖石及砌块墙体试验装置模拟墙体受竖向荷载作用的伪静力试验装置1-试件；2-竖向荷载加载器；3-滚轴；4-竖向荷载支承架；5-水平荷载双作用加载器；6-荷载传感器；7-水平荷载支承架8-液压加载控制台；9-输油管；10-试验台座模拟墙体顶部受弯矩作用的伪静力试验装置1-试件；2-L型刚性梁；3-竖向荷载加载器；4-滚轴；5-竖向荷载支承架；6-水平荷载双作用加载器；7-荷载传感器；8-水平荷载支承架；9-液压加载控制台；10-试验台座；11-输油管③框架节点及梁柱组合件试验装置框架节点及梁柱组合体有侧移柱端加载试验装置1-试件；2-几何可变的框式试验架；3-荷载传感器；4-水平荷载加载器；5-竖向荷载加载器；6-试验台座；7-水平荷载支承架或反力墙框架节点及梁柱组合体梁端加载试验装置1-试件；2-柱顶球铰；3-柱端竖向加载器；4-梁端加载器；5-柱端侧向支撑；6-支座；7-液压加载控制台；8-荷载支承架；9-试验台座；10-荷载传感器；11-输油管3.伪静力试验的加载方法⑴伪静力试验应采用控制作用力和控制位移的混合加载法。⑵正式试验前、应先进行预加载，可反复试验两次。混凝土结构预加载值不宜超过开裂荷载计算值的30％；砌体结构不宜超过开裂计算值的20％。⑶正式试验时，宜先施加试件预计开裂荷载的40％~60％，并重复2—3次，再逐步加到100％。⑷试验过程中，应保持反复加载的均匀性及连续性，加载与卸载的速率应保持一致。⑸施加反复荷载的次数：屈服前，每级荷载可反复一次；屈服后，宜反复三次。当进行承载力或刚度退化试验时，反复次数不宜少于五次。⑹对于整体原型结构或结构整体模型进行伪静力试验时，荷载按地震作用倒三角形分布，施加水平荷载的作用点集中在结构质量集中的部位，即作用在屋盖及各层楼面板上。4.伪静力试验的测试项目（1）墙体试验：变形、应变、裂缝观测、开裂荷载以及极限荷载墙体侧向位移和剪切变形的测点布置1-安装在试验台座上的仪表支架；2-试件；3-位移计；4-试验台座墙体荷载-变形曲线量测系统1-试件；2-位移传感器；3-荷载传感器；4-台座；5-作动器；6-液压加载控制台；7-油管（2）钢筋混凝土框架节点及梁柱组合体试验⑴节点梁端或柱端位移⑵梁端或柱端的荷载—变形曲线⑶节点梁柱部位塑性铰区段转角和截面平均曲率⑷节点核心区剪切变形⑸节点梁柱主筋应变⑹节点核心区箍筋应变⑺节点和梁柱组合体混凝土裂缝开展及分布情况(8)荷载值与支承反力5.伪静力试验的数据整理要点（1）强度•开裂荷载cP---试件出现垂直裂缝或斜裂缝时的荷载---试件刚度开始明显变化时的荷载yP•屈服荷载---试件达到最大承载能力时的荷载uP•极限荷载⑷破坏荷载试件经历最大承载能力后，达到某一剩余能力时的荷载值。目前的试验标准和规程规定可取极限荷载的85％。（2）刚度结构刚度是结构变形能力的反映。结构在受地震作用后通过自身的变形来平衡和抵抗地震力的干扰和影响，而结构的地震反应将随着结构刚度的改变而变化。0KcKyKsK-加载初始刚度；-开裂刚度-屈服后刚度-屈服刚度uK-卸载刚度；低周反复加载时的刚度（3）骨架曲线在变位移幅值加载的低周反复加载试验中，骨架曲线是将各次滞回曲线的峰值点连接后形成的包络线。伪静力试验的骨架曲线（4）延性系数yu延性系数是最大荷载点相应的变形与屈服点变形之比：（5）退化率结构强度或刚度的退化率是指在控制位移作等幅低周反复加载时，每施加一次荷载后强度或刚度降低的速率。它反映在一定的变形条件下，强度或刚度随着反复荷载次数增加而降低的特性，退化率的大小反映了结构是否经受得起地震的反复作用。当退化率小的时候，说明结构有较大的耗能能力。（6）滞回曲线梭形弓形反S形Z形四种典型的滞回曲线8.3结构拟动力试验方法1.