【建筑结构试验课件】第八章_结构抗震动力

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第八章 结构抗震动力加载试验v 主要内容:v 8.1 概述v 8.2 结构抗震动力加载试验的加载制度和加载设计v 8.3 结构抗震周期性动力加载试验v 8.4 结构抗震非周期性动力加载试验第八章 结构抗震动力加载试验 本章的教学内容:v 1.动荷特性的测定:包括主振源的测定,动荷特性测试方 法;v 2.结构动力特性的测定:包括自由振动法,强迫振动法, 脉动法;v 3.结构动荷反应的测定:包括结构动荷变形的测量,结构 动力系数的测定v 4.结构疲劳试验:包括试验荷载,加荷的频率,疲劳试验 的观测。v 重点:结构动力特性的测定;结构动荷反应的测定。v 难点:动荷特性的测定,结构动荷特性的测定。第八章 结构抗震动力加载试验 8.1 概述v 结构抗震动力试验的一个目的是确定结构线 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。v 另一个目的是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。 第八章 结构抗震动力加载试验 8.1 概述v 从结构抗震工程研究发展来看,目前抗震动力试验主要是从 场地结构原型观测和试验室试验两个方面进行,抗震研究认 为结构的静态试验和结构原型弹性阶段的动态试验所取得的 资料数据,对抗震设计已不能反映客观的要求,特别是结构 工作各个阶段的动态特性参数,对结构地震反应分析愈来愈 有它的重要性。例如,多层砖石结构房屋当振动超出线性范 围后,动力特性有显著变化,主要表现为周期增长2~4倍, 阻尼也将增加两倍左右。为此必须进行原型结构进入非线性 阶段的动力试验,提供结构系统力与变形的关系、能量吸收 和破坏特征。特别是各种构件在结构中所引起的阻尼特性, 各类结构部件的连接以及非结构构件连接的特性等资料。更 由于结构建造在不同地震烈度区和各种不同条件的地基土壤 上,通过场地原型结构动力试验尚可以研究地基土壤和结构 的相互作用。 第八章 结构抗震动力加载试验 8.1 概述v 相对于原型结构,目前较多地还是在试验室进行缩小比例尺 的结构构件或模型试验。 v 随着结构动力试验设备和试验技术的发展,结构抗震动力加 载试验逐渐引起人们的注意,并开始在结构抗震研究的实践 中得到应用。在前述建筑结构低周反复静力加载试验中,由 于受试验设备和试验技术条件的限制,人们用静力加载方法 来模拟地震力的作用,以致整个试验进行全过程的时间是比 较长的,甚至可在几个小时以上,这对结构的自振周期往往 只在1秒以下相比,即使试验时间能从几小时缩短到几十秒、 几秒钟时,这还可以看作是慢加载。当然这种方法的优点是 设备简单,便于观测试验过程,但是与结构真正受动力荷载 的作用相比,没有反映应变速率的影响。为此人们总希望通 过动力加载试验来研究结构的动力反应、结构抵抗动力荷载 的实际能力与安全储备。 第八章 结构抗震动力加载试验 8.1 概述v 结构抗震动力试验的难度和复杂性比静力试 验要大,这主要是:首先,荷载是以动力形 式出现,它有速度,加速度或以一定频率对 结构产生动力响应;由于加速度作用引起惯 性力,以致荷载的大小又直接与结构本身的 质量有关;动力荷载对结构产生的共振使应 变及挠度增大。其次,动力荷载作用于结构 还有应变速率的问题,应变速率的大小,又 直接影响结构材料的强度。 第八章 结构抗震动力加载试验 8.1 概述v 在试验中人们经常用试验对象的自振周期(第一周期)作为标 准,衡量和区分静力或动力试验的界限。如果试验对象的周 期为0.3s,则加载周期超过0.3s时,可以认为是静力加载 试验,反之如小于0.3s即可作为动力试验。当然这也是一 个相对的时间概念,对于一个刚性结构,由于自振周期很小, 研究这种结构的动力滞回性能,每周加载时间就应该很小。 反之,对于柔性结构加载时间自然可以长一些,在实际工作 中,有时受试验条件的限制,国外有学者对于自振周期小于 ls的砖石结构,当试验加载周期为2s时,也称是动力试验。 在钢筋混凝土梁的试验中,当变形速度为25cm/s时,也认 为是动力试验。为此动力试验的特点是试验对象受动力荷载 作用后,反映力与变形关系的滞回曲线是在小于或等于结构 自振期的情况下获得,同时反映出结构应变速率2的影响 。 第八章 结构抗震动力加载试验 8.1 概述v 在结构试验中,人们发现加荷速度愈快,引起结构 或构件的应变速率愈高,则试件强度和弹性模量也 就相应提高。在冲击荷载作用下,强度与弹性模量 的变化尤为显著。v 在地震力作用下,钢筋的应变速率取决于构件的反 应,如钢筋混凝土框架的钢筋应变大致在0.01~ 0.02/s。v 在动力反复荷载作用下,结构的强度要比静力低周 反复加载提高10%以上,由此可见动力加载对应变 速率所产生的作用。 第八章 结构抗震动力加载试验 8.2 结构抗震动力加载试验的加载制度和加载设计v 由于试验设备和试验技术的不同,与结构抗 震静力试验一样,结构抗震动力试验可以区 分为周期性和非周期性的动力加载试验。    