建筑结构试验第八章建筑结构的抗震试验重难点辅导.doc

第八章 建筑结构的抗震试验我们国家是一个地震多发的国家，高耸的建筑物会遇到风震，所以抗震设计是很重要的。对于抗震设计来讲，要解决两个问题：一要解决在某种振动作用下结构的反应有多大。二要解决在这么大的地震反应的情况下，结构它的承载能力究竟是多少。要解决这个问题，需要通过许多试验。本章介绍一些抗震的试验方法。一 第一个试验方法，就是第八章，第一节叫建筑结构抗震的低周反复静力加载试验。它的目的是要取得一个最基本的数据，就是作用力和它的变形之间建立起来的关系，这个关系不但在弹性阶段，在弹性阶段当然容易取得，尤其在弹塑性阶段，一直到破坏，荷载和变形之间的关系，我们把它叫做恢复力特性。另外，一个基本的，要取得一个结构或者一个构件，它在地震作用下它的破坏特征，那么有了这个之后，就提供什么？比如说，我们计算结构对于地震的反应，无论你用什么方法来进行计算，比如说，你用数字积分或者其它的方法来计算的时候，总是要用到结构的刚度，那么同时，你有了各个阶段的变形特征和它的破坏特征，就可以和地震加固以后的结构的破坏相比较。最后你可以建立一个数学模型。用文字来叙述就是这样，就是通过这种低周反复试验，就可以获得结构构件荷载变形的工作性能，也就是恢复力特性和破坏特征，那么有了这个之后，就可以比较或者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。为建立数学模型，通过计算机进行结构抗震非线性分析，为改进现行抗震设计方法的修定设计规范提供依据。这个就是我们进行低周反复试验的目的。教材图8-6。那么低周反复试验这种方法哪，大家看这个图。这个图中间这部分是我们要做的试件，实际上是一段剪力墙。为了使我们加上的水平剪力能够均匀传递给剪力墙，上面当然加上一个横梁让它来过度减力，加合加载就通过这一个双作用的加载器，那就是说它可以推可以拉，当然图上没有画，为了加载还得有一个液压泵再加上一些管路，那么可以使它产生推力，使这个墙向右变形，那么加上拉力就使墙向左变形。同时在加载器上装上一个拉压的传感器，那么就可以测出加力的过程、加力的大小。同时，当然还有一个位移传感器，来测它的变形。那么当然在其它部位根据你的需要可以测它的应变等等。最后通过测量仪器可以得到一个滞回曲线，那么加的过程就是这样，我也是静力加载，假如说开始加推力，先小，也是分级来加，你逐级的增大，然后加到某个位移以后，你就把它停止下来，那么就开始卸载，当荷载卸到零以后，再向反方向加载，那就是说再加上拉力，这个拉力也是分级来加，当加到某一个值，你控制的不加再卸载，再让位移回到零，然后再反向加载，这样就可以得到一个它的变形是反复的，先是推力变形向右变形，然后加到某一个值卸载，变形逐渐减小，然后再反向加荷，位移再大，然后再卸载，然后再加推力，这样反复来做。因为这么做地震的破坏，一般地震的时间都很短，比如说最长的也就是一分钟，一般都是几十秒就破坏了，因此，做的这种反复次数一般比较少，所以叫低周的，反复次数比较少的这么一个加载试验，但是加的实际是静力，虽然加的是静力，但是最后让它破坏特性，实际是让它模拟这个构件，或者这个结构是在地震作用下的，就是相当它是在震动作用下的破坏的一种状态。这是低周反复加载的一般的试验装置和试验方法。那么通过这种方法来做试验它就有很多优点了。比如说第一个优点就是设备比较简单，它甚至就可以用普通的静力试验用的加载设备，这是一个很大的优点了。因为比如说构件要想破坏，它需要的加荷力是很大的，如果我们用激震器来激震它，让它破坏，那这个激震器就得非常大了，消耗的功率也很大，所以用静力加载，这个设备比较容易取得。