5.4-6动力反应疲劳试验.ppt

1、5-4结构动力反应测定,一、动应变测定 二、动位移测定（振动变位图） 三、动力系数的测定,5-4结构动力反应测定,一、动应变测定 （一）动态应变测试的特点 把应变随时间而变化的时间历程曲线连续完整地记录下来，然后再进行定量分析。 （二）动态应变测量系统框图,（三）应变值的度量 标定使电阻应变仪的桥臂产生一个标准的电阻变化量，折合成一个标准的应变量 ，称为标定值，在记录波形上记录下一个高度 ，以此度量曲线上任一时刻的实际应变，如图5-19。 则应变仪灵敏度取测量前后两次标定值的平均值，即取 ；或 式（5-35） 则曲线上任一时刻的实际应变可推出： ；或式（5-36）,图5-19 动态应变仪记录标

2、定结果曲线,5-4结构动力反应测定,5-4结构动力反应测定,(四)测量电桥 在电桥盒上可接全桥和半桥，见图5-20。 动态应变多点测量时，一个测点一个电桥，测点电桥一一对应，不能采用“公共补偿技术”。因为：动态应变随时间而变化，如果采用公共补偿技术，就不能将应变随时间而变化的时间历程曲线连续完整地记录下来。,a 半桥接法,b 全桥接法,5-20 桥盒接桥图,5-4结构动力反应测定,二、振动变位图 1. 定义 振动变位图：结构在特定荷载作用下的变形曲线。 2.测定方法 安设多个测点，将各个测点的振动曲线记录下来，见图5-21（a），根据相位关系确定变位的正、负号，再按振幅（即变位）大小以一定比例

3、画在图上，连成结构在实际动荷载作用下的振动变位图，见图5-21（b）。 3.振动变位图与振型的区别 振型:按结构的固有频率振动，由惯性力引起的弹性变形曲线，与外荷载无关，属于结构本身的动力特性。 振动变位图：是结构在特定荷载作用下的变形曲线。属于结构的动力反应，与荷载的大小、方向、频率、以及变化规律有关。 一般来说并不和结构的某一振型相一致。,图5-21双外伸梁的振动变位图,5-4结构动力反应测定,二、动力系数的测定 1. 定义 在动荷载作用下，结构的动挠度与静挠度的比值。 即： 式（5-37） 2.测定方法 (1)有轨移动荷载 先使移动荷载以极慢的速度驶过结构，由此得跨中最大静挠度，然后，再

4、使移动荷载以各种速度驶过，找出最大动挠度，见图5-22（a）。 (2)无轨动荷载 采取一次高速通过，记录图形如图5-22（b），取曲线最大值为 ，同时在曲线上绘出中线，相应于 处中线的高度即为 (即 ，a为振动的峰-峰值），由式（5-37）可求出动力系数。,yj,yd,yj,yd,图5-22动力系数测定,5-4结构动力反应测定,5-5结构抗震试验,5-5-1 拟静力试验 一、 试验方法 以一定的荷载或位移作为控制值对试件进行低周反复加载，以获得结构的非线性的荷载变形特性。拟静力试验又称低周反复加载试验或恢复力特性试验。（实质上是用静力加载方式来模拟地震对结构物的作用。） 二、试验设备与加载装置

5、 加载设备（千斤顶、电液伺服加载系统）、反力墙、试验台座、荷载架等。 三、 单向反复加载制度 三种方法：控制位移加载、控制作用力加载、控制作用力和控制位移的混合加载。 1.控制位移加载法 以位移（线位移、角位移、曲率或应变）作为控制值或以屈服位移的数倍作为控制值，按一定的位移增幅进行循环加载。 在位移控制加载中，根据位移控制的幅值不同，又可分为变幅加载、等幅加载和变幅等幅混合加载三种,如图5-23所示.,5-5结构抗震试验5-5-1 拟静力试验,变幅位移控制加载多用于研究构件的恢复力特性，并建立其恢复力模型，一般每级位移幅值下循环二三次。 等幅位移控制加载主要用于确定构件在特定位移幅值下的特定

6、性能如极限滞回耗能、强度降低率和刚度退化率。 混合位移控制加载可以综合研究构件的性能，包括等幅部分的强度和刚度变化，以及在变幅部分、特别是大变形增长强度和耗能能力的变化。图5-24所示也一种混合加载制度。,图5-23位移控制加载制度,图5-24 考虑二次地震影响的混合位移加载,5-5结构抗震试验,2.力控制加载 在加载过程中，以力作为控制值，按一定的力幅值进行循环加载。 3.力-位移混合控制加载 先以力控制进行加载，当试件达到屈服状态时改用位移控制，一直到试件破坏。图5-25为在梁-柱节点拟静力试验中的一种力-位移混合加载制度。,图5-25力-位移加载制度示意,5-5结构抗震试验,4. 双向反

