第5章结构抗震试验技术

1、地震工程学地震工程学-结构抗震试验技术结构抗震试验技术内封2022-6-19结构抗震试验的任务和分类结构抗震试验的任务和分类一、抗震试验的任务一、抗震试验的任务1、结构抗震性能：、结构抗震性能：一般从结构的强度、刚度、延性、耗能一般从结构的强度、刚度、延性、耗能性能、刚度退化等方面来衡量。性能、刚度退化等方面来衡量。2、结构抗震能力：、结构抗震能力：是结构抗震性能的表现。我国抗震规范是结构抗震性能的表现。我国抗震规范的结构抗震能力为的结构抗震能力为“小震不坏、中震可修、大震不倒小震不坏、中震可修、大震不倒”。3、抗震试验的任务、抗震试验的任务新材料的抗震性能研究，为推广使用提供科学依据；新材料

2、的抗震性能研究，为推广使用提供科学依据；新结构的抗震能力研究，提出新结构的抗震设计方法；新结构的抗震能力研究，提出新结构的抗震设计方法；实际结构的模型试验研究，验证结构的抗震性能和能力；实际结构的模型试验研究，验证结构的抗震性能和能力；为制定和修改抗震设计规范提供科学依据。为制定和修改抗震设计规范提供科学依据。第一节第一节 结构抗震试验试件类型结构抗震试验试件类型第一节第一节 结构抗震试验试件类型结构抗震试验试件类型第一节第一节 结构抗震试验试件类型结构抗震试验试件类型一、梁式试件一、梁式试件二、柱式试件二、柱式试件三、节点及框架组合件试件三、节点及框架组合件试件四、框架试件四、框架试件五、剪

3、力墙及墙体试件五、剪力墙及墙体试件一、梁式试件一、梁式试件二、柱式试件二、柱式试件二、柱式试件二、柱式试件三、节点及框架组合件试件三、节点及框架组合件试件三、节点及框架组合件试件三、节点及框架组合件试件四、框架试件四、框架试件四、框架试件四、框架试件五、剪力墙及墙体试件五、剪力墙及墙体试件五、剪力墙及墙体试件五、剪力墙及墙体试件第二节第二节 加载设备和装置加载设备和装置一、试验类型一、试验类型二、加载设备二、加载设备三、加载的反力装置三、加载的反力装置四、试验数据的量测与采集四、试验数据的量测与采集建筑结构试验的分类 生产性试验和科研性试验 静力试验和动力试验 真型试验和模型试验 短期载荷试验

4、和长期载荷试验 试验室试验和现场试验静力试验静力试验静力单调加载试验静力单调加载试验低周反复静力加载试验低周反复静力加载试验振动台试验振动台试验疲劳试验疲劳试验风载试验风载试验快速拟动力试验（高级计算机加载器联机试验）快速拟动力试验（高级计算机加载器联机试验）拟动力试验（计算机加载器联机试验）拟动力试验（计算机加载器联机试验）动力试验动力试验拟静力试验拟静力试验结构试验按加载性质分类结构试验按加载性质分类采集简单、离线处理，采集简单、离线处理，计算量较小，无计算速计算量较小，无计算速度要求度要求实时在线采集、在线处实时在线采集、在线处理，计算量大，计算速理，计算量大，计算速度要求高度要求高动力

5、监测试验动力监测试验承力架承力架试件试件液压加载器液压加载器操作台操作台管路系统管路系统试验台座试验台座-4-1-2-34321优点：试验试件尺寸和比例大优点：试验试件尺寸和比例大缺点：无法考虑地震的时间效应缺点：无法考虑地震的时间效应静力试验静力试验优点：能够真实模拟地震优点：能够真实模拟地震缺点：试验试件尺寸受限缺点：试验试件尺寸受限振动台试验振动台试验拟动力试验（计算机加载器联机试验）拟动力试验（计算机加载器联机试验） 按照某种确定性的地震反应进行加载。而由于结构的恢复力模型未知，运动方程无法求解，故采用“边试验、边求解”的方法分步得到实测的结构恢复力模型，然后可完成整个试验加载过程。

6、加载设备可利用伪静力试验设备，但必须可联机控制加载，即计算机控制的电液伺服加载系统(包含数个作动器，即加载器)。拟动力试验步骤拟动力试验步骤拟拟动动力力试试验验在振动台试验基在振动台试验基础上，降低时间础上，降低时间速率，在拟静力速率，在拟静力的基础上通过动的基础上通过动力微分方程求解力微分方程求解体现地震动时间体现地震动时间特性，从而既模特性，从而既模拟了地震作用，拟了地震作用，又增大了试验试又增大了试验试件尺寸件尺寸拟动力试验步骤拟动力试验步骤设备共享、设备共享、提高利用率、提高利用率、解决尺寸和空解决尺寸和空间难题、间难题、数据共享数据共享拟动力试验发展新方向之一拟动力试验发展新方向之一

