地震工程学---第五章结构动力特性

地震工程学1第五章结构动力特性及其模型化5.1结构抗震实验方法概述5.2动力性能的一般特点5.3基本构件的动力性能5.4整体结构的动力性能5.5恢复力模型结构抗震实验的主要任务•研究构件或结构的破坏机理与破坏特征•确定结构的动力特性•检验结构的计算模型结构抗震实验的主要类型：•自振特性试验•周期性反复静力加载试验•拟动力试验•振动台试验•远程网络协同试验•现场试验5.1.1结构抗震实验方法5.1结构抗震实验方法概述李政道的物理学家两定律•没有实验物理学家，理论物理学家就要漂浮不定。•没有理论物理学家，实验物理学家就会犹豫不决。5.1结构抗震实验方法概述“Atheoryissomethingnobodybelieves,exceptthepersonwhomadeit.Anexperimentissomethingeverybodybelieves,exceptthepersonwhomadeit.”―AlbertEinstein自振特性试验(模态测试)5.1结构抗震实验方法概述基本试验方法：（1）自由振动法（2）脉动法（3）环境激励下模态测试频域方法：峰值法PP、频域分解法FDD、最大似然估计法MLCFDE、多参考最小二乘复频域法PolyMAX时域方法：时间序列分析法ARMA、随机减量技术RDT、自然激励技术及特征值实现算法(NExT+ERA)、最小二乘复指数法LSCE、随机子空间算法SSI周期性反复静力加载试验•基本试验原理：加载具有周期性、且时间尺度远大于地震动时间过程，即以静力方式模拟地震作用又称低周反复试验5.1结构抗震实验方法概述10000kN大型多功能结构试验机5.1结构抗震实验方法概述周期性反复静力加载试验5.1结构抗震实验方法概述周期性反复静力加载试验5.1结构抗震实验方法概述爆炸模拟地震试验试验主要测量内容包括管道应变、管道加速度、管线接口变形、地表加速度等，针对不同的测量内容，采用了不同的装置。爆炸模拟地震试验5.1结构抗震实验方法概述A1X加速度时程：Time[sec]10.950.90.850.80.750.70.650.60.550.50.450.40.350.30.250.20.150.10.050Acceleration[m/sec2]6420-2-4-6A1Y加速度时程：Time[sec]10.950.90.850.80.750.70.650.60.550.50.450.40.350.30.250.20.150.10.050Acceleration[m/sec2]6420-2-4-6W1接口变形：•一般试验过程：（1）结构自振特性的标定（2）线性阶段试验（3）非线性阶段试验（4）破坏阶段的试验5.1结构抗震实验方法概述振动台实验（Shakingtabletest）•主要试验目的：（1）了解结构抗震性能（2）研究结构破坏机制（3）验证地震反应计算模型的正确性模拟地震振动台（单台）实验（摘自同济大学土木防灾国家重点实验室网站）模拟地震振动台（单台）实验高层建筑结构25:1模拟地震振动台（单台）实验大跨建筑结构模拟地震振动台（单台）实验特种结构特高压输电塔变压器套管系统大型海上风力发电高塔系统（建工系谢强提供）（建工系陈建兵提供）模拟地震振动台（单台）实验地标建筑模拟地震振动台（台阵）实验（桥梁系杨澄宇提供）模拟地震振动台（单台）实验（摘自E-defense网站）拟动力试验数值计算与拟动力试验的比较5.1结构抗震实验方法概述三层结构模型及试验子结构5.1结构抗震实验方法概述拟动力试验5.1结构抗震实验方法概述远程网络协同试验美国“NEES计划”欧洲“减轻地震风险的欧洲网络计划”日本E-Defense建设及其远程协同试验中国台湾ISEE计划中国大陆HQH-NSER原型结构的现场测试工程结构检测工程结构监测工程结构监测SensingtechniquesDataprocessingEvaluationanddiagnosisstrategyIntegrationofsystemSHMsystemAlertDataacquisitionandtransmissionManagementsystemDataBaseGUISystemDataStorage结构健康监测（StructuralHealthMonitoring,SHM）工程结构监测地震动监测“探测大地脉搏的跳动，揭示地灾空间的分布，预测地质灾害的地点，有效应对灾害的发生，避免次生灾害的出现”工程结构监测结构性能评估（结构所施卫星、单伽锃提供）MethodDateModeFreuqency(Hz)Dampingratio(%)CorewallConcreteslab26/12/2011X10.44921.27Floor42Floor19Y10.46091.02X21.20701.20Y21.30861.13X31.51560.59Y31.51560.6004/07/2012X10.28521.54Floor68Floor45Y10.29301.70X20.85941.11Y20.91022.13X31.49610.59Y31.48440.9916/10/2012X10.22661.30Floor81Floor63Y10.23051.56X20.67970.81Y20.71090.97X31.26560.49Y31.31250.9410/05/2013X10.16022.07Floor111Floor88Y10.16021.97X20.44531.50Y20.46091.57X30.82421.33Y30.83500.79建筑结构工程结构监测结构性能评估桥梁结构明石海峡大桥SensorPlacement工程结构监测结构性能评估SHMtechniquesInformationaimedInformationrequiredDirectinspectionStaticfieldingtestsDynamicfieldingtests·Level1∶·Level4·Fatigue·Crack·Corrosion·Etc.