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1、第七章 结构抗震试验,第七章 结构抗震试验,7.1 结构抗震试验的任务和分类7.1.1 抗震试验的任务1、结构抗震性能：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。2、结构抗震能力：是结构抗震性能的表现。我国抗震规范的结构抗震能力 为“小震不坏、中震可修、大震不倒”。3、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；为制定和修改抗震设计规范提供科学依据。,结构抗震试验,低周反复静力试验拟动力试验地震模拟振动台试验,7.1.2、抗震试验分类和特点,1、低周反复加载试验
2、 最常用的抗震试验方法，又称伪静力试验或拟静力试验，属于静力试验的范畴。对试验对象施加低周反复作用的力或位移，模拟地震对结构的作用优点：设备简单，经济好；试验过程中可以观测开裂和破坏状态，校核试验数据和工作情况，格局试验需要改变加载历程。缺点：在于实验的加载历程是研究者预先主观确定的与实际地震作用历程无关试验的加载历程与实际地震作用历程无关（研究者预先主观确定的）；不能反映实际地震作用时应变速率的影响（加载周期长)。,7.1.2、抗震试验分类和特点,2、拟动力试验概念：又称伪动力试验或联机试验。又称伪动力试验或计算机加载器联机试验。试验加载可按输入地面运动加速度时程，由计算机求得结构的位移时程
3、，控制加载器施加荷载。它是一种对结构边分析边试验的抗震研究方法。拟动力试验具有以下特点：A拟动力试验在整个数值分析过程中不需要对结构的恢复力特性作任何的假设，这对于分析结构弹塑性阶段的性能特别有利。对于恢复力特性比较复杂的结构，可以根据试验结果来再现实际的地震反应。B由于拟动力试验加载的时间周期可以刻设置得较长，为此，同样有条件给试验者以足够的时间来观测结构性能变化和受损破坏的过程，从而获得比较详尽的数据资料。C由于拟动力的加载器作用力大，可进行大比例尺试件的模拟地震试验，从而弥补了模拟地震振动台试验时，小比例尺模型的尺寸效应，并能较好地反映结构的构造要求。 拟动力试验也有其不足之处。首先，拟
4、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；另外，结构的阻尼也较难在试验中发现。,3、振动台试验 振动台模拟天然地震记录，使结构经历类似天然地震的作用，从而再现结构在地震作用下的全过程，同时能反映应变速率的影响。 振动台试验的模型比例较小，容易产生尺寸效应，难以模拟结构构造，且试验费用较高。,7.2 结构伪静力试验,7.2.1 加载制度A单向反复加载制度 目前国内外较为普遍采用的单向反复加载方案有控制位移加载、控制作用力加载以及控制作用力和控制位移的混合加载等三种方法。控制位移加载又可分为变幅加
5、载、等幅加载和变幅加载混合加载三种。变幅等幅混合加载的方案使用得最多。B双向反复加载制度 为了研究地震对结构构件的空间组合效应，克服在采用结构构件单方向加载时不考虑另一方向地震作用对结构影响的局限性，可在X、Y两个主轴方向同时施加低周反复荷载。若对框架柱或压杆的空间受力和框架梁柱节点在两个主轴方向所在平面内采用梁端加载方案施加反复荷载试验，可采用双向同步或非同步的加载制度。,2. 力控制：以力为控制值，适合刚度较大小结构，采用较少。加载控制方法也有变幅、等幅和混合加载。3. 混合控制：先力控制，屈服之后以屈服位移的倍数为控制。,混合加载: 综合地研究构件的性能，其中包括等幅部分的强度和刚度变化