7、网络联机拟动力试验网络联机拟动力试验优点优点快速：固化硬件和芯片。实时计算、速度大幅提升快速：固化硬件和芯片。实时计算、速度大幅提升准确：结合大型有限元软件，结果可靠准确：结合大型有限元软件，结果可靠精细：可以模拟局部和微观尺度的力学性能精细：可以模拟局部和微观尺度的力学性能拟动力试验发展新方向之一拟动力试验发展新方向之一快速拟动力试验快速拟动力试验优点优点健康监测试验4个风速仪 16个加速度计58个电阻应变计 148个振弦式应变计1套地秤 36个倾角仪 3个摄像头车载及动应变实时监测显示 风载、温度和应变实时监测显示 一、拟静力加载设备一、拟静力加载设备u机械式千斤顶或液压式千斤顶机械式千斤

8、顶或液压式千斤顶u电液伺服加载系统电液伺服加载系统 主要包括电液伺服作主要包括电液伺服作动器、模拟控制器、液压源、液压管路和动器、模拟控制器、液压源、液压管路和测量仪器等测量仪器等加载装置加载装置u常用的反力装置主要有反力墙、反力台座、常用的反力装置主要有反力墙、反力台座、门式刚架、反力架和相应的各种组合类型门式刚架、反力架和相应的各种组合类型u加载反力装置应具有足够的刚度、承载力加载反力装置应具有足够的刚度、承载力和整体稳定性，能够满足试件的受力状态和整体稳定性，能够满足试件的受力状态和模拟试件的实际边界条件和模拟试件的实际边界条件墙片试验装置墙片试验装置梁式构件试验装置梁式构件试验装置顶部

9、无转动的抗剪试验装置顶部无转动的抗剪试验装置梁柱节点试验装置梁柱节点试验装置测测P P效应的节点试验装置效应的节点试验装置分配梁悬吊支撑加载试验装置分配梁悬吊支撑加载试验装置力位移的关系曲线力位移的关系曲线电液伺服拟静力试验加载系统电液伺服拟静力试验加载系统第三节第三节 试验加载制度试验加载制度一、加载制度的几种方案一、加载制度的几种方案二、关于加载制度的讨论二、关于加载制度的讨论一、加载制度的几种方案一、加载制度的几种方案1、主轴向单向受力的加载制度、主轴向单向受力的加载制度 （1）变位移加载）变位移加载 （2）变力加载）变力加载 （3）变力变位移加载制度）变力变位移加载制度2、双向受力加载

10、制度、双向受力加载制度 （1）同步加载）同步加载 （2）非同步加载）非同步加载 变位移加载变位移加载u变幅加载变幅加载u等幅加载等幅加载u混合加载混合加载变幅加载变幅加载等幅加载等幅加载混合加载混合加载混合加载混合加载变力加载变力加载同步加载同步加载u当用一个加载器在与截面主轴成一定角度当用一个加载器在与截面主轴成一定角度作斜向加载时，两个主轴向的分量是同步作斜向加载时，两个主轴向的分量是同步的的u斜向加载的加载制度与单向受力加载相同斜向加载的加载制度与单向受力加载相同非同步加载非同步加载u非同步加载要用两个加载器分别在截面两非同步加载要用两个加载器分别在截面两个主轴方向加力个主轴方向加力u可

11、以先后施加荷载可以先后施加荷载u双向受力远比单向受力复杂双向受力远比单向受力复杂单向加载单向加载一向恒载、一向加载一向恒载、一向加载先后加载先后加载二、关于加载制度的讨论二、关于加载制度的讨论1、研究目的与加载制度的关系、研究目的与加载制度的关系 （1）建立恢复力模型）建立恢复力模型 （2）建立强度计算公式及研究破坏机制）建立强度计算公式及研究破坏机制 （3）改进和发展抗震构造措施）改进和发展抗震构造措施2、不同加载方案引起的耗能差异、不同加载方案引起的耗能差异3、周期性加载制度的局限性、周期性加载制度的局限性建立恢复力模型采用的加载制度建立恢复力模型采用的加载制度建立强度计算公式及研究破坏机

12、制建立强度计算公式及研究破坏机制采用的加载制度采用的加载制度改进和发展抗震构造措施改进和发展抗震构造措施比较强度或变形能力时比较强度或变形能力时改进和发展抗震构造措施改进和发展抗震构造措施比较强度和退化率时比较强度和退化率时二、不同加载方案引起的耗能差异二、不同加载方案引起的耗能差异变幅加载时，假定骨架曲线变幅加载时，假定骨架曲线不变，不同加载方案的的情况。不变，不同加载方案的的情况。第四节第四节 试验数据处理试验数据处理一、骨架曲线一、骨架曲线二、割线刚度二、割线刚度三、延性系数三、延性系数四、荷载降低系数四、荷载降低系数五、能量耗散系数五、能量耗散系数骨架曲线与荷载变形滞回曲线骨架曲线与荷

