建筑结构抗震试验方法11次课.pptx

Lab of Prof.Tian ShizhuLab of Prof.Tian Shizhu1土木工程学院土木工程学院结构实验技术结构实验技术 田石柱田石柱 教授教授Lab of Prof.Tian ShizhuLab of Prof.Tian Shizhu22.7 建筑结构抗震试验方法建筑结构抗震试验方法 地震造成的灾害是极其严重的地震造成的灾害是极其严重的:19761976年唐山地震年唐山地震；19851985年墨西哥城地震年墨西哥城地震 19951995年阪神地震；年阪神地震；19991999年台湾地震年台湾地震20082008年汶川地震等年汶川地震等为了减少人员伤亡和经济损失，提高建筑物为了减少人员伤亡和经济损失，提高建筑物的抗震能力，确保人民生命和财产不受损失，需的抗震能力，确保人民生命和财产不受损失，需要进行要进行抗震理论抗震理论的研究。的研究。Lab of Prof.Tian ShizhuLab of Prof.Tian Shizhu32.7 建筑结构抗震试验方法建筑结构抗震试验方法 由于地震机制和结构抗震性能的复杂性，凭由于地震机制和结构抗震性能的复杂性，凭理论分析的手段很难把握结构在地震作用下的性理论分析的手段很难把握结构在地震作用下的性能、反应过程和破坏机理，经常是理论分析与实能、反应过程和破坏机理，经常是理论分析与实际地震作用下结构的反应、破坏现象际地震作用下结构的反应、破坏现象差别较大差别较大。Lab of Prof.Tian ShizhuLab of Prof.Tian Shizhu42.7 建筑结构抗震试验方法建筑结构抗震试验方法 这样人们不得不寻求这样人们不得不寻求试验的方法试验的方法以解决理论以解决理论分析的不足。特别是对于大型复杂结构、超出抗分析的不足。特别是对于大型复杂结构、超出抗震设计规范规定的结构和新型结构体系，必须进震设计规范规定的结构和新型结构体系，必须进行必要的抗震试验以补充理论分析的不足，这样行必要的抗震试验以补充理论分析的不足，这样抗震研究的一个主要研究方向是抗震研究的一个主要研究方向是抗震试验方法抗震试验方法的的研究。研究。Lab of Prof.Tian ShizhuLab of Prof.Tian Shizhu52.8 建筑结构抗震试验方法建筑结构抗震试验方法 目前，目前，结构抗震试验方法主要分三种：结构抗震试验方法主要分三种：1 1伪伪(拟）静力试验方法或低周反复加载静力试验拟）静力试验方法或低周反复加载静力试验(Quasi Static Test)2 2地震模拟振动台试验方法（地震模拟振动台试验方法（Shaking Table Test）3 3伪（拟）动力试验方法或计算联机试验伪（拟）动力试验方法或计算联机试验(Pseudo Dynamic Test)。Lab of Prof.Tian ShizhuLab of Prof.Tian Shizhu62.8 建筑结构抗震试验方法建筑结构抗震试验方法 一、伪静力试验一、伪静力试验5050年代后期开始，由于非线性地震反应研究年代后期开始，由于非线性地震反应研究工作的开展，结构和构件的工作的开展，结构和构件的恢复力特性试验恢复力特性试验开始开始引起人们注意。到引起人们注意。到60607070年代就不单是为了地震年代就不单是为了地震反应计算而研究结构或构件的反应计算而研究结构或构件的恢复力模型恢复力模型，进而，进而要求从能量耗散的角度进行模拟地震作用的要求从能量耗散的角度进行模拟地震作用的滞回滞回特性试验特性试验，以此探求结构的抗震性能。，以此探求结构的抗震性能。Lab of Prof.Tian ShizhuLab of Prof.Tian Shizhu71 1 试验方法试验方法静力试验是目前在结构静力试验是目前在结构(或构件或构件)抗震性能研究抗震性能研究中应用中应用最广泛的试验方法最广泛的试验方法。它是以一定的荷载或位。它是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，以获得结移作为控制值对试件进行低周反复加载，以获得结构非线性的构非线性的荷载一变形特性荷载一变形特性，故又称为低周反复加，故又称为低周反复加载试验或恢复力特性试验。载试验或恢复力特性试验。