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结构抗震试验 翟长海哈尔滨工业大学土木工程学院email zch hit tel 86282027 地震震害调查 强震观测 结构抗震试验和结构振动理论 是地震工程学赖以发展的四大知识源泉 现代抗震试验技术也是目前研究的一个热点问题之一 如 实时子结构试验 大型远程协同抗震试验等等 主要内容 抗震试验的任务抗震试验的程序几种实验室抗震试验方法 拟静力试验 拟动力试验 结构模型的振动台模拟试验 实时拟动力试验及实时子结构试验 远程协同结构试验模型试验中的相似理论原型结构物的现场动力试验 激振法 自由振动法 脉动法 抗震试验的任务 1 确定结构的动力特性 包括结构各阶自振周期 阻尼和振型等动力特性参数 2 确定结构或构件在低周往复荷载作用下的恢复力特性 包括承载力和变形性能 滞回持性 耗能能力和延性性能等 3 研究结构或构件的破坏机理与破坏特征 验证在设计地震荷载下结构的抗震性能 4 验证所采取的抗震措施或加固措施的有效性 5 在给定的模拟地震作用下测定结构的反应 验证理论模型和计算方法的合理性和可靠性 抗震试验的程序 1 研究对象的确定 包括试验目的 荷载形式以及要测量的物理量等 如果是模型试验还包括模型材料和相似常数的选择与设计 2 试验荷载的施加 要根据需要选用适宜的设备给结构或模型施加以外力或 运动 这些要尽可能再现实际荷载的作用 3 物理参数的测量 用有效的测量仪器来测定所需要的物理量 包括应力 位移 速度 加速度等 4 数据分析 可以采用模拟式分析仪器把记录信号进行处理 也可以把记录信号数字化或通过模数转换装置输入计算机或专用的数据处理机进行分析 几种实验室抗震试验方法 拟静力试验拟动力试验结构模型的振动台模拟试验实时拟动力试验及实时子结构试验远程协同结构试验 拟静力试验 构件及其组合件在周期反复荷载下的静力试验 又称之拟静力试验 有别于通常单调加载下的静力试验 是抗震试验中一种常用的试验方法 拟静力实验方法几乎可以应用于各种建筑结构或构件的抗震性能研究 与振动台实验和拟动力实验相比 拟静力实验方法的突出优点是它的经济性和实用性 经济性原因使它具有应用上的广泛性 从实验设备和设施来看 它的要求是比较低的 并不需要昂贵的实验设备 从试件的花费来看 拟静力实验的构件往往比一个模型结构实验的花费低十几甚至几十倍 另外 由于拟静力实验中不考虑应变速率影响所产生的变化 因此不同研究人员在不同实验室获得的实验结果就容易进行比较 这是拟静力实验的一个优点 拟静力试验 拟静力实验有两方面的意思 1 加载速率很低 从而应变速率的影响可以忽略 2 拟静力实验既代表着单调加载又代表着循环加载 单调加载可以认为是循环加载的一种特例 通常拟静力实验又称为周期性加载实验 主要是指循环加载实验这层意思 所以许多情况下并不严格区分拟静力实验或周期性加载实验 拟动力试验 拟动力试验系统也称为计算机 加载器联机系统 它较好地解决了用大吨位静力加载设备进行大比例或足尺结构模型的弹塑性地震反应模拟的问题 该方法将结构动力学微分方程的数值解与拟静力试验有机结合起来 首先由计算机计算当前一步的位移反应 然后由加载器强迫结构模型实现这个位移 同时测量结构对应于该步位移的实际恢复力并反馈给计算机 最后计算机再根据这个恢复力和其它已知参数计算下一步的位移反应 这样一步步循环下去直至完成整个地震反应的模拟 拟动力试验 拟动力试验优点 在拟动力试验中 结构的恢复力是实测的 能够比较准确地反映结构在地震作用下真实的受力和变形状态 缓慢地再现地震时的结构反应 可以细致地观察地震作用下引起结构破坏的全过程 众所周知 小比例模型的振动台试验是很难模拟结构的细部构造 而大比例模型或足尺结构的拟静力试验又不能很好反映地震反应过程及其性状 拟动力试验恰好在这方面弥补了振动台试验和拟静力试验的不足 拟动力试验的不足之处 它的适用范围有一定的限度 在拟动力试验中 地震反应不是定时的 几秒或几十秒的地震作用过程要用几十分钟或几个小时的时间来实现 实质上 拟动力试验仍是一种静力试验 不过它可以缓慢地而非定时地模拟结构的地震反应全过程 因此只有在可以忽略材料应变速率的影响条件下 才能获得较好的试验结果 否则将引起较大的误差 同时 由地震作用所产生的惯性是由试验机 加载器 作为静力荷载来加以实现的 因而它的试验对象较适用于允许假设为离散质量分布的结构物 另外 为实现较好的地震反应模拟 尤其是高振型反应 对试验装置和计算机运算的精度都有较高的要求 拟动力试验涉及的几个关键问题 拟动力试验方法是结构动力学的数值计算与拟静力位移控制加载试验的有机结合 