第六章 结构拟静力与拟动力试验

第六章结构拟静力与拟动力试验安徽工业大学建工学院一、拟静力试验1.概述♦用静力方法研究地震作用下构件的受力和变形性能；用低周往复循环加载的方法对结构构件进行静力试验，试验中控制结构的变形值或荷载量，使结构构件在正反两个方向反复加载和卸载，用以模拟结构在地震作用下的受力过程。♦通过试验获得结构构件超过弹性极限后的荷载－变形工作性能和破坏特征，用以比较和验证抗震构造措施的有效性和确定结构的抗震极限承载能力的可靠性，进而为建立数学模型进行结构抗震非线性计算机分析提供依据。目的：拟静力试验，也称伪静力试验，低周反复荷载试验，属于工程结构抗震试验；基本原理：一、拟静力试验2.加载设备与加载反力装置♦加载设备：推拉千斤顶或电液伺服作动器♦拟静力试验加载装置的设计应根据不同结构或试件研究的目的，提供与实际结构受力情况尽可能一致的模拟边界条件，即尽可能使试件满足试验的支承方式和受力条件的要求。♦加载反力装置：包括竖向反力装置和水平向反力装置，如反力墙、反力台座、专用的水平反力架、钢结构竖向反力架等；加载装置类型①.以剪切变形为主的构件试件上下对称，推拉千斤顶或作动器安装在试件的1/2高度上，平行联杆机构的杠杆和L型杠杆均应有足够的刚度，连接铰应作精密加工，尽可能减小间隙和摩阻力。一、拟静力试验2.加载设备与加载反力装置加载装置类型②.以弯剪变形为主的构件垂直荷载的施加宜采用仿重力荷载架，尽可能减小滚动摩擦力对推力抵消作用。一、拟静力试验2.加载设备与加载反力装置加载装置类型③.梁柱节点垂直水平力加于柱顶，梁有纵向反复位移，但不可上下移动。竖向荷载用千斤顶在柱顶施加，属自平衡系统，在反复水平力作用下其柱顶上压力不随柱顶位移而改变，从而能计入几何非线性的影响。为此，该装置可模拟实际框架结构节点的受力状态。但为了简化，取相邻梁（或相邻柱）反弯点间距离为节点的梁长（柱高），这样节点试件的上下和左右杆端均可按铰接处理。一、拟静力试验3.加载制度与加载方法单向反复加载制度①变形控制加载法♦单向反复加载制度有变形控制加载、荷载控制加载以及荷载－变形双控制加载3种方法；♦目前在结构抗震恢复力特性试验中使用最为普遍和最多的一种加载方法；♦加载过程中以位移为控制值，以屈服位移的倍数作为加载的控制值，这里位移的概念是广义的，它可以是线位移，也可以是转角、曲率或应变等相应的参量。当构件不具有明确的屈服点时（如轴力大的柱子）或干脆无屈服点时（如无筋砌体），往往由研究者主观制定一个认为恰当的位移值来控制试验加载。一、拟静力试验3.加载制度与加载方法单向反复加载制度①变形控制加载法将变幅、等幅两种加载制度结合起来运用，可以综合地研究构件的性能，其中包括等幅加载法的强度和刚度变化，以及变幅加载时，特别是大变形增长情况下强度和耗能能力的变化，采用这种加载制度时，等幅部分的循环次数应随研究对象和要求的不同而异，一般可选3～6次。根据控制位移值规律的不同变幅加载等幅加载变幅等幅混合加载这种加载制度每加载一周后，都会增加位移的幅值，当对一个构件的性能不太了解，作为探索性的研究或者在确定恢复力模型的时候，多用变幅加载来研究构件的强度、变形和耗能的性能。主要用于研究构件的强度退化和刚度退化规律。一、拟静力试验3.加载制度与加载方法单向反复加载制度该加载制度在两种大幅值控制位移之间有几次小幅值位移循环，这是为了模拟构件承受二次地震作用，其中小循环加载用来模拟余震的作用。一、拟静力试验3.加载制度与加载方法单向反复加载制度②荷载控制加载法通过控制施加于结构或构件的作用力数值的变化来实现低周反复加载的要求，与变形控制加载方法不同，变形控制加载法可以直观的根据试验对象屈服位移的倍数来研究结构的恢复特性。③荷载－变形双控制加载法试验中先控制作用力后控制位移的加载方法，用荷载控制法加载时，并不考虑实际位移是多少，由初始设定的控制力值开始加载，逐级增加控制力，经过结构开裂阶段后，一直加到试件屈服，再用位移控制加载，直到结构破坏。一、拟静力试验3.加载制度与加载方法单向反复加载制度③荷载－变形双控制加载法我国规范规定的加载制度《混凝土结构试验方法标准》中给出的加载方法和加载程序，要求根据结构构件特点和试验研究目的确定，并应符合相关规定，见教材P79。一、拟静力试验3.加载制度与加载方法双向反复加载制度♦为了研究地震作用对结构构件的空间组合效应，克服结构构件在采用单方向（平面内）加载时，不考虑另一方向（平面外）地震作用对结构影响造成的局限性，可在、两个主轴方向同时施加低周反复荷载；（1）X、Y轴双向同步加载（2）X、Y轴双向非同步加载一、拟静力试验4.量测方案♦拟静力试验量测内容可根据试验研究的目的而定，不同试验结构构件有不同的量测内容，以梁柱节点为例，通常有以下量测项目；（1）荷载及变形（2）塑性铰区段曲率或转角（3）节点核心区剪切角（4）梁柱纵筋应力（5）核心区箍筋应力（7）裂缝（6）钢筋滑移一、拟静力试验5.数据分析♦低周反复加载试验的结果通常由荷载－变形滞回曲线以及相关参数描述，它们是研究结构抗震性能的基础数据；♦进行结构抗震性能研究时，根据骨架曲线和滞回曲线，可从结构的承载力、延性、退化以及能量耗散等方面进行综合分析来评定结构的抗震性能。