第四章-拟静力实验

第四章拟静力试验4.1概述4.1.1含义拟静力实验方法是目前研究结构或构件性能中应用广泛的一种实验方法。采用一定的荷载控制或变形控制对试件进行低周反复加载，使试件从弹性阶段直至破坏的一种实验方法。是使结构或结构构件在正反两个方向重复加载和卸载的过程，用以模拟地震时结构在往复振动中的受力特点和变形特点。这种方法是用静力方法求得结构振动时的效果，因此称为拟静力试验，或伪静力试验。4.1.2实验目的进行结构拟静力实验的主要目的主要为以下三部分♦恢复力模型（如图4-1）：通过实验所得的滞回曲线和曲线所包围的面积求得结构的等效阻尼比，衡量结构的耗能能力，同时还可得到骨架曲线，结构的初始刚度及刚度退化等参数，相当于结构的物理方程；♦抗震性能判定：从强度、刚度、变形、延性、耗能等方面判断和鉴定结构的抗震性能；♦破坏机制研究：通过实验研究结构构件的破坏机制，为改进现行结构抗震设计方法及改进结构设计的构造措施提供方法和依据。图4-1结构恢复力模型4.1.3拟静力实验特点拟静力试验的优点：该实验的加载速率很低，因此由于加载速率而引起的应力、应变速率对实验结果的影响可以忽略，更重要的是这种实验可以最大限度的的利用试件提供各种基本信息，例如：承载力、刚度、变形能力、耗能能力和损伤特征等，但不能模拟结构的地震反应过程。拟静力实验方法可用于获取构件的数学模型，为结构的计算机分析提供构件模型，并通过地震模拟振动台实验对结构模型参数做进一步的修正。可以在试验过程中随时停下来观察结构的开裂的破坏状态；便于检验校核试验数据和仪器的工作情况；并可按试验需要修正和改变加载历程。存在的不足：试验的加载历程是事先由研究者主观确定的，与地震记录不发生关系；由于荷载是按力或位移对称反复施加，因此与任一次确定性的非线性地震反应相差很远，不能反映出应变速率对结构的影响；拟静力实验控制软件还比较欠缺，大多数还是人工控制或半自动控制，与设备的发展不相适应。原因之一是拟静力实验比较复杂，实验软件与结构静力模型、结构类型、试件特征、作动器的位置安排、测量传感器的布置等均有密切关系。目前应用的控制软件TUST，实现了力与位移控制模式的实时平滑转换。4.2拟静力实验的加载装置及加载制度和控制方法4.2.1加载装置试验装置是使被试验结构或构件处于预期受力状态的各种装置的总称。♦加载装置的作用是将加载设备施加的荷载分配到实验结构；♦支座装置准确地模拟被试验结构或构件的实际受力条件或边界条件；♦观测装置包括用于安装各种传感器的仪表架和观测平台；♦安全装置用来防止试件破坏时发生的安全事故或损坏设备。试验加载装置多采用反力墙或专用抗侧力构架。过去主要采用机械式千斤顶或液压式千斤顶进行加载，这类加载设备主要是手动加载，实验加载过程不容易控制，往往造成数据测量不稳定、不准确、实验结果分析困难。目前许多结构实验室主要采用电液伺服结构试验系统装置，并用计算机进行试验控制和数据采集。1）墙体结构试验装置（图4-2）此装置时用来进行钢筋混凝土剪力墙或砌体剪力墙的低周反复荷载试验。图4-2墙体结构试验装置2）梁式构件试验装置往复作用器施加反复荷载，试验梁的支座也要能够承受反复荷载。图4-3梁式构件试验装置3）框架结构中梁柱节点试验装置此装置中，柱上下两端不能产生水平位移，但能自由转动，这样能模拟出反弯点的受力状况。图4-4框架结构中梁柱节点试验装置4）第二种框架结构中梁柱节点试验装置此装置中，柱上端可以产生水平位移；当柱上端产生水平位移是，安装在柱上端的千斤顶施加竖向力对柱产生附加弯矩（即结构设计和分析中的二阶效应）。图4-5第二种框架结构中梁柱节点试验装置5）柱式构件试验装置（又称悬臂柱式试验装置）此装置中，柱的上端没有转动约束，柱上端弯矩为零，被认为是框架柱的反弯点。图4-6柱式构件试验装置1—试件；2—竖向荷载千斤顶；3—推拉千斤顶；4—仿重力荷载架；5—分配梁；6—卧架；7—螺栓；8—反力架；9—铰；10—测力计5）第二种柱式构件试验装置此装置始终保持横梁保持水平状态，这样框架柱上端不发生转动，反弯点位于框架柱的中点。