该方法的理论依据就是建立在这些学科之上的 归纳起来有以下几个问题 1 结构动力学模型的建立 2 数值积分方法的选择及应满足的条件 3 位移控制加载系统的分析及应满足的条件 拟动力试验涉及的几个关键问题 结构动力学模型的建立 在拟动力试验中 试验模型在每一个物理坐标自由度下的位移均由一个独立的位移控制加载器来控制 这样 试验模型的动力学模型必须采用有限自由度的集中参数模型 仅仅做到这一点还不够 因为即使是不太复杂的结构 用有限元法离散为多自由度集中参数模型后 其自由度的数目也还是相当可观的 不可能有那样多的加载器来控制 这样 适合于拟动力试验的动力学模型只能用高度简化的凝聚质量法所建立的模型 这样做的结果是丧失了高阶振型的影响 对于以低阶振型为主的结构地震反应分析来说 这样做是有足够的准确性的 另一方面 如果要模拟的结构本身就带有比分布质量大许多的集中质量 用凝聚质量法建立的动力学模型就更接近实际情况了 好在有许多工程结构都带有明显的集中质量 用该方法是可行的 拟动力试验涉及的几个关键问题 数值积分的选择 拟动力试验中 一般采用逐步积分法求解结构的非弹性位移反应的数值解 在选择积分方法时 主要考虑其稳定性和精度 逐步积分法可分为两大类 一类是隐式算法 一类是显式算法 一些无条件稳定的逐步积分法如wilson 法 newmark 法等为隐式算法 往往需要用迭代法求解 这在拟动力试验中很难采用 但由于拟动力试验的特殊要求 大多采用显式算法 这种算法目前比较成熟的有中心差分法 它是结构拟动力地震反应试验中广泛使用的显式积分技术 拟动力试验涉及的几个关键问题 位移控制加载系统 拟动力试验加载系统的任务是强迫试验模型实现计算出来的位移 在拟动力试验装置内同时采用可实现位移控制的电液伺服加载器 加载器与试验模型连接后构成一个弹塑性的电液位置随动系统 在整个拟动力试验过程中 这个系统应满足稳定性 准确性 平稳性及快速性的要求 结构模型的振动台模拟试验 简介 地震模拟振动台试验可以真实地再现地震过程 可以模拟若干次地震现象的初震 主震和余震的全过程 进行人工地震波模拟试验 它可以用于研究结构的动力特性 设备抗震性能以及检验结构抗震构造措施等方面 它是实验室中研究结构地震反应和破坏机理的最直接方法 以了解结构在试验的各个阶段的力学性能 而可给予人们直观了解和认识地震对结构的破坏现象 从60年代建造地震模拟振动台开始 到目前全世界已经拥有近百台中型以上的地震模拟振动台 其功能也从当年的单向发展成为目前的三向六自由度的地震模拟振动台 控制系统的性能也随着科学技术的发展得到了很大的提高 地震模拟振动台全景 结构模型的振动台模拟试验 优点 地震模拟振动台实验主要用于检验结构抗震设计理论 方法和计算模型的正确与否 尤其是许多高层结构和超高层结构都是通过缩尺模型的振动台实验来检验设计和计算结果的 事实上 只要试件的重量 尺寸和反应特征处于振动台的最大功能范围之内 都可以进行振动台实验 台面再现的波形也不仅仅限于地震波 可以是其它类型的振动问题 所以采用振动台进行实验的不仅有建筑结构 也有桥梁结构 离岸结构 水工结构以及工业产品和设备等 结构模型的振动台模拟试验 缺点 由于技术和经济条件的限制 振动台的台面尺寸和承载能力也是有限的 只能进行小比例模型的试验 这样尺寸效应 配重不足的问题都会影响试验结果的真实性 特别是进入弹塑性阶段工作时 更不可能满足相似条件 试验结果往往很难推广到原型结构中去 导致地震作用和破坏形式失真 这也是振动台试验的一个不足之处 因此限制了它的应用 实时子结构试验 传统的拟动力试验采用的是准静态的加载过程 无法考虑加载速率对结构反应的影响 而近年来在一些结构中采用了橡胶隔震器 粘滞阻尼器等一些新的元件和设施 使结构具有明显的速度依赖特征 这些特征无法采用拟动力试验予以真实反映 为了解决拟动力试验所遇到的问题 有人提出快速或连续拟动力试验方法 但这些试验方法仍无法全面反映试件的速度相关型 因为其速度仍低于实际速度 因此1992年nakashima等人提出了实时子结构试验的方法 实时子结构试验 对于结构中已经有大量试验和理论研究的部分 计算子结构 可以通过数值模型予以模拟 而对于某些重要的部分 如阻尼器等 进行试验 这就是实时子结构试验方法 实时子结构和拟动力子结构的根本区别是它要求试验子结构必须是实时的 即在指定时刻达到指定位移 速度和加速度 而拟动力试验的加载不要求实时进行 其加载速度一般比实时动力试验慢的多 正是加载的实时性使得实时子结构试验比拟动力子结构复杂的多 它对计算子结构的计算速度和试验的控制系统提出了更高的要求 