Lab of Prof.Tian ShizhuLab of Prof.Tian Shizhu8应用该试验方法可以最大限度地利用试件提供应用该试验方法可以最大限度地利用试件提供的各种信息，例如：的各种信息，例如：承载力、刚度、变形能力、耗承载力、刚度、变形能力、耗能能力和损伤特征能能力和损伤特征等。拟静力试验的根本目的是对等。拟静力试验的根本目的是对结构在荷载作用下的基本性能进行深入的研究，进结构在荷载作用下的基本性能进行深入的研究，进而建立恢复力模型和承载力计算公式，探讨结构的而建立恢复力模型和承载力计算公式，探讨结构的破坏机制，并改进结构的抗震构造措施。破坏机制，并改进结构的抗震构造措施。Lab of Prof.Tian ShizhuLab of Prof.Tian Shizhu92 2试验设备与加载装置试验设备与加载装置拟静力试验常用拟静力试验常用设备设备：加载设备、反力墙、试：加载设备、反力墙、试验台座、荷载架等，其中验台座、荷载架等，其中加载设备加载设备种类较多，过去种类较多，过去主要采用双向机械式千斤顶或液压千斤顶进行试验主要采用双向机械式千斤顶或液压千斤顶进行试验加载。由于这类加载设备主要是手动加载，自动化加载。由于这类加载设备主要是手动加载，自动化程度不高，加载过程不易控制，往往造成数据测量程度不高，加载过程不易控制，往往造成数据测量不稳定、不准确，试验结果分析困难。不稳定、不准确，试验结果分析困难。Lab of Prof.Tian ShizhuLab of Prof.Tian Shizhu102 2试验设备与加载装置试验设备与加载装置近年来随着经济的发展和科学技术水平的不断近年来随着经济的发展和科学技术水平的不断提高，结构加载设备有了质的改变，目前许多结构提高，结构加载设备有了质的改变，目前许多结构试验室主要采用试验室主要采用电液伺服加载系统电液伺服加载系统进行结构的拟静进行结构的拟静力试验加载，并采用力试验加载，并采用计算机计算机进行进行试验控制试验控制和和数据采数据采集。集。Lab of Prof.Tian ShizhuLab of Prof.Tian Shizhu11建议的几种试验加载装置建议的几种试验加载装置 建筑抗震试验方法规程建筑抗震试验方法规程(JGJl01(JGJl0196)96)Lab of Prof.Tian ShizhuLab of Prof.Tian Shizhu12Lab of Prof.Tian ShizhuLab of Prof.Tian Shizhu13典型的拟静力试验加载系统典型的拟静力试验加载系统 Lab of Prof.Tian ShizhuLab of Prof.Tian Shizhu143 3 单向反复加载制度单向反复加载制度目前国内外较为普遍采用的单向目前国内外较为普遍采用的单向(一维一维)反复加反复加载制度主要有三种：载制度主要有三种：位移控制加载位移控制加载力控制加载力控制加载力力位移混合控制加载位移混合控制加载 Lab of Prof.Tian ShizhuLab of Prof.Tian Shizhu15(1)(1)位移控制加载位移控制加载位移控制加载是在加载过程中以位移控制加载是在加载过程中以位移位移作为作为控制控制值值或以屈服位移的倍数作为控制值，按一定的位移或以屈服位移的倍数作为控制值，按一定的位移增幅进行循环加载。当试件具有增幅进行循环加载。当试件具有明确屈服点明确屈服点时，一时，一般都以屈服位移的般都以屈服位移的倍数倍数为控制值。当试件不具有明为控制值。当试件不具有明确的屈服点时确的屈服点时(如轴压比较大的柱如轴压比较大的柱)或无屈服点时或无屈服点时(如如无筋砌体无筋砌体)，则由研究者根据已有专业知识主观，则由研究者根据已有专业知识主观规定规定一个认为合适的位移标准值来控制试验加载。一个认为合适的位移标准值来控制试验加载。Lab of Prof.Tian ShizhuLab of Prof.Tian Shizhu16在位移控制加载中，根据位移控制的幅值不同，在位移控制加载中，根据位移控制的幅值不同，又可分为又可分为变幅加载变幅加载、等幅加载等幅加载和和变幅等幅混合变幅等幅混合加载。加载。Lab of Prof.Tian ShizhuLab of Prof.Tian Shizhu17变幅位移控制加载：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，每一级位移幅值下循环二三次，力模型。