6、，以及在变幅部分特别是大变形增长情况下强度和耗能能力的变化。,二、加载设计1、墙体加载,高宽比=1/3,二、加载设计1、墙体加载,高宽比=1/3,固端平移式试验装置可模拟墙体实际受力与边界条件，保证在试验中只允许墙体顶部产生水平位移。,2、节点加载装置（无侧移）,节点加载装置（有侧移）,7.2.3 观测设计,1、墙体试验裂缝及开裂荷载：肉眼、应变或刚度突变、脆涂等破坏荷载：荷载传感器直接读数或x-y仪记录曲线墙体位移荷载位移曲线： x-y仪应变测量：电子引伸义,2、框架节点,荷载及支座反力：用测力传感器测定，对于在梁端加载测量柱端水平反力；反之，柱端加载方案则测量梁端支座反力。 荷载一变形曲线
7、：采用电测位移传感器，通过XY函数记录仪记录或接入计算机数据采集系统。梁和柱端位移：采用电测位移传感器，重点是量测加载截面处的位移。构件塑性铰区段曲率或转角：对于梁，一般在距柱面（l2）hb（梁高）或hb处布点，对于柱子则可在距梁面(12)hc（柱宽）处布点。节点核心区剪切角：通过量测核心区对角线的位移量来计算确定。梁柱纵筋应力：一般用电阻应变计量测，测点布置以梁柱相交处截面为主。核心区箍筋应力、梁纵筋滑移裂缝开展及宽度,梁柱端位移、曲率转角、剪切角、,核心区箍筋应力：沿核心区对角线方向布置梁内纵筋核心区滑移：通过量测靠近柱面C处梁主筋上B点及B点相对于柱面处钢筋上A点之间的位移。,7.2.4
8、 低周反复加载试验的数据资料整理,1）强度开裂荷载：试件出现水平裂缝、垂直裂缝或斜裂缝时的截面内力或应力值。屈服荷载：试件刚度开始明显变化时的截面内力或应力值。,对受弯或大偏压指受拉主筋屈服、受剪或受扭指受力箍筋屈服、小偏心受压或轴心受压短柱指混凝土出现纵向裂缝。 对有明显屈服点者由曲线的拐点确定，对没有明显的屈服点用能量等效面积法近似确定屈服强度。,无明显屈服点情况-能量等效面积法,极限荷载：试件达到最大承载力时的内力和应力。破损荷载：试件经历最大承载力后，达到某一剩余承载能力时的内力或应力值。常取极限荷载的85%极限位移：破损荷载对应的位移。2）刚度初次加载刚度K0卸载刚度Ku反向加载DC
9、、卸载刚度CD 和重复加载刚度DC等效刚度Ke,屈服刚度,开裂刚度,3）骨架曲线 每级荷载变形滞回曲线的第一次循环的峰点（卸载顶点）的连接包络线称为骨架曲线，形状和单次加载曲线相似而极限荷载略低一些。,4） 延性系数 延性系数反映结构构件的变形能力，是评价结构抗震性能的一个重要指标。它指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。,5)退化率,结构强度和刚度的退化率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
10、耗能能力。,结构刚度退化率,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量。由滞回环的面积可以求得等效粘滞阻尼系数he。he愈高，结构的耗能能力也愈强。,7.3 拟动力试验,7.3.1 拟动力试验流程拟动力试验是利用来监测和控制整个试验，它是一种把计算机分析和恢复力实测结合起来的半理论半试验的非线性地震反应分析方法。基本过程如下：1）输入地面加速度值。2）根据结构的初始刚度和结构质量，利用输入的第1时刻地面加速度值，采用NEWMARK等方法计算结构该时刻的地震位移反应。3）通过计算机控制液压伺服加载器使结构发生上述位移值。4）通过测量系统测量结构此时产生的