基本概念人们利用计算机直接来检测和控制整个试验，这种方法是将计算机分析与恢复力实测结合起来的半理论半经验的非线性地震反应分析方法，结构的恢复力模型不需事先假定，即通过直接量测作用在试件上的荷载和位移而得到解的恢复力特性，再通过计算机来求解结构非线性地震反应方程，这就是计算机联机试验加载方法，即拟动力试验。拟动力试验的加载设备与伪静力试验类似，一般由计算机、电液伺服加载器、传感器、试验台座等组成。2.试验设备3.操作方法和过程（1）输入地面运动加速度：nnnnxmFxcxm0（2）计算下一步的位移值：2112txxxxnnnntxxxnnn211（3）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4.拟动力试验的特点和局限性•拟动力试验能进行原型或接近原型的结构试验（1）特点•可以人为的缓慢地进行，特别是破坏过程，利于观察和研究（2）局限性•计算机的积分运算和电液伺服试验系统的控制都需要一定的时间，因此不是实时的试验分析过程。•拟动力试验要求有一定的设备和技术条件。•数值计算和静载试验两方面存在误差，导致试验精度降低。8.4结构模拟地震振动台试验1.模拟地震振动台在抗震研究中的作用（1）研究结构的动力特性、破坏机理和震害原因；（2）验证抗震计算理论和计算模型的正确性；（3）研究动力相似理论，为模型试验提供依据；（4）检验产品质量，提高抗震性能、为生产服务；（5）为结构抗震静力试验提供依据。模拟地震振动台2.模拟地震振动台的组成（1）振动台台体结构（2）液压驱动和动力系统（3）控制系统（4）测试和分析系统8.5人工地震模拟试验天然地震与人工爆破地震的加速度幅值谱（a）天然地震波的加速度幅值谱(b)18500kg炸药爆破时距爆心132m处自由场加速度幅值谱(c)500000kg炸药爆破时距爆心152m处自由场加速度幅值谱人工地震与天然地震之间尚存在一定的差异：人工地震(炸药爆破)加速度的幅值高、衰减快、破坏范围小；人工地震的主频率高于天然地震；人工地震的主震持续时间一般在几十毫秒至几百毫秒，比天然地震的持续时间短很多。8.6天然地震试验1.工程结构的强震观测地震发生时，特别是强地震发生时，以仪器为手段观测地面运动过程和工程结构物动力反应的工作称为强震观测。强震观测主要测定地震作用对工程结构的加速度反应。1964年6月日本新泻地震时秋田县府大楼东西向记录到得强震曲线2.专门建造天然地震试验场和工程结构地震反应观测体系为了观测结构受地震作用的反应，国外有在地震活动区专门建造的试验场地，在场地上建造试验结构，这样可以运用一切现代化测试手段获取结构在地震发生时的各种反应。目前世界上最负盛名的是日本东京大学生产技术研究所的千叶试验场，试验基地包括许多部分，抗震试验只是基本的一个组成部分。在抗震试验方面有大型抗震试验室、数据处理中心、化工设备天然地震试验场和房屋模型天然试验场等。本章小结1.伪静力试验方法几乎可以应用于各种工程结构或构件抗震性能研究，突出的优点是它的经济性和实用性，从而使它具有应用上的广泛性。2.拟动力试验是将计算机技术直接应用于检测和控制试验加载，这种模拟试验方法更接近地震反应的真实状态。拟动力试验的特点是把计算机分析与恢复力实测结合起来的一种半理论半试验的非线性地震反应分析方法。3.地震模拟振动台试验是较为理想的试验方法，它可以重现地震过程，在试验室中研究工程结构地震反应和破坏机理，但是受振动台台面的限制，仅做结构缩尺模型的抗震试验，且振动台一次性投资较大。4.人工地震模拟试验是利用炸药爆破产生的地震波进行工程结构抗震研究，采用调整炸药用量、爆心与试验对象的距离等措施，可以取得满意的试验结果。但是试验费用较高，控制难度较大。5.天然地震结构试验可以得到实际地震时地面运动的过程和建筑物在强地震下的振动过程，提供客观的实测数据。该方法费用高，难度大。