本装置常用于进行考虑剪切效应的框架柱反复荷载试验。图4-7第二种柱式构件试验装置1—试件；2—竖向荷载千斤顶；3—分配梁；4—L型杠杆；5—平行联杆机构；6—仿重力荷载架；7—推拉千斤顶；8—铰；9—反力墙；10—连结铰；11—测力计4.2.2加载制度1、单向反复加载制度1）位移控制加载位移控制加载是目前在抗震恢复特性实验中使用最普遍的一种加载方案，以加载过程的位移作为控制量，按照一定的位移增幅进行循环加载，常以屈服位移或最大层间位移的某一百分比来控制加载。有时是由小到大变幅值的，有时幅值是恒定的，有时幅值是大小混合的。当实验对象具有明确屈服点时，一般都以屈服位移的倍数为控制值。当姐欧股没有明确的屈服点（如轴力大的柱）或无屈服点时（如无筋砌体），则由研究者主观制定一个认为恰当的位移标准值来控制实验加载。♦变幅加载（图4-8）：常作为探索性试验研究用或在确定恢复力模型时，用变幅加载来研究强度、变形和耗能的性能（我国规范规定同一级荷载下重复三次）。♦等幅加载（图4-9）：这种加载制度在整个过程中始终按照等幅位移施加，主要用于研究强度退化和刚度退化规律（规范规定不少于5次）。♦变幅等幅混合加载（图4-10）：研究内容广，常用于综合性研究。以上三种控制位移加载方案中，以变幅等幅混合加载的方案作用的最多。图4-8变幅加载图4-9等幅加载图4-10变幅等幅混合加载2）力控制加载力控制加载是在加载过程中，以力作为控制值，按一定的力幅值进行循环加载。由于必须事先对实验结构的承载力进行估算，根据估算的承载力分级控制加载看，试件屈服后难以控制加载的力，所以这种加载制度较少单独使用。3）力--位移混合控制加载这种加载制度是先以力控制加载，当试件达到屈服状态时改用位移控制，直至试件破坏。《建筑抗震试验方法规程》规定：试件屈服前，应采用荷载控制并分级加载，接近开裂和屈服荷载前宜减小级差加载；试件屈服后应采用变形控制，变形值应取屈服时试件的最大位移值，并以该位移的倍数为级差进行控制加载；施加反复荷载的次数应根据试验目的确定，屈服前每级可反复一次，屈服后宜反复三次。上述规定在实际应用上存在的具体问题，一是实验过程中如何确定开裂荷载，目前仍然是用人工方法检查，且逐级加载也难以准确地得到开裂荷载；另一个问题是没有一个确定屈服点的统一标准。在实验过程中很难精确确定试件的屈服荷载和屈服位移，仍然是由人的经验判断，所以实验中判断试件屈服与否只是一个不精确的概念。另外，有些试件本身没有明显的屈服点，对于这样的试件，应当考虑用位移控制完成实验。2、双向反复加载制度为了研究地震对结构构件的空间组合效应，克服采用在就够构件单方向（平面内）加载时不考虑另一方向（平面外）地震力同时作用对结构影响的局限性，可在x、y两个主轴方向（二维）同时施加低州反复荷载。1）x、y轴双向同步加载与单向反复加载相同，在低周反复荷载与构件截面主轴成α角的方向做斜向加载，使x、y两个主轴方向的分量同步作用。2）x、y轴双向非同步加载非同步加载是在构件截面的x、y两个主轴方向分别施加低周反复荷载。4.2.2控制方法拟静力实验的加载方式有单点加载和多点加载，目前绝大多数拟静力实验室针对梁、板、柱、墙片等构件，属于单点加载方式。像多层房屋或多层框架结构的拟静力实验属于多点加载，这类试件需要多个电液伺服作动器在多个自由度上进行加载。关于实验进程中试件屈服点的判断，可以采用如下图的方法，在实验的第一步（初始阶段），采用力控制模式；当滞回曲线图上位移达到Dy时（人工判别，此时实际到达的位移可能稍大于Dy），则转换成位移控制模式，进入实验的第二阶段。对于多层房屋或多层框架结构的拟静力实验，力—位移控制装换仍然采用相同的规则，其判断条件是只要有一层达到屈服点Dy时，则所有加载点的控制模式都从力控制装换成位移控制模式，且位移分布与实验开始时的力分布相同。对于多维拟静力实验，加载规则也非常多，并且控制模式的选择、特别是控制模式的转换条件很难确定多维拟静力实验不同于一维拟静力实验。