另外一个优点，就是加载历程可以人为控制，并可按需要加以改变或者修正。就是说因为是静力加载，当然你加载究竟采取这个过程完全是按照人为的意志去做的，就是说中间你愿意这此反复，我希望比它大，那当然位移就可以让它大，你希望位移让它小，你就可以让它小，就是说这个完全可以人为的来控制。那么第三个优点，就是在试验的过程中，可以停下来观察结构的开裂和破坏状态。因为它是静力加载，而且是分级的，所以在每一级，你都可以停下来观察开裂情况和破坏状态。这是等于它的三个主要优点，就是设备简单，可以人为控制，还有就是可以停下来观察。但是它也有一个最大的弱点，就是说，因为加载完全是人为的，而且变形完全是对称的，这个和地震作用完全是不同的。因为地震，它的震动是个随机的，是个复杂的震动过程，它的震幅是随时在变化的，所以不是那么对称的。所以它这个过程实际上不和地震作用相一致。这是低周反复荷载的优点和它的弱点。那么通过低周反复荷载，当然就得到一些最基本的实验资料,下面就看看通过低周反复试验，一般的能得到那些最基本的资料。3这是第八章第一节的第三个问题，结构违静力试验的数据整理，所谓伪静力试验也就是低周反复加载试验。（1）首先，第一个可以得到各个阶段的强度。教材图8-11。那么各个阶段强度就包括这么几个，一个就是开裂强度。就是说结构开裂时候的强度。还有屈服的时候的强度。还有极限强度和破坏强度。在图上就是这样。就是说开始加载的时候，肯定基本上是弹性的。那就是沿着某一个直线是上升的，这一段当然是弹性阶段，当在某一处出现裂缝了，那么它的变形突然增加，它的拐点的地方，就是它的开裂荷载。这和静载试验实际上是一样的。然后当你荷载再增加，那么这条线就弯曲的更厉害，就是说，随着荷载的增加，它的钢度降低。所以它变形就更大，那么就会出现第二个拐点的地方，把这个地方的位置，叫做屈服强度。然后你继续增加荷载的时候，荷载会达到最大值，那么这个时候把这个叫做极限强度。你再继续增加荷载，那么它的承载能力就降低了，达到某一个值，这个值是人为定的，一般定到最大荷载的85%。假如说用力矩来表示就是0.85Mmax，把这一点定成破坏强度。那就是认为，在这点以后，它的承载能力就太低了，所以就认为它这个结构就破坏了。所以整个这一过程当中从强度来讲，它有四个强度，就是从开始加载到最后。（2）第二条就是可以得到刚度。教材图8-13。刚度也是分阶段的，它首先是初次加载强度，就是说构件第一次加载，初次加载钢度这个加载过程，实际上就和静载的试验过程是一样的。因为第一次实际上加的是静载，它这条线，大家注意看这个图，是上边这一条线，就是由O到B然后到C，再延长出去的，这条线是初次加载的，就是头一次加载，实际和静力加载是相同的。那么它的钢度呢？因为我们在做抗震计算的时候，它要不同阶段的钢度都需要，所以它就把这些钢度也是分成这么几个阶段。这几个阶段，就是跟咱们刚才讲的强度那几个阶段是对应的，那么第一阶段，就是开始的加载阶段， 它还是直线的，把它叫做线性刚度K0。这个刚度当然这个时候是最大的这一条K0。然后你继续加载以后，加载到某一段，当然它就出现开裂了。开裂以后，它刚度就降低了。所以，把开裂以后的那一段刚度叫开裂刚度。那么就是KC。然后再继续加载的话，当达到屈服强度了，这个时候的刚度把它叫做屈服刚度。还有一段，就是说当屈服以后，那段刚度一般称为屈服后的刚度。这个基本上斜率就很小KS，这个是屈服后的刚度。那么对于第一次加载，基本上有这么四个阶段的刚度。这还没有反复，假如说，对于反复加载，那么第一次加载到某一个点，比如说开始卸载,然后再反向加载，那么到某一个点以后，又卸载，然后再反向加载，这样就形成一个滞回环，这个就形成一条曲线。