第八章 结构抗震动力加载试验

第八章结构抗震动力加载试验第八章结构抗震动力加载试验主要内容：8.1概述8.2结构抗震动力加载试验的加载制度和加载设计8.3结构抗震周期性动力加载试验8.4结构抗震非周期性动力加载试验第八章结构抗震动力加载试验本章的教学内容：1．动荷特性的测定：包括主振源的测定，动荷特性测试方法；2．结构动力特性的测定：包括自由振动法，强迫振动法，脉动法；3．结构动荷反应的测定：包括结构动荷变形的测量，结构动力系数的测定4．结构疲劳试验：包括试验荷载，加荷的频率，疲劳试验的观测。重点：结构动力特性的测定；结构动荷反应的测定。难点：动荷特性的测定，结构动荷特性的测定。第八章结构抗震动力加载试验8.1概述结构抗震动力试验的一个目的是确定结构线性动力特性，即结构在弹性阶段变形比较小的情况下的自振周期，振型，能量耗散和阻尼值。另一个目的是研究结构的非线性性能，如结构进入非线性阶段的能量耗散，滞回特性，延性性能，破坏机理和破坏特征。第八章结构抗震动力加载试验8.1概述从结构抗震工程研究发展来看，目前抗震动力试验主要是从场地结构原型观测和试验室试验两个方面进行，抗震研究认为结构的静态试验和结构原型弹性阶段的动态试验所取得的资料数据，对抗震设计已不能反映客观的要求，特别是结构工作各个阶段的动态特性参数，对结构地震反应分析愈来愈有它的重要性。例如，多层砖石结构房屋当振动超出线性范围后，动力特性有显著变化，主要表现为周期增长2～4倍，阻尼也将增加两倍左右。为此必须进行原型结构进入非线性阶段的动力试验，提供结构系统力与变形的关系、能量吸收和破坏特征。特别是各种构件在结构中所引起的阻尼特性，各类结构部件的连接以及非结构构件连接的特性等资料。更由于结构建造在不同地震烈度区和各种不同条件的地基土壤上，通过场地原型结构动力试验尚可以研究地基土壤和结构的相互作用。第八章结构抗震动力加载试验8.1概述相对于原型结构，目前较多地还是在试验室进行缩小比例尺的结构构件或模型试验。随着结构动力试验设备和试验技术的发展，结构抗震动力加载试验逐渐引起人们的注意，并开始在结构抗震研究的实践中得到应用。在前述建筑结构低周反复静力加载试验中，由于受试验设备和试验技术条件的限制，人们用静力加载方法来模拟地震力的作用，以致整个试验进行全过程的时间是比较长的，甚至可在几个小时以上，这对结构的自振周期往往只在1秒以下相比，即使试验时间能从几小时缩短到几十秒、几秒钟时，这还可以看作是慢加载。当然这种方法的优点是设备简单，便于观测试验过程，但是与结构真正受动力荷载的作用相比，没有反映应变速率的影响。为此人们总希望通过动力加载试验来研究结构的动力反应、结构抵抗动力荷载的实际能力与安全储备。第八章结构抗震动力加载试验8.1概述结构抗震动力试验的难度和复杂性比静力试验要大，这主要是：首先，荷载是以动力形式出现，它有速度，加速度或以一定频率对结构产生动力响应；由于加速度作用引起惯性力，以致荷载的大小又直接与结构本身的质量有关；动力荷载对结构产生的共振使应变及挠度增大。其次，动力荷载作用于结构还有应变速率的问题，应变速率的大小，又直接影响结构材料的强度。第八章结构抗震动力加载试验8.1概述在试验中人们经常用试验对象的自振周期(第一周期)作为标准，衡量和区分静力或动力试验的界限。如果试验对象的周期为0．3s，则加载周期超过0．3s时，可以认为是静力加载试验，反之如小于0．3s即可作为动力试验。当然这也是一个相对的时间概念，对于一个刚性结构，由于自振周期很小，研究这种结构的动力滞回性能，每周加载时间就应该很小。反之，对于柔性结构加载时间自然可以长一些，在实际工作中，有时受试验条件的限制，国外有学者对于自振周期小于ls的砖石结构，当试验加载周期为2s时，也称是动力试验。在钢筋混凝土梁的试验中，当变形速度为25cm／s时，也认为是动力试验。