第五章工程結(jié)構(gòu)抗震試驗(yàn)主講教師：劉勝兵2025/5/102主要內(nèi)容1概述2擬靜力試驗(yàn)3擬動(dòng)力試驗(yàn)4模擬地震振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)5人工地震模擬試驗(yàn)6天然地震試驗(yàn)2025/5/103

結(jié)構(gòu)抗震試驗(yàn)的目的確定結(jié)構(gòu)線性動(dòng)力特性結(jié)構(gòu)在彈性階段變形比較小的情況下的自振周期、振型、能量耗散和阻尼值。研究結(jié)構(gòu)的非線性性能結(jié)構(gòu)進(jìn)入非線性階段的能量耗散、滯回特性、延性性能、破壞機(jī)理和破壞特征。概述2025/5/104擬靜力試驗(yàn)擬動(dòng)力試驗(yàn)地震模擬振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)人工地震試驗(yàn)天然地震試驗(yàn)常見的結(jié)構(gòu)抗震試驗(yàn)2025/5/1051、試驗(yàn)方法

該方法的加載速率很低，因此由于加載速率而引起的應(yīng)力、應(yīng)變的變化速率對(duì)于試驗(yàn)結(jié)果的影響很小，可以忽略不計(jì)。

是以一定的荷載或位移作為控制值對(duì)試件進(jìn)行低周反復(fù)加載（正反兩個(gè)方向重復(fù)加載和卸載），用以模擬地震時(shí)結(jié)構(gòu)在往復(fù)振動(dòng)中的受力特點(diǎn)和變形特點(diǎn)，以獲得結(jié)構(gòu)非線性的荷載—變形特性。一、擬靜力試驗(yàn)2025/5/1062、試驗(yàn)設(shè)備與加載裝置雙向千斤頂；反力墻；試驗(yàn)臺(tái)座；荷載架，等。一、擬靜力試驗(yàn)2025/5/107《建筑抗震試驗(yàn)方法規(guī)程》(JGJ101-96)建議的幾種試驗(yàn)加載裝置(a)墻片試驗(yàn)裝置(b)梁式構(gòu)件試驗(yàn)裝置一、擬靜力試驗(yàn)2025/5/108鋼框架梁柱節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)(c)梁柱節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)梁端加載裝置一、擬靜力試驗(yàn)2025/5/1093、單向反復(fù)加載制度(1)位移控制加載

位移控制加載是在加載過(guò)程中以位移(包括線位移、角位移、曲率或應(yīng)變等)作為控制值或以屈服位移的倍數(shù)作為控制值，按一定的位移增幅進(jìn)行循環(huán)加載。一、擬靜力試驗(yàn)2025/5/1010(a)變幅加載(b)等幅加載(c)變幅等幅混合加載位移控制加載制度一、擬靜力試驗(yàn)2025/5/1011考慮地震影響的混合位移加載制度一、擬靜力試驗(yàn)2025/5/1012(2)力控制加載

力控制加載是在加載過(guò)程中以力作為控制值，按一定的力增幅進(jìn)行循環(huán)加載。因?yàn)樵嚰箅y以控制加載的力，所以這種加載制度較少單獨(dú)使用。一、擬靜力試驗(yàn)2025/5/1013(3)力—位移混合控制加載梁柱節(jié)點(diǎn)通常采用的方案一、擬靜力試驗(yàn)2025/5/10144、雙向反復(fù)加載制度(1)x、y軸雙向同步加載(2)x、y軸雙向非同步加載一、擬靜力試驗(yàn)2025/5/10155、滯回曲線和骨架曲線(1)滯回曲線

加載一周得到的荷載—位移曲線稱為滯回曲線（滯回環(huán)）。梭形、弓形、反S形、Z形一、擬靜力試驗(yàn)2025/5/1016梭形說(shuō)明滯回曲線的形狀非常飽滿，反映出整個(gè)結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的塑性變形能力很強(qiáng)，具有很好的抗震性能和耗能能力。例如受彎、偏壓、壓彎以及不發(fā)生剪切破壞的彎剪構(gòu)件，具有良好塑性變形能力的鋼框架結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的P一△滯回曲線即呈梭形。