一般的就是一个近于闭合的环，把这个环叫做滞回环。那么，在这个滞回环上的刚度，当然就是说，除了从C点开始，CD之间这个钢度，我们把它称为卸载刚度，因为它是卸载时候的恢复的刚度。当然卸载，比如说荷载卸到零，因为它已经超过屈服了，那么肯定有残余变形，所以它的位移不会回到零，所以有一定的位移，接着就是反向加载。那么就是第三点，反向加载卸载和重复加载刚度。那么就是说整个要研究这一个环的刚度了，反向加载就是从图上的D点到C这一点之间，当然这是反向加载，因为这个已经是反向加载了，这个反向加载和正向的加载第一次加载的刚度，就会有很大的变化了。它就是说尤其是钢筋混凝土结构，一个是受开裂的影响，它开裂缝需要闭合，当然它要很大的变形，这个受的力不是很大，但是变形很大，因为它原来是裂缝，当然你要把裂缝压缩。另外，一个钢材还受包辛格效应的影响。所谓包辛格效应，在这给大家解释一下，就是说各向同性的材料，比如说，钢材它当你单独做拉伸试验的时候，它开始是弹性的，后来到屈服了，有个屈服台阶，然后再拉伸，那么强度就是有所增长，如果，同时我们用另外一个试件，在做压缩试验的时候，那么也会得到相同的一条曲线，当然它变形是压缩的。那么也是开始是直线，然后有屈服台阶，然后强度再增长到某一个值，这个钢材的拉伸图，大家在建筑材料中当然应该是掌握的。可是假如说，我们把钢筋冷拉，让它超过屈服线，也就是冷拉强化了，这个大家也很熟悉，比如说钢筋冷拉以后，当然，就是说强度提高了，冷拉强化了，这是钢筋在受拉的时候强度提高了，假如已经冷拉强化的钢筋，让它再受压。那么这个时候它的强度是降低的，就是说它达不到原来的屈服线，它就已经屈服了。那么这种现象就叫包辛格效应。这是一百多年前，德国人包辛格最早发现的一种现象，所以把这个现象叫做包辛格效应。假如说，一个柱受反复荷载的时候，当然开始向某一个方向变形，肯定受拉钢筋做到某一个变形以后，受拉钢筋已经被冷拉了，当然它就强化了，当你加反向荷载的时候，那么这个钢筋，肯定是受压的，那么它的强度就降低了，就和原来我们计算的时候是不一样的。所以它得到的反向加荷刚度就要有变化了，和刚才第一次的有变化，所以它就形成反向的刚度，那么从C点，然后又开始卸载，又卸到D点，这个又是一个卸载刚度，然后由D再到C，这一段又是一个加载刚度，但是，这个加载刚度和第一次加载刚度，肯定是有变化了，因为钢筋已经都屈服过了，当然它就有那个方向的钢筋，它也有包辛格效应的影响，也有裂缝要压缩闭合等等的影响。所以这样形成滞回曲线，当然就要和一次加载的曲线是不一样的。这样就得到了，在整个反复荷载过程中，就形成这么几个刚度，除了一次加载刚度外，其它就有卸载刚度，有再次加载的刚度，那么就是说DC和DC这两个都有可能不同，那整个这个过程刚度都是在变化。因为刚度变化，当然直回环的形状也在变化，所以对于钢筋混凝土结构，滞回环最典型的一般就是有这么四种。教材图8-14。那么第一种叫梭形滞回环，像梭子一样, 梭形滞回环实际上中间是鼓的，那么第二种弓形滞回环，中间就缩进去了，这种叫做“捏缩”现象。第三种滞环叫做反S形，它是这种形状的。第四种滞回环叫做Z形的滞回环，就是说它的变形到某一个程度就基本上不变了，但是开始的时候变的很大，就和一个英文字母Z一样，一般的钢筋混凝土结构，都有可能产生这四种典型的滞回环的形状。那么每一种滞回环的产生，当然它和结构的受力状态，结构的构造都有关系。一般的说,就是对于第一种梭形滞回环来说,它主要是一些偏心受压构件,以及不发生剪切破坏的受弯构件,那么实际上就是只受弯破坏这种构件,它是产生梳形的滞回环.第二种弓形的滞回环,它就是有一定滑移的影响了,所以它就有明显的“捏缩”效应,它是什么样的构件?