结构动力特性分析

第七章结结构动力特特性分析第一节结构抗震试试验方法简简介第二节动力性能的的一般特性性第三节基本构件的的动力特性性第四节整体结构的的动力性能能第五节恢复力曲线线模型第六节系统识别理理论10/27/20221第一节结结构抗震试试验方法简简介结构抗震试试验的主要要任务是构构件或结构构的动力破破坏机理与与破坏特征征，确定结结构的动力力特性，为为结构的动动力理论模模型提供基基础。结构试验主主要类型有有：自振特特性试验、、周期性反反复静力加加载试验、、振动台试试验和拟动动力试验。10/27/20222第一节结结构抗震试试验方法简简介（续一一）一、自振特性试试验二、周期性性反复静力力加载试验验三、振动台台试验四、拟动力力试验10/27/20223一、自振特性试试验自振特性试试验以获取取或确定结结构的自振振周期、振振型和阻尼尼为目的。。实用的方法法通常有三三种：1、自由振动动法2、共振法3、脉动法。。10/27/202241、自由振动动法自由振动法法利用阻尼尼振动衰减减原理求取取自振特性性。该法借助一一定的张拉拉释放装置置或反冲激激振器使结结构在一定定的初位移移（或初速速度）状态态下开始自自由衰减振振动，通过过记录振动动衰减曲线线，便可利利用动力学学理论求出出自振周期期。自振衰减曲曲线上两个个相邻波峰峰之间即等等于结构自自振周期。。动力特性测测定10/27/202251、自由振动动法动力特特性测测定放大器桥盒动态电阻应变仪光线示波器结构物撞击拾振器位移传感器自由振振动衰衰减量量测系系统10/27/20226自由振振动时间历历程曲曲线有阻尼自自由振振动的的运动动方程程：—阻尼比—衰减系数；；自振频频率：：即基本本周期期的倒倒数。。10/27/202272、共振振法共振法法采用用能产产生稳稳态简简谐振振动的的起振振机或或激振振器作作为振振源。。实验时时，把把激振振器安安装在在结构构适当当位置置，当当逐渐渐加大大激振振器的的输出出力量时，，可以以迫使使结构构产生生周期期性的的强迫迫振动动。在一定定输出出力量量下，，逐渐渐改变变激振振器的的激振振频率率，则则可促促成结结构的的共振振反应应。通过测测量结结构振振动反反应的的幅值值，可可以得得到共共振曲曲线和和振型型曲线线。通过对对共振振曲线线的分分析，，可以以获得得结构构的自自振频频率和和振型型阻尼尼比10/27/202282、共振振法（（振动动荷载载法））功率放大器信号发生器激振器频率仪试件放大器放大器放大器放大器记录仪相位计拾振器共振法法测量量原理理框图图10/27/20229共振时时的振动图图形和和共振振曲线线由共振曲曲线求阻尼尼系数数和阻阻尼比比衰减系数：阻尼比：参数测测定10/27/202210用共振法法测建建筑物物振型型10/27/2022113、脉动动法脉动：由于人为活活动和自然环环境的影响，，建筑物在一一般情况下都都经常产生微微幅振动（振振动以微米计计）。这种微微幅振动称之之为建筑物的的脉动。脉动法：是通过测量建建筑物的脉动动反应波形来来确定建筑物物的动力特性性。脉动信号的功功率谱峰值对对应着结构的的固有频率。。10/27/202212二、周期性反复静静力加载试验验拟静力试验：：周期性加载载是指按一定定的力或位移移周期性地反反复或重复加加载。拟静力试验始始于50年代后期、为为确定构件和和结构的恢复复力模型进行行的。根据试试验所得的荷荷载位移关系系曲线反映结结构耗能能力力的强弱，观观察并研究结结构破坏机理理。拟静力试验加载试验装置置的基本组成成部分为：反反力装置,加载器,试验台座。10/27/202213二、周期性反复静静力加载试验验大型结构试验验反力墙设备备10/27/202214二、周期性反复静静力加载试验验1．静力试验加加载制度的分分类