11、恢复力和位移。5）根据测量获得的恢复力和位移，采用NEWMARK等方法重新计算结构下一时刻的地震位移反应。6）重复3-5，直到整个地震记录完成。,拟动力试验流程,7.4 地震模拟振动台试验,7.4.1 加载设计 地震模拟振动台是再现各种地震波对结构进行动力试验的一种先进试验设备，其特点是具有自动控制和数据采集及处理系统，采用了计算机和闭环伺服液压控制技术，并配合先进的振动测量仪器，可以在实验室内进行结构物的地震模拟试验，以求得地震反应对结构的影响。地震模拟振动台由台面、液压驱动系统、控制系统、测试和分析系统组成。,7.4 地震模拟振动台试验,1试验结构的周期 如果模拟长周期结构并研究它的破坏机
12、理，就要选择长周期分量占主导地位的地震记录或人工地震波，以便结构能产生多次瞬时共振而得到清晰的变化和破坏形式。2结构所在的场地条件 如果要评价建立在某一类场地土上的结构的抗震能力，就应选择与这地震记录的频谱特性尽可能与场地土的频谱特性相一致类场地土相适应的地震记录，即要求选择，并需要考虑地震烈度和震中距离的影响。当实际工程进行地震模拟振动台模型试验时，这一个条件尤其重要。3考虑振动台台面的输出能力 主要考虑振动台台面输出的频率范围、最大位移、速度和加速度、台面承载能力等性能，在试验前应认真核查振动台台面特性曲线是否满足试验要求。,7.4.1 加载设计,7.4.2 加载方案,1、一次性加载：从弹
13、性到弹塑性直至破坏阶段的全过程在一次加载过程中全部完成。主要特点是可以较好地连续模拟结构在一次强烈地震中的整个表现与反应，但是对试验过程中的量测和观察要求较高，特别是在初裂阶段难以观察到结构各个部位上的微裂缝。对于破坏阶段的观测更有危险，这时要求用高速摄影和电视摄像的方法记录试验过程，因此在没有足够经验的情况下很少采用这种方法。2、多次性加载 大多数的研究者都采用多次性加载的方案来进行试验研究。一般情况可分为： l）动力特性试验，以得到结构在各阶段的各种动力特性。,2）振动台台面输人运动，使结构产生微裂缝。例如结构底层墙柱微裂或结构的薄弱部位微裂。 3）加大台面输人运动，使结构产生中等程度的开
14、裂。例如剪力墙、梁柱节点等会产生明显的裂缝，停止加载后裂缝不能完全闭合。4）加大台面输人加速度的幅值，结构振动使剪力墙、梁柱节点等主要部位产生破坏，受拉钢筋屈服，受压钢筋压屈，裂缝贯通整个截面，但结构还有一定的承载能力。5）继续加大振动台台面运动，使结构变为机动体系，稍加荷载就会发生破坏倒塌。,7.4.3 观测设计,内容：一般需测结构的位移、加速度和应变反应，以及结构的开裂部位、裂缝的发展、结构的破坏部位和破坏形式等。位移和加速度测点一般布置在最大位移或加速度的部位，对于整体结构的房屋模型试验，则在主要楼面和顶层高度的位置上布置位移和加速度传感器（要求传感器的频响范围为0100HZ）。层间位移
15、：在相邻两楼层布置位移或加速度传感器（通过二次积分转化为位移信号）。主要受力部位：测量钢筋和混凝土的应变、钢筋和混凝土的粘结滑移等参数。数据采集：由计算机终数据采集系统采集记录试验数据。,7.4.4 安全措施,1试件设计应进行吊装验算，避免试件在吊装过程中发生破坏。2试件与振动台的安装应牢固，对安装螺栓的强度和刚度应进行验。3试验人员在上下振动台台面时应注意台面和基坑地面之间的间隙，防止发生掉人或摔倒事故。4传感器应与试件牢固连接，并应做好预防掉落的措施5用吊车通过绳索或钢丝绳保护，防止试件倒塌时损坏振动台和周围设施。 6应做警戒标志，防止与试验无关的人员进人试验区。,模型设计,模型设计采用量