就是说跨度比较大,剪力较小并且配有一定箍筋的弯剪构件和偏压构件。第三种就是反S形的,它就是反应出来有更多的滑移的影响,那就是一般的框架或者由剪力撑的框架,或者量柱结点和剪力墙,那么它会呈现出反S形的滞回环.最后一种就是Z形滞回环,它是反应大量的滑移影响,一般说就是小剪跨并且斜裂缝可以充分发展的构件以及铆固钢筋有较大滑移的构件。那么从构造上,当然就是说与它的构件的本身的构造和受力特点有关,从这个荷载试验过程当中,一般说来它也是四种典型的形式,也反应构件从开始到最后加荷破坏发展的过程,这个往往构件在开始阶段都是梭形的,那么逐渐逐渐,最后比如说要破坏,可能是由于钢筋铆固破坏,可能发展到Z形,它有的时候一个构件也可能从它的加荷过程中的发展,不同阶段有不同滞回环形状。二建筑结构的拟动力试验。第八章第二节。这是抗震的第二种试验。做大家从上边那个试验过程可能发现，就是上面的试验有一个最大的缺点，也就是它的弱点，咱们说了，那么就是说它的试验加载过程，它的反复过程完全是人为的，我想这次加多大，使它产生多大变形，那就产生多大变形，那么就反复这一周，就相当于震幅了，这震幅要多大完全是人工控制的，而且这个过程也是我就控制它，那就是说这次多大，下次再大一点或者再大一点，总之这个规律完全是人为的，可是地震对于一个结构的作用，它就不是这样，因为地震它的波形是很复杂的，那么它的震动可能是一会大，一会小，一会大，一会小，它波形的变动是很复杂的。所以上边的试验没法反应实际结构在实际的地震作用下，它的破坏形态和它的破坏过程究竟怎麽样。因此，人们就想通过某种试验，想通过控制什么呢?控制使它能够变形，就是说，整个的反复过程能和某一次地震能够相吻合，这样就产生了现在要介绍的这种试验方法。叫做拟动力试验或者称作伪动力试验，或者叫做计算机加载器联机试验，就是说它的总的想法就是使控制这个整个结构反复加载的位移，能够和某一次已经发生的能够确定的地震，或者是我们人工产生的某一个地震波产生的位移能够相一致。这样就一步一步来做。它这个方法就是这样。教材图8-18。它首先要输入一个地震波，然后，把这个地震波按照你试验的结构刚度，来进行弹缩性动力分析，也就是用分部积分法，来解这个动力方程。那么当然有了一个地震波，一步一步输入进来，通过动力方程的解，就可以输出个位移，把这个位移，当然送给电液伺服控制系统，那么最后控制加荷，然后，使试件产生和你输入位移相同的位移。那么，这时候加载器测得的力，实际上就是产生这么大位移的恢复力，把这个恢复力反馈给计算机，那么计算机下一步计算，就用你反馈的恢复力来计算进行动力分解，最后，可以又得到一步位移，把这一步位移，再给加载器，然后，把反馈的恢复力，再反馈给计算机。这个就是一步一步做下去，所以，这个时候构件的位移，它就是按照什么呢?按照相当于把地震波输入到地面，使结构发生震动产生的位移是一致的。那么，因为它是通过动力求解，而且用的恢复力也是它本身的实测的恢复力来解的，把这种方法就叫做拟动力试验方法。因为它真正是模拟一次地震，因为这个输入的地震波可以是已经发生的地震波。比如说现在能够取得的地震波实际上是很多的，世界上也有一些，比如说咱们国家有唐山地震的地震波，有宁河地震的，有邢台的等等。当然，现在根据各地地震发生的危险性和它地基土的类型，可以做好些人工地震波。那么，就是你做试验这个地震波可以是已经发生的地震波，也可以是人工的地震波，它所对应的结构就是你做试验的这个结构，那么，就相当于我们这个时候控制它的位移变化，就是说反复荷载的变化，实际上就接近于真实地震产生的波形的变化，但是，它和真正地震也有出入，它出入在什么地方呢？