（1）单向反复加加载1）控制位移加加载法又又可分为变幅幅加载、等幅幅加载和变幅幅等幅混合加加载等方法。。a．变幅加载控控制位位移的变幅加加载如图8-1(a)所示。（a）控制位移（（b）控制作用力力图图8-1伪静力试验低低周反复加载载制度10/27/202215二、周期性性反复复静力力加载载试验验b．等幅加载载控制位移的的等幅加载载如图8-2所示：c．变幅等幅幅混合加载载混合加载制制度是将变变幅、等幅幅两种加载载制度结合合起来，如如图8-3所示。图8-2控制位移的的等幅加载载制度图图8-3控制位移的的变幅等幅幅混合加载载制度10/27/202216二、周期性反反复静力力加载试试验2）控制作作用力加加载法控控制作用用力的加加载制度度如图8-1(b)所示。3）控制作作用力和和控制位位移的混混合加载载法混混合合加载法法是先控控制作用用力，一一直加到到屈服荷荷载，再再用位移移控制。。从转变变为控制制位移加加载起，，即按屈屈服位移移值的倍倍数μ值控制，，直到结结构破坏坏。10/27/202217三、振动台试试验60年代末，，先后在在日本、、美国开开展振动动台的研研制和试试验。我我国在60～70年代，建建造部分分侧重于于进行正正弦波振振动试验验的振动动台，80年代建造造了一批批大、中中型地震震模拟振振动台试验目的的：了解解结构抗抗震性能能、破坏坏机制、、验证计计算模型型的正确确性振动台组组成：台台体、激激振器、、控制系系统、测测量记录录系统、、数据处处理系统统等部分分。10/27/202218三、振动台试验验交通银行大大厦振动台试验验10/27/202219三、振动台试验验试验四个过过程：结构构自振特性性的标定、、线性阶段段的试验、、非线性阶阶段的试验验和极限破破坏试验。。技术难点在在于如何处处理试验模模型与原型型的相似关关系问题。。一般采取增增加附加质质量的方法法来满足密密度相似要要求。10/27/202220四、拟动力试验验拟动力试验验（又称为为伪动力试试验或计算算机-加载器联机机试验），，即是指计计算机与试试验机联机机对试件进进行加载试试验。拟动力试验验：把电液液伺服试验验装置与计计算机控制制系统结合合起来，利利用加载试试验给出结结构恢复力力的实际数数据，利用用计算机数数值分析技技术给出加加载试验的的逐步控制制数据，为为原型结构构模拟地震震试验。10/27/202221四、拟动力试验验输入地面运运动加速度度，计算下下一步的位位移值，位位移值的转转换，量测测恢复力及及位移值，，由数据采采集系统进进行数据处处理和反应应分析。整整个试验工工作的流程程是连续循循环进行的的，全部由由计算机自自动控制操操作。拟动动力试验具具有以下特特点：拟动动力试验在在整个数值值分析过程程中不需要要对结构的的恢复力特特性作任何何假设，这这对于分析析非线性的的系统性能能特别有利利。10/27/202222四、拟动力试验验地震模拟振振动台试验验由于台面面尺寸和承承载能力的的限制，只只能进行小小比例模型型的试验，，且彼此配配重不足，，不能很好好满足相似似条件，特特别是进入入弹塑性阶阶段工作时时，更不可可能满足相相似条件，，导致地震震作用破坏坏形态失真真；拟静力力试验只能能得到构件件或结构在在反复荷载载作用下的的恢复力滞滞回特性，，不能得到到结构地震震反应全过过程；而拟拟动力试验验则是加载载试验技术术与计算机机技术相结结合的当代代先进的抗抗震试验方方法，可以以进行大比比例模型或或足尺结构构抗震试验验，可慢速速再现结构构在地震作作用下的弹弹性一弹塑塑性一倒塌塌全过程反反应，这是是具有广泛泛发展前途途的抗震试试验方法。。