7、复加载制度 1）X、Y轴双向同步加载 与单向反复加载相同，低周反复荷载在与构件截面主轴成 角的方向进行斜向加载，使X、Y两个主轴方向的分量同步作用。 反复加载同样可以采用控制位移、控制作用力和两者混合控制的加载制度。 2） X、Y轴双向非同步加载 由于X、Y两个方向不同步地先后或交替加载变化方案如图5-26。,图5-26双向低周反复加载制度,5滞回曲线和骨架曲线 （1）曲线图形 加载一周得到的荷载位移曲线叫滞回曲线，滞回环面积大小反映了试件的耗能能力。根据结构恢复力特性的试验结果，可将滞回曲线归纳为梭形、弓形、反S形及Z形四种基本形状，如图5-27。,(a) (b) (c) (d) 图5-27

8、四种典型的滞回曲线,5-5结构抗震试验,这四种滞回曲线的发生各有特点： （a）梭形：通常发生于受弯、偏压、压弯以及不发生剪切破坏的弯剪构件； （b）弓形：通常发生于剪跨比较大、剪力较小，且配有一定箍筋的弯剪构件和偏压构件，它反映了一定的滑移影响； （c）反S形：通常发生于一般框架和有剪力撑的框架、梁柱节点及剪力墙等，它反映了更多的滑移影响； （d）Z形：通常发生于小剪跨而斜裂缝又可以充分发展的构件以及锚固钢筋有较大滑移的构件，它反映了大量的滑移影响。,5-5结构抗震试验,（2）骨架曲线 在变位移幅值加载时，将各次荷载变形滞回曲线中，取所有每一级荷载第一次循环的峰值点连接的包络线作为骨架曲线。见

9、图5-28。,图5-28骨架曲线与单次加载曲线,5-5结构抗震试验,5-5结构抗震试验,（3） 强度 1）屈服荷载 有明显屈服点的试件，如图5-29所示Q- 曲线的拐点E点对应的荷载为屈服强度、变形为屈服变形。 如果没有明显的屈服点，如图5-30所示，可采用能量等效面积法近似确定。由最大荷载点A作水平线AB,由原点作割线OD与AB交于D点，由D点引垂线与曲线OA交于E点，使面积ADCA与面积相等，则此时的E点即为构件的屈服点， E点对应的荷载Qy为屈服荷载，位移为屈服位移。 2）极限荷载 构件所能承受的最大荷载。 3）破坏荷载 构件加载至极限荷载下降至85%时所对应的荷载值，变形作为极限变形。

10、,图5-29有明显屈服点构件的屈服荷载,图5-30无明显屈服点构件的屈服荷载,（4）刚度 反映结构变形能力。 加载刚度 切向刚度Ko、开裂刚度Kc、屈服刚度Ky、屈服后刚度Ks 卸载刚度Ku 重复加载刚度 等效刚度Ke （5）延性系数 延性系数是表示结构构件塑性变形能力的指标，反映是结构抗震性能的好坏。骨架曲线上，结构破坏时的极限变形和屈服时的屈服变形之比称为延性系数，即 式（5-38） 式中： -破坏荷载点相应的变形（广义变形）。 -屈服点变形。,5-5结构抗震试验,图5-31 P-曲线,5-5结构抗震试验,（6）能量耗散 结构构件吸收能量的好坏，可由滞回曲线所包围的滞回环面积和它的形状来衡

11、量。由滞回环的面积可以求得等效粘滞阻尼系数he。见图5-32。 式（5-39） He愈高，结构的耗能能力也愈强。 （7）不同加载制度引起的耗能差异,图5-32等效粘滞阻尼系数计算,5-5结构抗震试验,（7）不同加载制度引起的耗能差异 骨架曲线与滞回环之间包不住的面积叫做损失面积（阴影部分），对比图5-33（a）（c）可知，损失面积随身循环次数增加而加大；而滞回环的总面积也随周数增加而增大，并超出单调加载的面积。此外，循环开始时位移愈大则损失面积愈小（对比图5-33的（a）、（d）不同加载方案对耗能能力有影响。 如果在达到极限力前就进行大量循环则有可能找不到极限力（图5-33（c）。 从以上分析