目前，多维拟静力实验进行的比较少，一种原因是多维理论方面的研究工作进展比较缓慢；另一种原因是多维拟静力实验设备、设施较少，特别是多维拟静力实验比较复杂，实验控制与结构的几何模型、力学模型、物理特征、作动器的加载位置、传感器的测量位置等均有密切关系，实验加载控制比较困难。4.2.3拟静力实验的测试项目在我国，拟静力实验多数针对砖石或砌块的墙体实验、钢筋混凝土框架结构的节点和梁柱组合体实验。1）墙体实验（1）墙体的荷载—变形曲线，即墙体的恢复力曲线。（2）墙体侧向位移。主要是量测试件在水平方向上的低周反复荷载作用下的侧向变形。可在墙体另一侧沿高度在其中心线上均匀布置5个测点，即可测得强顶最大位移值，又可测得侧向的位移曲线，如图所示。图4—11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之架；2—试件；3—位移计；4—试验台座（3）墙体剪切变形。可由布置在墙面对角线上的位移计来量测，如图所示。2）墙体应变量测墙体应变需要布置三向应变测点，从而求得主拉应力和剪切应力。3）裂缝观测要求量测墙体的初裂位置、裂缝发展过程和墙体破坏时的裂缝分布形式，目前大多用肉眼或读数放大镜观测裂缝。可以利用应变计读数突增的方法，检测到最大应力和开裂部位。4）开裂荷载和极限荷载5）只要准确测到初始裂缝，就可以确定开裂荷载。以荷载—变形曲线上的转折点为开裂荷载实测值；以荷载—变形曲线上荷载的最大值为极限荷载。此时，还需要记录竖向荷载的加载数值。2、钢筋混凝土框架节点及梁柱组合体实验1）节点梁端或柱端位移在控制位移加载时，由量测的梁端或柱端加载截面处的位移控制加载量和加载程序，如图所示图4—12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—试验台座；5—作动器；6—液压加载控制台；7—油管2）梁端或柱端的荷载—变形曲线由所测位移和荷载绘制实验全过程的荷载—变形曲线3）节点梁柱部位塑性铰区段转角和截面平均曲率在梁上，可在距柱面1/2hb（hb为梁高）或处布置测点；在柱上，可在距梁面1/2hc（hc为柱宽）处布置测点，如图所示图4—13梁柱节点实验测点布置4）节点核心区剪切变形5）节点梁柱主筋应变6）节点核心区箍筋应变7）节点和梁柱组合体混凝土裂缝发展及分布情况8）荷载值与支撑反力4.2.4拟静力实验的数据整理要点1.强度荷载—变形滞回曲线及有关参数是拟静力实验结果的主要表达方式，它们是研究结构抗震性能的基本数据，可用于评定结构的抗震性能。开裂荷载Pc，屈服荷载Py，极限荷载Pu以及破坏荷载，按目前的试验标准和规程规定看，破坏荷载可取极限荷载的85%。2.强度结构刚度是结构变形能力的反应，由拟静力实验得到的P—Δ曲线可以看出，结构的刚度一直在变化之中，它与位移及循环次数有关。在非线性恢复力特性中，由于是正向加载、卸载，反向加载的重复荷载实验，且有刚度退化现象存在，其刚度问题远比单调加载时要复杂，如图所示图4—14结构反复加载时的刚度3.骨架曲线在变位移幅值加载的低周反复加载实验中，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，如图是拟静力实验骨架曲线示意图。图4—15拟静力实验的骨架曲线实线：估计曲线虚线：单调加载曲线4..延性系数延性系数μ是最大荷载点相应的变形δu与屈服点变形δy的比值。5.退化率结构强度或刚度退化的退化率是指在控制位移作等幅低周反复加载时，每施加一次荷载哈偶强度或刚度减低的速率。退化率的大小反映了结构是否经受得起地震的反复作用。6.滞回曲线滞回曲线是指加载一周得到的荷载—位移曲线，滞回环面积的大小反映了试件的耗能能力。根据结构恢复力特性的实验结果，滞回曲线有以下几种形状，如图所示图4—16四种典型的滞回曲线但是结构的滞回曲线并不一定是以上四种之一，事实上是滑移量决定了滞回曲线的形状。7.能量耗散结构吸收能量的能力强弱，可以用滞回曲线所包围的滞回环面积及形状来衡量。