13、载变形滞回曲线包兴格效应包兴格效应(Bauschinger effect) 某些塑性材料的一种力学性质，表现为当材料受到某一方向某些塑性材料的一种力学性质，表现为当材料受到某一方向的载荷作用（如拉伸）进入塑性变形阶段后，若接着施加相的载荷作用（如拉伸）进入塑性变形阶段后，若接着施加相反方向的载荷（如压缩），将会发现此时材料的屈服应力会反方向的载荷（如压缩），将会发现此时材料的屈服应力会比直接施加后一种载荷时降低。比直接施加后一种载荷时降低。包兴格效应在绝大多数多晶金属材料中都可以观察到。一般包兴格效应在绝大多数多晶金属材料中都可以观察到。一般认为，该效应与材料内部因为塑性变形产生的残余内应力以

14、认为，该效应与材料内部因为塑性变形产生的残余内应力以及位错塞积等因素相关。及位错塞积等因素相关。强震作用下钢筋混凝土结构恢复力曲线呈现复杂的滞回特征强震作用下钢筋混凝土结构恢复力曲线呈现复杂的滞回特征,反映材料非线性、裂缝开合、钢筋反映材料非线性、裂缝开合、钢筋混凝土间黏结滑移、低混凝土间黏结滑移、低周疲劳等因素对结构强度和刚度的影响。周疲劳等因素对结构强度和刚度的影响。割线刚度割线刚度iiiiiiiFFKXXFiXi 式 中 第 次 峰 点 荷 载 值 ； 第 次 峰 点 位 移 值 。延性系数延性系数uyuyXXXX式 中 试 体 的 极 限 位 移 ； 试 体 的 屈 服 位 移 。延性

15、系数的作图法计算退化率 结构强度和刚度的退化率是指在控制位移作等幅低周反复加载时，每施加一周荷载后强度或刚度降低的速率。它反映结构在一定变形条件下，强度或刚度随反复荷载次数增加而降低的特性。退化率的大小反映了结构是否经受得起地震的反复作用，当退化率小时，说明结构有较大的耗能能力。通常采用某一控制位移下第通常采用某一控制位移下第N 次循环的峰值荷载与该级次循环的峰值荷载与该级位移下首次加载时的峰值荷载之比来表示强度衰减位移下首次加载时的峰值荷载之比来表示强度衰减第第j 级加载时第级加载时第i 次循环的峰值荷载值次循环的峰值荷载值第第j 级加载时第级加载时第1 次循环的峰值荷载值次循环的峰值荷载值

16、结构刚度退化率能量耗散系数能量耗散系数(ABC CDA)(OBE+ODF)SES结构性能循环退化示意图结构性能循环退化示意图功比系数功比系数功比系数功比系数I 是表示耗能能力的另一种指标，用来表是表示耗能能力的另一种指标，用来表达结构在加载过程中吸收能量的大小。达结构在加载过程中吸收能量的大小。Pi、i为第为第i 次循环加载时结构顶点的荷载和位移值；次循环加载时结构顶点的荷载和位移值；Py、y分别为屈服荷载和屈服位移值。分别为屈服荷载和屈服位移值。钢筋混凝土结构的功比系数不足10，而钢结构的功比系数则大于40=1=/()niiyyiIPP循环退化指数循环退化指数功比系数功比系数I 是表示耗能能

17、力的另一种指标，用来表是表示耗能能力的另一种指标，用来表达结构在加载过程中吸收能量的大小。达结构在加载过程中吸收能量的大小。3-12=1=(-)iiitjjEEEiE-1=1ijjEtE为第为第i次加载循环时结构耗散的能量；次加载循环时结构耗散的能量；为第为第i次加载循环之前结构累积耗散的能量；次加载循环之前结构累积耗散的能量；为结构的能量耗能能力，其值为结构破坏时对应的为结构的能量耗能能力，其值为结构破坏时对应的功比系数与五倍的结构弹性应变能的乘积。功比系数与五倍的结构弹性应变能的乘积。 上升段结构性能退化示意图上升段结构性能退化示意图下降段结构性能退化示意图下降段结构性能退化示意图结构卸载刚度退化示意图结构卸载刚度退化示意图结构再加载刚度加速退化示意图结构再加载刚度加速退化示意图地震损伤指标材料层次的损伤变量A为材料原始截面面积; 为受损后有效面积A、m、S0、S1、 为材料常数max、min为一次循环内的最大、最小应力地震损伤指标构件层次的损伤变量基于变形累积损伤理论基于变形累积损伤理论m、y分别为最大转角、屈服转角地震损伤指标构件层次的损伤变量基于变形累