一、擬靜力試驗(yàn)2025/5/1017弓形具有“捏縮”效應(yīng)，顯示出滯回曲線受到了一定的滑移影響。滯回曲線的形狀比較飽滿，但飽滿程度比梭形要低，反映出整個(gè)結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的塑性變形能力比較強(qiáng)，能較好地吸收地震能量。例如剪跨比較大，剪力較小并配有一定箍筋的彎剪構(gòu)件和壓彎剪構(gòu)件，一般的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，其滯回曲線均屬此類。一、擬靜力試驗(yàn)2025/5/1018反S形反映了更多的滑移影響，滯回曲線的形狀不飽滿，說(shuō)明該結(jié)構(gòu)或構(gòu)件延性和吸收地震能量的能力較差。例如一般框架、梁柱節(jié)點(diǎn)和剪力墻等的滯回曲線均屬此類。一、擬靜力試驗(yàn)2025/5/1019Z形反映出滯回曲線受到了大量的滑移影響，具有滑移性質(zhì)。例如小剪跨而斜裂縫又可以充分發(fā)展的構(gòu)件以及錨固鋼筋有較大滑移的構(gòu)件等，其滯回曲線均屬此類。一、擬靜力試驗(yàn)2025/5/1020(2)骨架曲線

在變幅位移加載試驗(yàn)中，把每次滯回曲線的峰點(diǎn)都連接起來(lái)的包絡(luò)線稱骨架曲線。反映了構(gòu)件受力與變形的各個(gè)不同階段及特性

（強(qiáng)度、剛度、延性、耗能及抗倒塌能力等）。

骨架曲線與單次加載曲線一、擬靜力試驗(yàn)2025/5/1021(3)強(qiáng)度

根據(jù)滯回曲線和骨架曲線可以分析結(jié)構(gòu)構(gòu)件的開裂荷載、屈服荷載、極限荷載和破壞荷載。一、擬靜力試驗(yàn)2025/5/1022(4)延性