10/27/202223第二节动力力性能的一般般特性一、动力弹性模量量与动力极限限强度二、恢复力曲曲线三、强度退化化与刚度退化化四、裂面效应应与包兴格效效应10/27/202224一、动力弹性模量量与动力极限限强度结构材料承受受动荷载时的的性能与承受受静荷载时的的性能往往有有较大的差别别。动力弹性模量量高于静力弹弹性模量。动力极限强度度也高于静力力极限强度。。10/27/202225二、恢复力曲线滞回曲线：结结构或构件在在力循环往复复作用下得到到的力--变形曲线。骨架曲线：滞滞回曲线的外外包络线。多多数情况中，，骨架曲线与与单调加载的的力－变形曲曲线基本一致致。恢复力曲线：：滞回曲线与与骨架曲线合合称为恢复力力曲线，它表表示构件或结结构的变形履履历过程。10/27/202226二、恢复力曲曲线恢复力代代表构件件或结构构在外荷荷载去除除后恢复复原来形形状的能能力。循环往复复加载：：正向加加载--卸载--反向加载载--反向卸载载--再正向加加载重复加载载：加载载--卸载--再加载10/27/202227三、强度退退化与与刚度度退化化在循环环往复复荷载载作用用下，，当保保持相相同的的峰点点位移移时，，常常常出现现峰值值荷载载随循循环次次数增增多而而降低低的现现象，，称作作强度度退化化。10/27/202228三、强度退化与与刚度退化化当保持相同同的峰值荷荷载时，峰峰点位移往往往随循环环次数增加加而增加，，称作刚度度退化。退化性质反反映结构累累积损伤的的影响，是是结构动力力性能的重重要特性之之一。10/27/202229四、裂面效应与与包兴格效效应裂面效应即即裂面接触触效应，也也就是在反反复荷载下下的钢混材材料，开裂裂的砼再受受压时，具具有裂面局局部接触以以传递压力力的效应。。造成裂面效效应的根本本原因是在在裂面重新新受压时，，骨料咬合合作用使裂裂缝在完全全闭合之前前就已传递递较大的压压力。试验验指出，裂裂缝越宽，，裂面接触触效应越显显著。10/27/202230四、裂面效应与包包兴格效应循环往复加荷荷荷载变位曲曲线的另一特特点是屈服后后反向加载时时应力可能明明显降低，这这一现象称之之为包兴格效效应。10/27/202231第三节基本构件的动动力特性一、钢筋混凝土构构件二、钢结构构构件三、砌体构件件10/27/202232一、钢筋混凝土构构件1、受弯构件；；2、压弯构件；；3、受扭构件；；4、梁-柱节点；5、剪力墙；10/27/2022331、受弯构件受弯构件：受受弯构件是指指没有轴力影影响，且以弯弯矩作用为主主的梁式构件件。在循环往复荷荷载下的破坏坏属于纤维性性破坏，即受受拉钢筋超过过屈服应力后后受压钢筋压压曲而破坏，，因此，构件件具有较大的的延性。对比试验表明明，对称配筋筋梁具有较好好的延性，耗耗能能力亦较较非对称配筋筋梁好。加密箍筋可以以增加耗能能能力，但不能能完全消除捏捏拢现象。10/27/2022341、受弯构件钢筋屈服前，，循环往复荷荷载下梁的骨骨架曲线与单单调加荷时梁梁的力——变形曲线基本本重合，滞回回环基本呈稳稳定的梭形，，刚度与强度度退化均较小小。而在钢筋筋屈服以后，，由于钢筋的的包兴格效应应、混凝土裂裂缝的开张与与闭合、钢筋筋与混凝土之之间粘结力的的破坏，滞回回曲线将出现现“捏拢”现现象，同时，，刚度退化现现象亦渐趋明明显。