荷载－位移曲线的各级第一循环的峰点（卸载顶点）连接起来的包络线作为骨架曲线♦滞回环的形状随反复加载循环次数的增加而改变，对混凝土结构来说，滞回环的形状可以反映钢筋的滑移或剪切变形的扩展情况，其面积的缩小，标志着耗能能力的退化，因此可根据滞回环的形状和面积来衡量和判断试验构件的耗能能力和破坏机制；♦骨架曲线在研究非线性地震反应时，反映了每次循环的荷载－变形曲线达到最大峰点的轨迹及试验构件的开裂荷载、极限荷载和延性特征；一、拟静力试验5.数据分析抗力与变形开裂荷载取试验结构或构件出现第一条垂直裂缝或斜裂缝时的荷载屈服荷载和屈服变形取试验结构构件在荷载稍有增加而变形有较大增长时所能承受的最小荷载和其相应的变形为屈服变形极限荷载取试验构件所能承受的最大荷载值破坏荷载和极限变形在试验过程中，当试验构件丧失承载力或超过极限荷载后，下降到0.85倍极限荷载时，所对应的荷载值即为破坏荷载，其相应变形为极限变形Δu一、拟静力试验5.数据分析延性系数μ=Δu／Δy结构构件的延性系数荷载下降段相应于破坏荷载的变形延性系数是试验结构构件塑性变形能力的一个指标，按下式计算：相应于屈服荷载的变形一、拟静力试验5.数据分析退化率强度降低系数位移延性系数为j时，第1次加载循环的峰点荷载值退化率反映试验结构构件抗力随反复加载次数增加而降低的指标。当研究强度退化时，用强度降低系数表示并按下式计算：位移延性系数为j时，第i次加载循环的峰点荷载值,min1,maxijijQQ一、拟静力试验5.数据分析退化率环线刚度位移延性系数为j时，第i次加载循环的峰点位移值当研究刚度退化时，即在位移不变条件下，随反复加载次数的增加而刚度降低的情况，用环线刚度表示并按下式计算：位移延性系数为j时，第i次加载循环的峰点荷载值11nijiinijiQk一、拟静力试验5.数据分析能量耗散12ABCeOBDShS二、拟动力试验1.概述真实模拟地震对结构的作用拟动力试验又称联机试验，是将地震实际反应所产生的惯性力作为荷载施加在试验结构上，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。目的：二、拟动力试验1.概述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计算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量测和数据采集，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关系，再由计算机算出下一次加载后的变形，并将计算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。基本原理二、拟动力试验1.概述拟动力试验，其实质就是按照某种确定性的地震反应进行加载，而由于结构的恢复力模型未知，运动方程无法求解，故采用“边试验、边求解”的方法分步得到实测的结构恢复力模型，然后可完成整个试验加载过程。基本原理通过计算机分步求解结构非线性地震反应微分方程二、拟动力试验2.试验设备拟动力试验的加载设备一般由计算机、加载装置与加载控制系统等组成。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它反应参数，如应变、位移等进行演算和处理。（利用分步试验结果，求解动力方程，根据某一时刻的地面运动加速度计算结构位移，并以此控制加载系统）根据该时刻由计算机传来的位移指令转换为电压信号输入，用于电液伺服系统，使加载器按指定指令工作。加载设备可利用拟静力试验设备，但必须可联机控制加载，同时其承载能力应大于试验设计荷载的150％。二、拟动力试验3.试验步骤拟动力试验是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预定试验过程的，主要试验步骤包括：（1）在计算机系统中输入地震加速度时程曲线，并按一定的时间间隔数字化；二、拟动力试验4.试验数据的整理与分析原始数据反映结构性能的数据、公式、图表等人工记录或计算机采集的试验数据不能直接说明试验的结果或解答试验所提出的问题整理换算、统计分析、归纳演绎数据处理如测量应变来计算出结构的应力（或内力）分布；由结构的加速度数据积分计算出其速度、位移等二、拟动力试验4.试验数据的整理与分析试验数据的取舍试验误差及误差分析试验结果的表达试验数据的取舍量测数据修约《数值修约规则》教材P88异常数据的剔除3σ准则格拉布斯（Grubbs）方法肖维纳（Chauvenet）准则在测量中，有时会遇到个别测量值的误差较大，并且难以解释，这些个别数据就是所谓的异常数据，应该把它们从试验数据中剔除。二、拟动力试验4.试验数据的整理与分析试验误差及误差分析被量测的物理量的真实值与量测值之间的偏差称为误差，误差是必然存在的误差的类型（性质划分）过失误差系统误差随机误差误差分析粗心大意、操作不当或思想不集中所造成的，是可以避免的仪器的缺陷、外界因素的影响或观测者感觉器官的不完善等固定原因引起的，难以消除其全部影响，服从一定的规律、符号相同，对量测结果有积累影响的误差。由于各种随机（偶然）因素所引起的可以避免的误差，其大小和符号各不相同，其特点见教材P91系统误差及过失误差均可以通过采取一定的措施，加强量测人员的技术水平和工作责任心来加以避免；随机误差是由一些偶然因素造成的，虽然其大小和符号均难以预计，但从统计学的观点而言，它是服从统计规律的。二、拟动力试验4.试验数据的整理与分析试验结果的表达表达方式表格法图形法函数方式曲线图形态图谢谢！