这样虽然这么做是按照动力分析来做的，但是整个做的速度实际上还是很慢的，假如说一个二十秒长的这个期间的地震，可能要做几十分钟，甚至几十个小时才能够做完。所以，它反应的位移实际上没有阻尼的影响，但是它比低周反复试验更近一步了。它的试验设备是很复杂的，因为电液伺服控制系统本身就是一个很庞大的系统，它的系统现在要购置起来，可能要几百万美元，它维持费用和使用费用都非常高，所以，这种试验实际做起来相对来说也是很困难的，要比低周反复试验成本高的多。这个就是表示的地震波的一个形式，它现在所谓地震波实际上都是离散的数据，本来地震波记录下来都是连续的一条曲线，但是我们总是按照一定的时间间隔来读取离散值，一般的现在地震波的间隔都是0.02秒。三上面简单介绍一下拟动力试验的过程，这个让大家对这种试验有所了解，下面就是介绍这个第八章的第三节，就是建筑结构地震模拟震动台试验。首先在这节的第一个问题介绍一下震动加载试验。就是说我们在做抗震试验的时候，实际上就是震动加载试验，它一共有这么几种方法1结构周期性的加载试验。这种前面咱们实际已经用过了,比如说求动力特性的时候,用共振法它实际也是一种周期性加载,那么它现在这个加载就是要对一个整个结构的加载。可以采用大型偏心激振器，这个就是机械式的，另外也可以用一个简单的震动台，就是单向震动台，当然在这里震动台的震动基本上是简谐震动的震动台，或者电液伺服加载系统施加周期性的震动荷载来观察和研究结构模型的弹性、弹缩性乃至破坏特征，那么，这是一种周期性加载来观察的。2人工地震模拟动力试验，就是采取人工地震。人工地震多半就采用爆炸的方法，就可以用爆炸的方法模拟某一个裂度，或者某一次天然地震对结构的影响称为人工地震。那么，第二种方法虽然和地震比较接近，但是做起来成本、危险性都是很大的。第三种，就是用地震模拟震动台来作动力加载试验，这个是与地震最接近，也是最容易实现的一种，所以这一节，介绍第三种方法，就是地震模拟震动台的动力加载试验。3地震模拟震动台的动力加载试验。这种试验要一个相对比较大的震动台，它也是用电液伺服控制的，就是咱们前面讲震动台的时候，讲过有一种电液伺服震动台。因为电液伺服震动台它是用电信号来控制震动的，所以，它就可以实现模拟随机波的震动。那么，你只要有一个现成的地震记录，或者是有一个人工的地震波输进来，那么就可以让这个地震台产生一个震动，而且，它可以是三向的，那就是说两个水平方向，一个垂直方向，就可以和某一次的地震完全相同的。那么在这个震动台上你可以放一个模型，那么可以是个建筑物的整体模型，这样使建筑物产生各个阶段的震动了。那么整个的加载方法，就是说它可以是一次加载，就是说试验的加载过程，可以有一次性加载，或多次加载的不同方案。所谓一次性加载试验的特点，是结构从弹性到弹塑性,直至破坏阶段的全过程，在一次加载过程中完成。那么这种加载实际上是怎么个概念?就是说在震动台上输入地震波，整个比较大，那么把地震波就一次性输入震动台里面去，震动台当然就按照输入的地震波去震动，那么这个结构当然就从开始，比如说震动比较小，到最后越震越大，最后到它破坏。所以，通过一次震动你取得的信息，你把这个时程曲线记录下来，其实它反应的呢，是结构各个阶段的特性都在这个时程曲线里就都包含了，比如说，你可以分析它弹性阶段怎么震动，弹塑性怎么震动，最后接近破坏怎么震动，这个都可以得到的，这是一次性。还有多次性加载，就是说我不一次加那么大，而是把地震波缩小成几级，来一次一次加载，那么它有下面几种情况。（1）第一个就是动力特性试验,那么当然它就得到在初始阶段各种动力特性,这个基本上维持在弹性阶段。就是说把你取得的，假如说一个很大的地震波，我可以按比例把它缩小，使这结构震动是在弹性阶段，我把这个小的地震波