10/27/2022351、受弯构构件剪力的存存在不利利于受弯弯构件良良好地发发挥抗震震性能。。图（a）剪力相相对较小小，滞回回曲线基基本呈““梭形””，图（（b）剪力较较大，滞滞回环呈呈现显著著的“捏捏拢”现现象，耗耗能能力力明显降降低。10/27/2022362、压弯构构件压弯构件件主要模模拟框架架或排架架柱的受受力情况况。由于于轴力的的存在，，使构件件延性降降低，耗耗能能力力减小。。在无轴轴力情况况下，滞滞回环最最为丰满满，随着着轴压比比的提高高，滞回回环呈捏捏拢现象象，最终终成为所所谓“弓弓形”的的滞回曲曲线。10/27/202237二、钢结构构件件1、梁与柱柱2、梁－柱柱节点连连接3、梁－柱柱节点域域4、支撑10/27/2022381、梁与柱钢是一种良良好的抗震震材料，然然而这种说说法是有条条件的，在在循环往复复荷载作用用下整体或或局部的失失稳与低周周疲劳断裂裂都有可能能导致钢结结构构件出出现非延性性破坏。10/27/2022392、梁－柱节节点连接接钢结构的的梁－柱柱节点连连接，有有全焊接接、翼板板焊接、、腹板螺螺栓连接接和全螺螺栓连接接等诸多多形式。。良好的的焊接节节点（包包括翼板板焊接、、腹板螺螺栓连接接节点））具有稳稳定的滞滞回性能能，而螺螺栓连接接节点则则可能因因螺栓的的滑动使使滞回环环呈滑移移形式。。10/27/2022403、梁－柱节节点域钢框架中中的梁－－柱节点点域在梁梁不平衡衡弯矩和和柱端剪剪力作用用下，会会产生较较大的剪剪切变形形，对结结构的内内力和变变形均有有较大影影响。满满足局部部稳定条条件的梁梁－柱节节点域具具有饱满满、稳定定的滞回回曲线。。10/27/2022414、支撑单件支撑撑在不同同变形幅幅度下的的循环往往复试验验滞回曲曲线典型型情况如如图。这这一发现现导致人人们曾试试图将两两个交叉叉支撑视视为两个个单杆支支撑，利利用单杆杆支撑的的滞回性性质来集集合交叉叉支撑的的滞回性性质。但但后来的的研究表表明，这这种近似似难以反反应两支支撑间的的相互作作用影响响。10/27/202242第四节节整体结结构的的动力力性能能一、周期与与阻尼尼二、内内力重重分布布与变变形集集中三、双双向地地震作作用四、扭扭转反反应10/27/202243一、周期与与阻尼尼对建筑筑物进进行大大规模模的自自振特特性的的观测测，积积累了了数以以千计计的试试验数数据，，得到到经验验公式式，按按我国国试验验数据据总结结的常常见结结构基基本周周期计计算公公式。。10/27/202244一、周期与与阻尼尼结构自自振周周期的的大小小与结结构的的变形形阶段段密切切相关关。上上述经经验结结果一一般是是指在在弹性性变形形状态态下的的值。。在非非线性性变形形状态态下，，结构构自振振周期期是一一个变变量。。带构造造柱多多层砖砖房试试验结结果说说明，，开裂裂后，，结构构第一一频率率下降降约一一半，，相当当于结结构刚刚度降降低4倍；开开裂后后，较较高振振型振振动所所消耗耗能量量显著著增加加。10/27/202245二、内力重分布布与变形集集中在循环往复复荷载作用用下，由于于荷载的反反向作用和和结构内部部的累积，，使内力重重分布规律律更趋复杂杂而不易掌掌握。钢筋混凝土土框架结构构的弹塑性性性能及破破坏机理，，除与其基基本构件的的恢复力特特性密切关关系外，还还与结构中中塑性铰形形成的过程程有重要关关系。在框架结构构首先出现现梁塑性铰铰后，若能能使框架在在内力重分分配中依次次较均匀地地出现塑性性铰，则框框架结构将将具有最好好的延性。。