16、纲分析的方法,基本物理量为长度L、时间T、和质量M,7.5 振动台实例,1、概述 上海星海大厦，地下2层，地上24层，立面上4-20层开了巨大洞口。为了研究该建筑的抗震性能，采用1:25微粒混凝土模型进行了振动台试验。2、模型设计 在设计结构动力模型时，完全满足模型与原型的相似关系是十分困难的。本试验主要研究地震时结构的性能，因此设计时着重考虑满足抗侧力构件相似关系，使墙、柱、梁、板构件及其节点满足尺寸、配筋（配筋按等强换算）等相似关系，用设置配重的方法满足质量和荷载的相似关系。,模 型 相 似 系 数,3、模型制作,模型主体采用微粒砼和镀锌铁丝制作，柱、梁、板、墙等构件尺寸及配筋由相似关系计
17、算得出。柱中纵向钢筋与箍筋的连接采用锡焊。梁、板中配点焊铁丝网或镀锌铁丝。 微粒混凝土设计强度指标为C12.8、C11.4和C10.0，弹性模量为95288532MPa。弹性模量与理论值较接近，而强度都低于理论值。由于小比例模型在弹性阶段与原型相似较好，而破坏阶段只能供参考，所以本项研究尽量满足弹性模量相似，这使模型与原型在自振频率方面相似较好，而开裂烈度模型小于原型，破坏程度模型大于原型。由于模型比例较小，精度要求较高，因此对施工有特殊要求。采用有机玻璃板作为外模，易于观察浇筑情况。内模采用泡沫塑料，易于拆模。模型外形见下图,4、试验输入地震波,地震波：EL_CENTRO波、San-Fern
18、ando波、上海人工波烈度大小：七度多遇地震、基本烈度地震、罕遇地震5、试验结果1）试验现象：七度多遇地震（35gal）：未发现裂缝。基本烈度地震（100gal）: EL_CENTRO波输入时，3、4、5剪力墙开裂， San-Fernando波时裂缝增多；人工波时，裂缝扩展，裂缝进一步增多。罕遇地震（220gal）:3-5层出现较大裂缝，许多裂缝贯穿，钢筋屈服，但模型未倒。,2）模型动力特性,输入地震波，先输入白噪声，测得结构的自振频率和阻尼比。见下表： 模型自振频率和阻尼比,频率和振型变化,多遇三向地震波（SanFernando）输人时X向自振频率下降，结构刚度开始改变，表明模型有微裂缝。随
19、着地震波输人幅度的增大，结构刚度不断减小，七度罕遇地震ELCentro地震波输人时，模型X方向第一自振频率降至4.557Hz，Y方向的第一自振频率降至2.604Hz。Y方向的开裂程度比X方向严重，刚度蜕化严重。 模型开裂后振型变化也很大。第一振型由试验前的斜向振动变成了Y向振动，第2振型变成了X向振动，说明结构的主惯性轴发生了较大的转动,3）加速度反应,结构东面加速度反应和西面加速度反应不一致。这是由于高振型和扭转振型所致。模型开裂后，在二塔楼中部加速度反应较大。随着开裂程度的加深，自振频率降低，高振型与地震波卓越频率合拍，从而在塔楼中部引起较大的加速度反应。动力放大系数随烈度提高而减小，说明
20、模型刚度下降，阻尼增大，结构进人非线性后使动力放大系数有所降低。在相同烈度水准下，模型加速度反应一般以人工波输人时为最大。,4）位移反应,模型东西两侧位移反应不一致，这是由于结构不对称； 结构反应为空间反应（翘曲，扭转等）。相同烈度下，人工波输人时的位移反应为最大。5）模型应变反应 剪力墙的应变反应最大，是柱和梁应变反应的两倍多，所以在试验中剪力墙首先开裂，破坏严重。剪力墙应变：七度多遇地震：最大应变290，出现在3层，表明剪力墙已微裂。基本烈度地震：最大应变出现在3层，为724，剪力墙已开裂。七度罕遇地震：最大应变出现在3层，为949。,柱应变：七度多遇地震：最大应变出现在底层，为135。基本烈度地震：最大应变出现在底层，为289，柱已微裂。七度罕遇地震：最大应变出现在底层，为448，柱已开裂。梁应变梁的最大应变出现在21层深梁底，七度多遇地震时为129。在七度基本烈度地震作用下，为697，该测点处已开裂。在七度罕遇地震作用下，为999。从21层深梁底应变反应可知：门洞处深梁跨度小应力大、跨度大应力小。,
