工程结构抗震试验

工程结构抗震试验 5 1概述 结构抗震试验的目的 1 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 2 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 5 1 1结构抗震试验的特点 1 荷载以动力形式出现 2 加速度作用引起惯性力 3 动荷载作用于结构有应变速率问题 5 1 2结构抗震试验内容 结构抗震试验设计 关键结构抗震试验 中心结构抗震试验分析 目的 5 1 3结构抗震试验分类 结构抗震试验可以分为两大类 结构抗震静力试验结构抗震动力试验室内 拟静力试验 拟动力试验 模拟振动台试验现场 人工地震模拟试验 天然地震试验 5 1 3 1拟静力试验 拟静力试验又称为低周反复加载试验或伪静力试验 一般给试验对象施加低周反复作用的力或位移 来模拟地震时结构的作用 并评定结构的抗震性能和能力 拟静力试验实质上是用静力加载方式模拟地震对结构物的作用 优点 在试验过程中可以随时停下来观测试件的开裂和破坏状态 并可根据试验需要改变加载历程 不足 试验的加载历程是研究者事先主观确定的 与实际地震作用历程无关 不能反映实际地震作用时应变速率的影响 5 1 3 2拟动力试验 拟动力试验又称计算机 加载器联机试验 是将计算机的计算和控制与结构试验有机地结合在一起的实验方法 优点 结构的恢复力特性不再来自数学模型 而是直接从被试验结构上实时侧取 不足 拟动力试验不能反映实际地震作用时材料应变速率的影响 拟动力试验只能通过单个或几个加载器对试件加载 不能完全模拟地震作用时结构实际所受的作用力分布 5 1 3 3地震模拟振动台试验 地震模拟振动台可以真实地再现地震过程 可以在振动台台面上再现天然地震记录 安装在振动台上的试件就能收到类似天然地震的作用 地震模拟振动台试验可以再现结构在地震作用下结构开裂 破坏的全过程 能反映应变速率的影响 对超高层或原型结构进行整体模型试验 局限性 一般振动台试验都为模型试验 比列较小 容易产生尺寸效应 难以模拟结构构造 5 1 3 4人工地震模拟试验 采用地面或地下爆炸法引起地面运动的动力效应来模拟某一烈度或某一确定性天然地震对结构的影响 对大比列模型或足尺结构进行试验 并已在实际工程试验中得到实践 优点 方法直观简单 并可考虑场地的影响 缺点 但试验费用高 难度大 5 1 3 5天然地震试验 在频繁出现地震的地区或短期预报可能出现较大地震的地区 有意识地建造一些试验性结构或在已建结构上安装测震仪 以便一旦发生地震时可以得到结构的反应 优点 方法真实 可靠 缺点 费用高 实现难度较大 5 2拟静力试验 拟静力试验方法是目前研究结构或构件抗震性能应用最广泛的试验方法 它是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试验 试件种类 梁 板 柱 节点 墙 框架和整体结构等 5 2 1加载装置 试验加载装置多采用反力墙或者专用抗侧力构架 加载设备主要是用推拉千斤顶或电伺服结构试验系统装置 并用计算机进行控制和数据采集 图5 1典型的拟静力试验系统加载 5 2 2加载制度 1 单向反复加载制度a 位移控制加载 b 力控制加载 c 力 位移混合控制加载 5 2 3钢管混凝土框架梁柱节点试验 5 2 3 1试件形式 工字型 X形 2 双向反复加载制度 a x y轴双向同步加载 b a x y轴双向非同步加载 5 2 3 2试验装置 a 梁柱节点组合体梁端加载装置 b 梁柱节点组合体有侧移柱端加载装置 C X型梁柱节点组合体试验装置 5 2 3 3试验加载程序 控制作用力和控制位移的混合加载法5 2 3 4试验观测项目荷载及支座反力 荷载 变形曲线 塑性铰区段曲线率或转角 节点核心区剪切角 梁柱纵筋应力 核心区箍筋应力 钢筋滑移 5 2 4试验数据的确定 通过拟静力试验可以得到如下数据 5 2 4 1开裂荷载 对于混凝土结构构件 取出现第一条垂直裂缝或斜裂缝时的荷载 5 2 4 2屈服荷载和屈服变形 取试验结构构件在荷载稍有增加而变形有较大增长时所承受的最小荷载和与其相应的变形为屈服变形 对混凝土构件系指受拉主筋应力屈服时的荷载或相应变形 5 2 4 3极限荷载 取试验结构构件所能承受的最大荷载值 5 2 4 4破损荷载和极限变形在试验过程中 试验构件达到极限荷载后 出现大较大变形 但仍有可能修复时所对应的荷载值 称为破损荷载 一般宜取极限荷载下降的15 时所对应的荷载值作为破损荷载 其相应的变形为极限变形 5 2 4 5骨架曲线取荷载 位移曲线各级第一循环的峰点 回载顶点 连接起来的包络线作为骨架曲线 骨架曲线在研究非线性地震时 反映了每次循环的荷载 位移曲线达到最大峰点的轨迹 反映了试验构件的抗震烈度 承载力和延性特点 5 2 4 6延性系数是指试验构件塑性变形能力的一个指标 反映了结构构件抗震性能的好坏 按下式计算 5 2 4 