10/27/202246二、内力重分布布与变形集集中(续一)塑性铰的形形成是非线线性变形在在构件一小小区段内地地集中，与与之类似，，整体结构构层间屈服服会造成非非线性变形形在该层的的集中。在地震中，，结构将首首先在薄弱弱层发生破破坏。由于于结构内力力重分布的的作用，结结构累积损损伤效应、、结构振动动内力传播播的特点等等因素的综综合影响，，这种薄弱弱层的破坏坏将迅速恶恶化，形成成非线性变变形集中于于这一层或或几层的不不利情况。。试验表明，，在弹性变变形阶段变变形较大的的层在弹塑塑性阶段不不一定变形形最大。说说明弹塑性性变形的集集中不仅与与层间刚度度有关，还还与层间强强度密切相相关。10/27/202247三、双向地震作作用双向地震作作用:相互垂直的的两个水平平方向或水水平向与竖竖向两种情情况。在双向地震震作用下，，结构构件件存在着强强度相互作作用影响和和刚度相互互作用影响响,将使结构在在双向地震震作用下的的反应增大大。试验指出，，双向地震震波对非对对称结构位位移反应的的影响较对对称结构大大；双向地地震波对框框架柱的局局部屈曲有有不利的影影响。理论分析表表明，双向向地震作用用对弹塑性性层间相对对位移的影影响比对楼楼层位移反反应的影响响大;对结构下层层的影响比比对结构上上层的影响响大。10/27/202248四、扭转反应实际工程中中，存在结结构质心与与刚心不重重合的结构构物。震害调查表表明，这种种结构特征征使地震中中的扭转破破坏现象十十分突出。。试验发现，，偏心结构构在双向地地震作用下下的扭转反反应突出而而且明显，，角部破坏坏严重，边边墙首先开开裂，墙体体塌落自外外向内发展展是扭转反反应的典型型表现。一般规律：：在结构的的初始损伤伤阶段，扭扭转反应随随结构损伤伤的发展而而增加，而而在结构进进入到接近近或超过层层间屈服的的严重损伤伤阶段，扭扭转反应又又趋于降低低。10/27/202249第五节恢复力曲线线模型一、恢复力曲线线的实验拟拟合法二、几个重重要的恢复复力曲线模模型10/27/202250一、恢复力曲线线的实验拟拟合法实验拟合法法是根据实实验散点图图，利用一一定的数学学模型，定定量地确定定出骨架曲线和不同控制制变形下的的标准滞回环环，然后将骨骨架曲线和和各标准滞滞回环结合合起来组成成恢复力曲线线，并利用不不同控制变变形下的标标准滞回环环相比较确确定反复加加荷时的退退化规律。。实验拟合法法所依据的的背景一般般是周期性性的拟静力力试验。10/27/202251一、恢复力曲线的的实验拟合法法(续一)1、骨架曲线采用无量纲坐坐标，将实验验数据点在图图上。。这里分别表示屈服服变形和屈服服荷载。从图上可见，，屈服之前，轴力力对骨架曲线的影响响不大；在A点，实验点的的趋势有一明显转转折；屈服之后，离散散性较大，总的趋势是随随轴力的增加，延性段段逐渐减小，，下降段斜率率逐渐增加。。于是可用四折线来来表示骨架曲曲线。10/27/202252一、恢复力曲线的的实验拟合法法(续二)2、标准滞回环环与上述做法类类似，可以得得到近屈服点点和近极限点点处的两种标标准滞回环。。10/27/202253一、恢复力曲线的的实验拟合法法(续三)3、刚度退化规规律以屈服滞回环环的刚度为Ky，以极限滞回环环的刚度为Ku，则退化刚度KT可表示为：上式表明，刚刚度退化随绝对值的增加加而发展。应应该指出，由由于从实验拟拟合的角度出出发，上式同同时表达了滞滞回环各线段段的刚度退化化规律，对应应于图的各线线段，刚度Ky与Ku分别由公式(5.6)取值.把骨架曲线、、标准滞回环环、刚度退化化规律相结合合，就可以组