延性系數(shù)定義為構(gòu)件極限位移與屈服位移之比。位移為廣義位移，包括線位移、曲率、轉(zhuǎn)角等。延性反應(yīng)了結(jié)構(gòu)抗震性能的好壞。一、擬靜力試驗(yàn)2025/5/10232025/5/1024二、擬動(dòng)力試驗(yàn)試驗(yàn)方法：是由計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)值分析并控制加載，即由給定地震加速度記錄通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行非線性結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析，將計(jì)算得到的位移反應(yīng)作為輸入數(shù)據(jù)，以控制加載器對(duì)試驗(yàn)結(jié)構(gòu)進(jìn)行試驗(yàn)。這種方法需要在試驗(yàn)前假定結(jié)構(gòu)的恢復(fù)力特性模型（即滯回曲線模型）。可邊試驗(yàn)邊求解，分步得到實(shí)測(cè)的結(jié)構(gòu)恢復(fù)力模型。2025/5/1025二、擬動(dòng)力試驗(yàn)擬動(dòng)力試驗(yàn)的工作流程：（1）在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中輸入地震加速度時(shí)程曲線。（2）將n時(shí)刻的地震加速度值代入運(yùn)動(dòng)方程，解出n時(shí)刻地震反應(yīng)位移Xn。（3）由計(jì)算機(jī)控制電液伺服加載器，將Xn施加到結(jié)構(gòu)上。（4）量測(cè)此時(shí)結(jié)構(gòu)的反力Fn，并代入運(yùn)動(dòng)方程，計(jì)算n+1時(shí)刻的位移Xn+1，量測(cè)結(jié)構(gòu)反力Fn+1。（5）重復(fù)上述步驟，連續(xù)進(jìn)行加載試驗(yàn)，直至完成整個(gè)加載過(guò)程。2025/5/1026二、擬動(dòng)力試驗(yàn)擬動(dòng)力試驗(yàn)的設(shè)備：計(jì)算機(jī)，電液伺服加載器，傳感器，試驗(yàn)裝置。優(yōu)點(diǎn)：（1）適用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的非線性地震反應(yīng)分析，試驗(yàn)結(jié)果比較準(zhǔn)確。（2）可以緩慢地再現(xiàn)結(jié)構(gòu)反應(yīng)，便于觀測(cè)。（3）可進(jìn)行真型或大比例尺的結(jié)構(gòu)在確定性地震下的試驗(yàn)研究。2025/5/1027二、擬動(dòng)力試驗(yàn)缺點(diǎn)：（1）不能實(shí)時(shí)再現(xiàn)真實(shí)地震反應(yīng)，不能進(jìn)行材料特性與時(shí)間有關(guān)的結(jié)構(gòu)試驗(yàn)。（2）計(jì)算機(jī)系統(tǒng)除進(jìn)行運(yùn)動(dòng)方程的數(shù)值積分外，還需要準(zhǔn)確控制加載器，精度方面很難實(shí)現(xiàn)。（3）試驗(yàn)設(shè)備龐大，分析系統(tǒng)復(fù)雜，試驗(yàn)費(fèi)用高。2025/5/1028鋼框架擬動(dòng)力試驗(yàn)2025/5/1029混凝土柱抗震性能試驗(yàn)二、擬動(dòng)力試驗(yàn)2025/5/1030三、模擬地震振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)加載設(shè)備：振動(dòng)臺(tái)；加載程序：一次加載和多次加載；優(yōu)點(diǎn)：很好地再現(xiàn)地震過(guò)程。缺點(diǎn)：設(shè)備昂貴，一般做小比例模型試驗(yàn)。2025/5/1031試驗(yàn)設(shè)備組成：臺(tái)面和基礎(chǔ)高壓油源和管路系統(tǒng)電液伺服加載器模擬控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)三、模擬地震振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)2025/5/10322025/5/1033四、人工地震模擬試驗(yàn)1、擬靜力試驗(yàn)：設(shè)備簡(jiǎn)單，能進(jìn)行大尺寸構(gòu)件或結(jié)構(gòu)抗震的延性試驗(yàn)，但與實(shí)際某一確定地震地面運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的地震力有很大的差別，不能反映建筑結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性。2、擬動(dòng)力試驗(yàn)：結(jié)構(gòu)的非線性特性及恢復(fù)力與變形的關(guān)系必須在試驗(yàn)前假定，而假定的計(jì)算模型是否符合結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況，還有待于試驗(yàn)結(jié)果來(lái)驗(yàn)證。各類抗震試驗(yàn)的局限性：2025/5/1034四、人工地震模擬試驗(yàn)3、振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)：能較好地模擬地面運(yùn)動(dòng)，但由于受臺(tái)面尺寸和載重量的限制，不能做較大結(jié)構(gòu)的足尺試驗(yàn)，另外彈塑性材料的動(dòng)態(tài)模擬理論尚待研究解決。因此對(duì)于大型結(jié)構(gòu)、管道、橋梁、壩體以及核反應(yīng)堆工程等大比例或足尺模型試驗(yàn)，受到一定限制，甚至無(wú)法進(jìn)行。2025/5/1035四、人工地震模擬試驗(yàn)爆破方法：在現(xiàn)場(chǎng)安裝炸藥并加以引爆，稱為直接爆破法。由于地面運(yùn)動(dòng)加速度峰值隨裝藥量增加而增高；地面運(yùn)動(dòng)加速度峰值離爆心距離越近則越高；地面運(yùn)動(dòng)持續(xù)時(shí)間離爆心距離越遠(yuǎn)則越長(zhǎng)。故一般要求裝藥量大，離爆心距離又遠(yuǎn)一點(diǎn)效果才好。為了增強(qiáng)爆破效果，可采用密閉爆破法。2025/5/1036四、人工地震模擬試驗(yàn)人工爆破法存在的問(wèn)題：人工地震加速度幅值高、衰減快、破壞范圍小；人工地震的主頻率高于天然地震；人工地震的主震持續(xù)時(shí)間短。可以采用下列措施解決頻率差異：1.縮小試驗(yàn)對(duì)象的尺寸，從而提高自振頻率。2.將試驗(yàn)對(duì)象建造在覆蓋層較厚的土層上，消耗高頻成分。3.增加爆心與試驗(yàn)對(duì)象的距離