同时试验的稳定性与控制系统的时滞有密切的关系 远程协同结构试验 远程协同结构试验系统的目标是建立一种网络化的研究资源 通过网络将地球上分布于各个地区的试验资源进行共享 建立新一代的试验研究系统 台湾地区的isee internet basedsimulationforearthquakeengineering 欧洲的euroseismicnet europeannetworkforseismicriskmitigation 美国的nees计划 networkforearthquakeengineeringsimulation 中国的hqh nser hunanuniversity qinghuauniversity harbinuniversity networkforstructuralexperimentandresearch 模型试验中的相似理论 模型试验理论是以相似原理和量纲分析为基础 模型设计中必须遵循相似准则 1 相似理论的概念 2 相似原理 3 量纲分析 相似理论的概念 这里所讲的相似是指模型和真型相对应的物理量的相似 它比通常所讲的几何相似概念更广泛 在进行物理变化的系统中 第一过程和第二过程相应的物理量之间的比例保持着常数 这些常数间又存在互相制约的关系 这种现象称为相似现象 1 几何相似 如果模型上所有方向的线性尺寸均按实物的相应尺寸用同一比例常数确定 则模型与原型的几何尺寸相似 2 荷载相似 如果模型所有位置上作用的荷载与原型在对应位置上的荷载方向一致 大小成比例 称为荷载相似 相似理论的概念 3 时间相似 所谓时间相似不一定是指相同的时刻 而是指只要对应的时间间隔保持同一比例 4 边界条件相似 要求模型和真型在与外界接触的区域内的各种条件保持相似 即要求支承条件相似 约束条件相似以及边界受力情况相似 模型的支承条件相约束条件可以由与真型结构构造相同的条件来满足与保证 5 初始条件相似 在动力问题中 为了保证模型与真型的动力反应相似 要求初始时刻运动的参数相似 运动的初始条件包括初始位置 初始速度和初始加速度等 模型上的速度 加速度与原型的速度和加速度在对应的位置和对应的时刻保持一定的比例 并且运动的方向一致 则称为速度和加速度相似 量纲分析 量纲的概念是在研究物理量的数量关系时产生的 它是区别量的种类 而不是区别量的度和值 如测量距离用米 厘米 英尺等不同的单位 但它们都属于长度这一种类 因此把长度称为一种量纲 以 l 表示 时间种类用时 分 秒 微秒等单位表示 它是有别于其他种类的另一种量纲 以 t 表示 通常每一种物理量都对应于一种量纲 例如表示重量的物理量w 它对应的量纲是属于力的种类 用 f 量纲表示 量纲分析 原型结构物的现场动力试验 激振法 自由振动法 脉动法 激振法 简介 激振法又称共振法 是一种较完善的测定结构动力特性的方法 在抗震试验中得到比较普遍的应用 随着起振机控制装置的改进 稳速和同步性能的不断提高 不仅可以比较准确的测得多阶平移振动的振型参数 而且可以进行扭转振型参数的测定 无论是高层房屋 或是水坝 桥梁及各种构筑物 都可以应用这一方法 近年来在我国利用这一方法对一系列的高层建筑 大型煤气罐 发射塔 海港码头和海洋石油平台等结构的动力性能进行了试验研究 取得了较好的成果 激振法 原理 利用能产生稳态简谐振动的起振机 使被测建筑物发生周期性的强迫振动 同时测建筑物振动反应的幅值 可以是位移 加速度或其它参量 当起振机的频率由低到高的改变 扫频 时 就可以记录到振幅一频率关系曲线 强迫振动的频率p可以从安装在起振机马达上的测速仪上读出 振幅a由安装在建筑物上的测振仪记录曲线给出 根据共振原理 当起振机激振频率与结构的自振频率相重合 即p f 时 反应振幅会出现极大值 即所谓共振 并且在的曲线上出现峰值 如果结构是多自由度体系 则会对应每一阶振型出现多个峰值 这种曲线称为共振曲线 曲线上共振蜂点对应的频率f1 f2 f3 即为共振频率 在小阻尼的情况下 可以近似地认为 共振频率与结构自振频率相等 由此可见 只要由实测得到p a曲线 则结构的自振频率就可求得 同时阻尼也可以从这条曲线中算得 利用激振法测定动力参数 自振周期 由共振曲线上可以求得对应于蜂点的共振频率 r 2 fr 一般认为结构的自振频率 0与 r相等 严格说由于阻尼的存在 0稍低于 r 但差别不大 实际上就不予考虑了 自振周期 利用激振法测定动力参数 阻尼比 振动分析中用阻尼比 代表阻尼的大小 利用共振曲线求阻尼比 首先要确定峰点的共振频率 r 然后在最大振幅a的处引平行于横坐标的截线并与共振曲线相交于两点 得到该两点的横坐标分别为 1和 2 于是阻尼比可按下式求