为此动力试验的特点是试验对象受动力荷载作用后，反映力与变形关系的滞回曲线是在小于或等于结构自振期的情况下获得，同时反映出结构应变速率2的影响。第八章结构抗震动力加载试验8.1概述在结构试验中，人们发现加荷速度愈快，引起结构或构件的应变速率愈高，则试件强度和弹性模量也就相应提高。在冲击荷载作用下，强度与弹性模量的变化尤为显著。在地震力作用下，钢筋的应变速率取决于构件的反应，如钢筋混凝土框架的钢筋应变大致在0．01～0．02／s。在动力反复荷载作用下，结构的强度要比静力低周反复加载提高10％以上，由此可见动力加载对应变速率所产生的作用。第八章结构抗震动力加载试验8．2结构抗震动力加载试验的加载制度和加载设计由于试验设备和试验技术的不同，与结构抗震静力试验一样，结构抗震动力试验可以区分为周期性和非周期性的动力加载试验。在结构抗震动力试验中，由于周期性的动力加载比较容易实现，所以目前在实际试验中应用得比较普遍，如采用偏心激振器、电液伺服加载器及单向周期性振动台等加载设备均能较好地满足试验要求。第八章结构抗震动力加载试验8．2结构抗震动力加载试验的加载制度和加载设计在试验中为了更好地反映结构受地震作用的动力性能，采用模拟地震的非周期性动力加载试验，更接近于结构受地震动力作用的工作状态。这样，在结构抗震试验中，非周期性的动力加载试验具有更大的意义。目前进行非周期性动力加载试验的方法主要有模拟地震振动台试验，人工地震(人工爆破)试验和天然地震试验。第八章结构抗震动力加载试验8．2结构抗震动力加载试验的加载制度和加载设计8．2．1周期性动力加载试验的加载制度一、强迫振动共振加载强迫振动共振加载是结构动力试验中采用得较多的一种加载制度。按加载方法的不同，它又可分为稳态正弦激振和变频正弦激振。第八章结构抗震动力加载试验8．2结构抗震动力加载试验的加载制度和加载设计1．稳态正弦激振即是在结构上作用一个按正弦变化的，作用于单一方向的力，它的频率可以精确地保持在某—数值，这时对它所激起的结构振动进行测量。然后将频率调到另一个值，重复进行测量，持续进行得到整个振动过程的反应曲线。通过测量结构在各个不同频率下结构振动的振幅，可以得到结构的共振曲线。这种加载制度的目的是使激振频率固定在一段足够长的时间，以便使全部瞬态运动消除并建立起均匀的稳态运动。2．变频正弦激振上述稳态正弦激振要求激振频率能在一段时间内保持固定不变，在实际工作中发现有较大的困难，因为要满足这种要求要有比较复杂的控制设备，因此人们采用了连续变化频率的正弦激振方法。第八章结构抗震动力加载试验8．2结构抗震动力加载试验的加载制度和加载设计8.2.2非周期性动力加载试验的加载设计非周期动力加载设计(1)地震模拟振动台动力加载试验的荷载设计在进行结构的地震模拟振动台动力试验时，振动台台面的输入都采用地面运动的加速度时程曲线。在选择和设计台面的输入地震波时，还必须要考虑下列问题：①试验结构的周期；②结构实际建造时所在的场地条件；③地震烈度和震中距离的影响；④振动台台面的输出能力(频率范围、最大位移、速度和加速度性能)。为此可以选用已有通过强震观测得到的地震记录，或者按需要的地质条件参照相近的地震记录设计出人工地震波，也可以按规范的反应谱值设计人工地震波作为结构试验时台面的输入信号。第八章结构抗震动力加载试验8．2结构抗震动力加载试验的加载制度和加载设计(2)人工地震模拟动力加载试验的荷载设计人们采用地面或地下炸药爆炸的方法产生地面运动的瞬时动力效应，以此模拟某一烈度或某一确定性天然地震对结构的影响，称之为“人工地震”。人工地震波对结构的影响，可采用地面质点运动的最大速度的幅值作为衡量标准，和天然地震波所造成地震烈度之间的参考量。第八章结构抗震动力加载试验8.3结构抗震周期性动力加载试验8.3.1偏心激振器周期性动力加载试验采用偏心激振器对结构周期性动力加载，将激振器安装固定于结构顶层的楼板上，也可以支撑在走廊两侧的墙壁上或走廊两侧的框架上，使激振器通过楼板、墙柱传到整个房屋，对整体结构产生强迫振动。