7退化率反映试验结构构件抗力随反复加载次数的增加而降低的指标 1 当研究承载力退化时 用承载力降低系数表示退化率并按下式计算 2 当研究刚度退化时 即在位移不变的条件下 随反复加载次数的增加而刚度降低的情况 用环线刚度表示退化率并按下式计算 5 2 4 8能量耗散试件结构构件的能量耗散能力 应以荷载 变形滞回曲线包围的面积来衡量 能量耗散系数E应按下式计算 图5 14 5 3拟动力试验拟动力试验是由计算机进行数值分析并控制加载 5 3 1拟动力试验设备 拟动力试验的加载设备与拟静力试验类似 一般由计算机 液压伺服加载器 传感器 试验台架等组成 由给定地震加速度记录通过计算机进行非线性结构动力分析 将计算机得到的位移反应作为输入数据 以控制加载器对结构进行试验 这种方法需要在试验前假定结构的恢复力特性模型 5 3 2试验步骤 1 在计算机系统中输入地震加速度时程曲线 2 把n时刻的地震加速度值代入运动方程 解除n时刻地震反应 3 由计算机控制电液伺服加载器 将施加到结构上 实现这一地震反应 4 测量 代入运动方程 计算n 1时刻的位移 量测结构反力 5 重复上述实验步骤 连续进行加载实验 直到实验结束 5 3 3拟动力试验的特点和局限性特点 1 拟动力试验能进行原型或接近原型的结构试验 2 拟动力试验过程利于观察和研究 特别是破坏过程 局限性 1 对于力学特征随时间而变化的结构物的地震反应分析将受到一定限制 也不能分析研究依赖于时间的粘滞阻尼的效果 2 拟动力试验要求需要一定的设备和技术条件 5 4模拟地震振动台试验模拟地震振动台试验可以适时地再现各种地震波的作用过程 并进行人工地震波模拟实验 它是在实验室内研究结构地震的反应和破坏机理的最直接的方法 5 4 2试验加载过程 5 4 2 1一次性加载过程 可以连续模拟结构在一次强烈地震中的整个表现与反应 但对试验过程中的量测和观察要求过高 破坏阶段的观测比较危险 2 多次加载过程 1 动力特性试验 2 振动台台面输入运动 使结构产生微裂缝 3 加大台面输入运动 使结构产生中等程度的开裂 4 加入台面输入加速度的幅值 结构振动使其主要部位产生破坏 但结构还有一定的承载能力 5 继续加大台面运动 使结构变为机动体系 稍加荷载就会发生破坏倒塌 5 4 3试验的观测和动态反应量测在模拟地震振动台试验中一般需要观测 结构的位移 加速度 应变反应 结构的开裂部位 裂缝的发展 结构的破坏部位 破坏形式等 5 5人工地震模拟试验在结构抗震研究中 利用各种精力和动力试验加载设备对结构进行加载试验 尽管能够满足部分模拟试验的要求 但是都有一定的局限性 所以 试图采用炸药爆炸产生瞬时的地面运动来模拟天然地震对结构的影响 5 5 1爆破方法 1 直接爆破法在现场安装炸药并加以引爆引爆后地面运动的基本现象是 地震运动加速度峰值随装药量增加而增高 地面运动加速度峰值离爆心距离愈近则愈高 地面运动加速度持续时间离爆心距离愈远则愈长 缺点是需要很大的装药量才能产生较好的效果 而且所产生的人工地震与天然地震总是相差较远 2 密闭爆破法密闭爆破是一种圆筒形的爆破线源 这种爆破线源是一只可重复使用的橡胶套管 钢筒设有排气孔 而在钢筒上部留有空段 并用聚酯薄膜封顶 钢管内装药量虽不大 但引爆后爆炸生成物在控制的速率下排入膨胀橡胶内 然后在它爆炸后的规定时间内用分装的少量炸药把封顶聚酯薄膜崩裂 这样 引爆后会产生两次加速度运动 一次是从钢圆筒排到外围橡胶筒所引起的 另一次是由于气体从崩破的薄膜封口排到大气中引起的 这样的爆破线可以在一定条件下同时引爆 形成爆破阵 5 5 2人工地震模拟试验的动力反应问题人工地震与天然地震之间尚存在一定的差异 人工地震 炸药爆破 加速度的幅值高 衰减快 破坏范围小 人工地震的主频率高于天然地震 人工地震的主震持续时间一般在几十毫秒至几百毫秒 比天然地震的持续时间短很多 为了更真实的模拟天然地震 可采取如下措施 1 缩小实验对象的尺寸 2 3倍 从而提高被试验对象的自振频率 可以保留试验对象在结构构造和材料性能上的特点 保持结构的真实性 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中有极大的损耗 相对的提高低频分量的影响 5 5 3人工地震模拟试验的量测技术问题 1 在试验中主要是测量地面与建筑物的动态参数 而不是直接测量爆破源的一些参数 所以要求测量仪器的频率一般在100Hz至几百赫兹 就可以满足动态测量的频响要求 2 爆破试验中干扰影响严重 特别是爆破过程中产生的电磁场干扰 这对于高频响应较好 灵敏度较高的传感器和记录设备尤为严重 为此采用低主抗的传感器 尽可能地缩短传感器至放大器之间连接导线的距离 并进行屏蔽和接地 3 整个试验的爆炸时间较短 记录下的波形不到一秒钟 所以动应变测量中 可以动应变测量用线绕电阻代替温度补偿片 可节省电阻应变计和贴片工作量 4 结构和地面质点运动参数的动态信号测量 由于爆炸时间很短 在试验中采用同步控