在结构抗震动力试验中,由于周期性的 动力加载比较容易实现,所以目前在实际试 验中应用得比较普遍,如采用偏心激振器、 电液伺服加载器及单向周期性振动台等加载 设备均能较好地满足试验要求。 第八章 结构抗震动力加载试验8.2 结构抗震动力加载试验的加载制度和加载 设计v 在试验中为了更好地反映结构受地震作用的 动力性能,采用模拟地震的非周期性动力加 载试验,更接近于结构受地震动力作用的工 作状态。这样,在结构抗震试验中,非周期 性的动力加载试验具有更大的意义。目前进 行非周期性动力加载试验的方法主要有模拟 地震振动台试验,人工地震(人工爆破)试验和 天然地震试验。 第八章 结构抗震动力加载试验8.2 结构抗震动力加载试验的加载制度和加载 设计v 8.2.1 周期性动力加载试验的加载制度v 一、强迫振动共振加载 v 强迫振动共振加载是结构动力试验中采用得 较多的一种加载制度。按加载方法的不同, 它又可分为稳态正弦激振和变频正弦激振。 第八章 结构抗震动力加载试验8.2 结构抗震动力加载试验的加载制度和加载 设计v 1.稳态正弦激振    即是在结构上作用一个按正弦变化的,作用于单一方 向的力,它的频率可以精确地保持在某—数值,这时对它所 激起的结构振动进行测量。然后将频率调到另一个值,重复 进行测量,持续进行得到整个振动过程的反应曲线。通过测 量结构在各个不同频率下结构振动的振幅,可以得到结构的 共振曲线。这种加载制度的目的是使激振频率固定在一段足 够长的时间,以便使全部瞬态运动消除并建立起均匀的稳态 运动。v 2.变频正弦激振    上述稳态正弦激振要求激振频率能在一段时间内保持 固定不变,在实际工作中发现有较大的困难,因为要满足这 种要求要有比较复杂的控制设备,因此人们采用了连续变化 频率的正弦激振方法。第八章 结构抗震动力加载试验8.2 结构抗震动力加载试验的加载制度和加载 设计v 8.2.2 非周期性动力加载试验的加载设计v 非周期动力加载设计 (1)地震模拟振动台动力加载试验的荷载设计 在进行结构的地震模拟振动台动力试验时,振动台台面的输 入都采用地面运动的加速度时程曲线。在选择和设计台面的 输入地震波时,还必须要考虑下列问题: ①试验结构的周期; ②结构实际建造时所在的场地条件; ③地震烈度和震中距离的影响; ④振动台台面的输出能力(频率范围、最大位移、速度和加 速度性能)。 为此可以选用已有通过强震观测得到的地震记录,或者按需 要的地质条件参照相近的地震记录设计出人工地震波,也可 以按规范的反应谱值设计人工地震波作为结构试验时台面的 输入信号。 第八章 结构抗震动力加载试验8.2 结构抗震动力加载试验的加载制度和加载 设计v (2)人工地震模拟动力加载试验的荷载设计v 人们采用地面或地下炸药爆炸的方法产生地 面运动的瞬时动力效应,以此模拟某一烈度 或某一确定性天然地震对结构的影响,称之 为“人工地震”。v 人工地震波对结构的影响,可采用地面质点 运动的最大速度的幅值作为衡量标准,和天 然地震波所造成地震烈度之间的参考量。第八章 结构抗震动力加载试验 8.3 结构抗震周期性动力加载试验v 8.3.1 偏心激振器周期性动力加载试验v 采用偏心激振器对结构周期性动力加载,将激振器 安装固定于结构顶层的楼板上,也可以支撑在走廊 两侧的墙壁上或走廊两侧的框架上,使激振器通过 楼板、墙柱传到整个房屋,对整体结构产生强迫振 动。v 利用共振原理测定结构的动力特性,并研究结构的 极限盈利、破坏特征和结构抗倒塌能力。第八章 结构抗震动力加载试验 8.3 结构抗震周期性动力加载试验v 8.3.2 电液伺服加载器周期性动力加载试验v 控制加载的频率与试验对象受载后所产生的 应变速率。采用控制作用力的方法加载。v 按照动力加载试验要求,对电液伺服加载器 的动载频率和活塞最大行程的要求:最大荷 载0~300kN,动载单向加载0~200kN,双向 ±200kN,动载频率0.001~0.5Hz,加载最大 行程±150mm。第八章 结构抗震动力加载试验 8.3 结构抗震周期性动力加载试验v 8.3.3 单项周期性振动台动力加载试验v 机械式、电磁式、液压式第八章 结构抗震动力加载试验 8.4 结构抗震非周期性动力加载试验v 8.4.1 地震模拟振动台动力加载试验第八章 结构抗震动力加载试验 8.4 结构抗震非周期性动力加载试验v 8.4.1 地震模拟振动台 动力加载试验第八章 结构抗震动力加载试验 8.4 结构抗震非周期性动力加载试验v 8.4.1 地震模拟振动台动力加载试验v 1、地震模拟振动台动力加载在抗震研究中应用v 研究结构动力特性、破坏机理、震害原因;v 验证抗震计算理论和计算模型正确性;v 研究动力相似理论,为模型试验提供依据;v 检验产品质量,提高抗震性能;v 为结构抗震静力试验提供试验依据。第八章 结构抗震动力加载试验 8.4 结构抗震非周期性动力加载试验v 8.4.1 地震模拟振动台动力加载试验第八章 结构抗震动力加载试验 8.
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