12、知：地震是随机波，采用周期性加载有一定的局限性。,图5-33不同加载方案对耗能的影响,5-6 结构疲劳试验,疲劳现象:结构在等幅等频或变幅变频的多次重复和反复荷载作用下，由于结构某一部分局部损伤的递增和积累，导致裂纹的形成并逐步扩展，材料的极限强度降低，以致结构在低于相同静力荷载作用情况下被破坏。,5-6 结构疲劳试验,5-6-1结构疲劳试验的目的 1.研究性疲劳试验的内容 （1）钢筋及混凝土的应力随荷载重复次数的变化； （2）开裂荷载及开裂； （3）裂缝宽度、长度、间距及随荷载重复次数的变化。 （4）疲劳破坏荷载及承受疲劳荷载的重复次数； （5）最大挠度及其变化规律； （6）疲劳破坏特征。

13、2.检验性疲劳试验的内容 （1）抗裂性及开裂荷载； （2）裂缝宽度及其发展； （3）最大挠度及其变化幅度； （4）疲劳强度。,5-6 结构疲劳试验,5-6-2结构疲劳试验的方法 1.疲劳试验荷载 （1）试验荷载取值 荷载上限值Qmax：按试件在荷载标准值的最不利组合产生的效应值计算而得的。 荷载下限值Qmin：根据疲劳试验机性能而定，Qmin不应小于液压脉动加载器最大动荷载的3%。 计算Qmax和Qmin时应予考虑加载过程中构件和加载器运动部件的惯性力影响。 （2）疲劳荷载的频率选择 疲劳荷载的频率：疲劳试验荷载在单位时间内重复作用的次数。 一般不大于10Hz。为避免试验时在构件中产生动力反应

14、，甚至使构件或加载装置发生共振，加载频率应小于试件和加载装置自振频率的80%，或大于其自振频率的130%。,5-6 结构疲劳试验,2.疲劳试验加载程序 等幅疲劳试验加载程序包括静载试验、疲劳试验和破坏试验三个阶段。 （1）静载试验阶段 预载后，先作两次或三次加载、卸载循环的静载试验，每级荷载值取最大荷载Qmax的20%，分五级加载，在加载过程中，当分级加载经过Qmin时，应增设一个级次。对于允许出现裂缝的试件，应在临近开裂阶段加密荷载分级。 （2）疲劳试验阶段 先加载至Qmin，调节加载频率，施加Qmax，保持荷载稳定使误差不大于3%。宜在重复加载到1万次、10万次、50万次、100万次、20

15、0万次及40万次时停机进行静载试验，测读应变、挠度，观测裂缝。测读动应变和动挠度宜在重复加载到1万次、2万次、5万次、10万次、20万次、50万次、100万次、150万次、200万次、300万次及400万次时分别进行。,5-6 结构疲劳试验,（3）破坏试验阶段 在试验重复荷载达到要求加载的次数后，可采用静载或疲劳试验的方法，进行试件破坏试验。 当采用静载试验方法时，可继续进行分级加载，但荷载级距可以加大，最后求得破坏荷载值，如图5-34所示。,图5-34疲劳试验静载破坏加载程序,5-6 结构疲劳试验,当采用疲劳试验进行破坏试验时，可按原定的Qmax和Qmin的荷载幅值继续施加重复荷载，直至破坏

16、，求得试件施加重复荷载的极限次数，即疲劳寿命，如图5-35所示。,图5-35疲劳试验破坏的加载程序,5-6 结构疲劳试验,根据研究和试验要求的不同，如图5-36，可以在疲劳试验的过程中，在一定次数的重复荷载之后，加大荷载上限Qmax，改变荷载幅值。,图5-36变更荷载上限的疲劳试验,5-6 结构疲劳试验,3.疲劳试验的观测 可以按荷载作用下的最不利组合确定试件主要受力部位和内力控制截面。 疲劳破坏时，应记录疲劳的重复荷载作用次数、破坏特征和荷载值。 疲劳试验量测设备应考虑动态量测的要求。 5-6-3疲劳试件的破坏标志 1.正截面破坏标志 受弯构件截面配筋率为正常或低配筋率时，纵向主筋疲劳断裂破坏，配筋率过高或为倒T截面时，受压区混凝土疲劳破坏。 2.斜截面破坏标志 构件配筋率为正常或较低时，与临界斜裂缝相交的箍筋或弯