·Behaviortests·Diagnostictests·ProoftestsTimedomainFrequencydomainModel-basedModalanalysisNon-parametricmethodParametricmethodModel-free·Controlledtests·Ambientvibration·EarthquakeModalparametersLinearNonlinear·结构/系统识别·参数识别·损伤识别/诊断M&S-V&V&UQ数据科学工程结构监测结构性能评估M&S-V&V&UQM&S:Modeling&SimulationV&V:Verification&ValidationUQ:Uncertaintyquantification验证处理数学问题确认处理物理问题工程结构监测结构性能评估M&S-V&V&UQM&S:Modeling&SimulationV&V:Verification&ValidationUQ:Uncertaintyquantification工程结构监测结构性能评估M&S-V&V&UQM&S:Modeling&SimulationV&V:Verification&ValidationUQ:Uncertaintyquantification建模与模拟的不确定度量化的方法5.2动力性能的一般特点5.2.1动力弹性模量与动力极限强度•动力弹性模量与动力强度均高于静力情形.•徐变效应显著的材料，动力特性参数变化显著.基本规律：5.2动力性能的一般特点5.2.1动力弹性模量与动力极限强度骨架曲线+滞回曲线＝恢复力曲线•运动方程中的恢复力：(,)()TmxcxRxxft&&&&5.2动力性能的一般特点5.2.2恢复力曲线CyclicloadingCyclicloading基本现象：•基本特点：混凝土钢，脆性破坏情形延性破坏情形5.2动力性能的一般特点5.2.3强度退化与刚度退化裂面传压效应（朱伯龙，1980）骨料咬合作用使得裂缝闭合之前已可承受较大的压力；•机理与特征：5.2动力性能的一般特点5.2.4裂面效应与包兴格效应基本现象：包兴格效应：损伤愈严重，效应越显著。5.2动力性能的一般特点5.2.4裂面效应与包兴格效应基本现象：5.3基本构件的动力性能5.3.1钢筋混凝土构件5.3.2砌体构件5.3.3钢结构构件受弯构件压弯构件受扭构件梁柱节点剪力墙砖墙带构造柱砌体墙配筋砌体梁与柱梁柱节点连接与节点域支撑受弯构件5.3基本构件的动力性能钢筋混凝土构件钢筋屈服前：滞回环为稳定的梭形钢筋屈服后：捏拢现象、刚度退化明显剪力的存在不利发挥抗震性能：“捏拢”现象显著加密箍筋可使耗能能力增加5.3基本构件的动力性能钢筋混凝土构件受弯构件5.4整体结构的动力性能5.4.1周期与阻尼开裂（或进入非线性阶段）后的频率杂化现象：非线性阶段高阶振型参与分量增大。5.4整体结构的动力性能5.4.1周期与阻尼地震实测结果5.4整体结构的动力性能5.4.1周期与阻尼梁铰机制结构内力重分布过程是复杂的过程，由于随机性的存在，往往不可能精确跟踪内力演化的确定性过程，这导致“歧路亡羊”的过程。控制结构的基本思想5.4整体结构的动力性能5.4.2内力重分布与变形集中变形集中：非线性现象的重要特征之一是集中（聚集）。与层间刚度和层间强度有关（弹性与非线性阶段变形集中部位可能不同）5.4整体结构的动力性能5.4.2内力重分布与变形集中存在强度相互作用影响和刚度相互作用影响•一般双向地震作用下反应增大•水平双向作用对非线性结构影响可能比对称结构为大•对弹塑性层间相对位移影响较楼层位移反应为大•对结构下层影响比对上层影响为大•砌体结构的出平面破坏5.4整体结构的动力性能5.4.3双向地震作用5.4.4扭转反应质心与刚心不重合•震害严重•角部反应增大，破坏严重5.5恢复力曲线的模型化5.5.1恢复力曲线的实验拟合法Romberg-Osgood模型•骨架曲线：yyy1yyyyy1yyy,,1:1:11PPPPPPPPPPPPPPPP5.5恢复力曲线的模型化5.5.2几个重要的恢复力曲线模型•滞回曲线：1yyy2122PPPPPPiiiRomberg-Osgood模型5.5恢复力曲线的模型化5.5.2几个重要的恢复力曲线模型•计算实例：Romberg-Osgood模型5.5恢复力曲线的模型化5.5.2几个重要的恢复力曲线模型•刚度退化：ymyKKrClough退化双线性模型5.5恢复力曲线的模型化5.5.2几个重要的恢复力曲线模型•计算实例：Clough退化双线性模型5.5恢复力曲线的模型化5.5.2几个重要的恢复力曲线模型•刚度退化：ymyfyfPPKrTakeda三线性模型5.5恢复力曲线的模型化5.5.2几个重要的恢复力曲线模型Takeda三线性模型5.5恢复力曲线的模型化5.5.2几个重要的恢复力曲线模型•计算实例：5.5恢复力曲线的模型化5.5.2几个重要的恢复力曲线模型不同模型计算实例(ElCentro)：其它模型5.5恢复力曲线的模型化5.5.2几个重要的恢复力曲线模型模型与参数同等重要！5.5恢复力曲线的模型化5.5.3恢复力曲线的复合模型模型的合适选择。5.5恢复力曲线的模型化5.5.3恢复力曲线的复合模型cbaaFFaFaF21ccbcbaaaaaaaa321)1()1)(1(1010cbaa5.5恢复力曲线的模型化5.5.3恢复力曲线的复合模型典型结果：5.5恢复力曲线的模型化5.5.3恢复力曲线的复合模型