利用共振原理测定结构的动力特性，并研究结构的极限盈利、破坏特征和结构抗倒塌能力。第八章结构抗震动力加载试验8.3结构抗震周期性动力加载试验8.3.2电液伺服加载器周期性动力加载试验控制加载的频率与试验对象受载后所产生的应变速率。采用控制作用力的方法加载。按照动力加载试验要求，对电液伺服加载器的动载频率和活塞最大行程的要求：最大荷载0~300kN，动载单向加载0~200kN，双向±200kN，动载频率0.001~0.5Hz，加载最大行程±150mm。第八章结构抗震动力加载试验8.3结构抗震周期性动力加载试验8.3.3单项周期性振动台动力加载试验机械式、电磁式、液压式第八章结构抗震动力加载试验8.4结构抗震非周期性动力加载试验8.4.1地震模拟振动台动力加载试验第八章结构抗震动力加载试验8.4结构抗震非周期性动力加载试验8.4.1地震模拟振动台动力加载试验第八章结构抗震动力加载试验8.4结构抗震非周期性动力加载试验8.4.1地震模拟振动台动力加载试验1、地震模拟振动台动力加载在抗震研究中应用研究结构动力特性、破坏机理、震害原因；验证抗震计算理论和计算模型正确性；研究动力相似理论，为模型试验提供依据；检验产品质量，提高抗震性能；为结构抗震静力试验提供试验依据。第八章结构抗震动力加载试验8.4结构抗震非周期性动力加载试验8.4.1地震模拟振动台动力加载试验第八章结构抗震动力加载试验8.4结构抗震非周期性动力加载试验8.4.1地震模拟振动台动力加载试验第八章结构抗震动力加载试验8.4结构抗震非周期性动力加载试验8.4.1地震模拟振动台动力加载试验第八章结构抗震动力加载试验8.4结构抗震非周期性动力加载试验8.4.1地震模拟振动台动力加载试验2、地震模拟振动台试验的加载过程和试验方法一次性加载：从弹性到弹塑性直至破坏，连续记录位移、速度、加速度、应变信号，观察记录裂缝形成和发展，研究弹性、弹塑性、破坏阶段何种性能。要求高速摄影和电视摄像。多次性加载：1依据按试体模型理论计算的弹性和非弹性地震反应，估计逐次输入台面加速度幅值。2弹性阶段试验。输入某一幅值的地震地面运动加速度时程曲线，量测试体的动力反应、放大系数和弹性性能。3非弹性阶段试验。逐级加大台面输入加速度幅值，使试体逐步发展到中等程度的开裂，除了采集测试的数据外，尚应观测试体各部位的开裂或破坏情况。4破坏阶段试验。继续加大台面输入加速度幅值，或在某一最大的峰值下反复输入，使试体变为机动体系，直到试体整体破坏，检验结构的极限抗震能力。第八章结构抗震动力加载试验8.4结构抗震非周期性动力加载试验8.4.1地震模拟振动台动力加载试验第八章结构抗震动力加载试验8.4结构抗震非周期性动力加载试验8.4.2人工地震模拟动力加载试验人们采用地面或地下炸药爆炸的方法产生地面运动的瞬时动力效应，以此模拟某一烈度或某一确定性天然地震对结构的影响，称之为“人工地震”。试验荷载设计时可按要求模拟的地震烈度，考虑实际场地条件的特点，由要求的地面质点运动最大速度，确定炸药量和相应的爆心至试验结构的距离。第八章结构抗震动力加载试验8.4结构抗震非周期性动力加载试验8.4.2人工地震模拟动力加载试验人们在实践中发现，利用炸药爆炸模拟地震从地面运动效应上与天然地震有许多相似之处，但也存在着一定的差异，如人工地震的加速度幅值高、衰减快、破坏范围小；主频率高于天然地震；主震持续时间比天然地震短。因此，在试验设计时要采取下列措施：第八章结构抗震动力加载试验8.4结构抗震非周期性动力加载试验8.4.2人工地震模拟动力加载试验①缩小试验对象的尺寸，从而可以提高被试验对象的自振频率，一般只要将试验对象比原型缩小2—3倍；②将试验对象建造在覆盖层较厚的土层上，可以利用松软土层的滤波作用，消耗地震波中的高频分量，相对地提高低频分量的幅值；③增加爆心与试验对象的距离，使地震波的高频分量在传播过程中有较大的损耗，相对地提高低