一般，每一级位移幅值下循环二三次，则由试验测得的滞回曲线可以建立构件的恢复力模则由试验测得的滞回曲线可以建立构件的恢复力模型。型。等幅位移控制加载：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性主要用于确定构件在特定位移幅值下的特定性能，例如极限滞回耗能、强度降低率和刚度退化规能，例如极限滞回耗能、强度降低率和刚度退化规律等。律等。Lab of Prof.Tian ShizhuLab of Prof.Tian Shizhu18混合位移控制加载：混合位移控制加载：可以综合地研究构件的性能，其中包括等幅部可以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，以及在变幅部分、特别是大分的强度和刚度变化，以及在变幅部分、特别是大变形增长情况下强度和耗能力的变化。变形增长情况下强度和耗能力的变化。在上述三种位移控制加载制度中。以在上述三种位移控制加载制度中。以变幅等幅变幅等幅混合加载混合加载方案使用得最多方案使用得最多。Lab of Prof.Tian ShizhuLab of Prof.Tian Shizhu19(2)(2)力控制加载力控制加载力控制加载是在加载过程中，以力作为控制值，力控制加载是在加载过程中，以力作为控制值，按一定的力幅值进行循环加载。因为试件屈服后难按一定的力幅值进行循环加载。因为试件屈服后难以控制加载的力，所以这种加载制度较少单独使用。以控制加载的力，所以这种加载制度较少单独使用。Lab of Prof.Tian ShizhuLab of Prof.Tian Shizhu20(3)(3)力力位移混合控制加载位移混合控制加载这种加载制度是先以力控制进行加载，这种加载制度是先以力控制进行加载，当试件达到当试件达到屈服屈服状态时改用状态时改用位移控制位移控制，一直，一直至试件破坏。至试件破坏。Lab of Prof.Tian ShizhuLab of Prof.Tian Shizhu21建筑抗震试验方法规程建筑抗震试验方法规程(JGJl01(JGJl0196)96)规定：规定：试件屈服前，应采用试件屈服前，应采用载荷载荷控制并分级加载，接控制并分级加载，接近开裂和屈服荷载前宜减少级差加载；试件屈服后近开裂和屈服荷载前宜减少级差加载；试件屈服后应采用应采用变形变形控制，变形值应取屈服时试件的最大位控制，变形值应取屈服时试件的最大位移值，并以该位移的倍数为级差进行控制加载；施移值，并以该位移的倍数为级差进行控制加载；施加反复荷载的次数应根据试验目的确定，屈服前每加反复荷载的次数应根据试验目的确定，屈服前每级荷载可反复一次，屈服以后宜反复三次。级荷载可反复一次，屈服以后宜反复三次。Lab of Prof.Tian ShizhuLab of Prof.Tian Shizhu22如图为在梁一柱节点拟静力试验中被普遍采用的一如图为在梁一柱节点拟静力试验中被普遍采用的一种力种力位移混合加载制度。位移混合加载制度。Lab of Prof.Tian ShizhuLab of Prof.Tian Shizhu234 4双向反复加载制度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，克为了研究地震对结构构件的空间组合效应，克服采用在结构构件单方向服采用在结构构件单方向(平面内平面内)加载时不考虑另加载时不考虑另一方向一方向(平面外平面外)地震力同时作用对结构影响的局限地震力同时作用对结构影响的局限性，可在性，可在x，y两个主轴两个主轴方向方向(二维二维)同时施加低周反同时施加低周反复荷载。复荷载。例如：例如：对框架柱或压杆的空间受力和框架梁柱节点在两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时，可采用试验时，可采用双向同步或双向同步或非同步的非同步的加载制度。加载制度。Lab of Prof.Tian ShizhuLab of Prof.Tian Shizhu24(1)x(1)x、y y轴双向同步加载轴双向同步加载与单向反复加载相同，低周反复荷载作用在与与单向反复加载相同，低周反复荷载作用在与构件截面主轴成角的方向作斜向加载，使构件截面主轴成角的方向作斜向加载，使x x、y y两个两个主轴的方向的分量同步作用。主轴的方向的分量同步作用。反复加载同样可以采用位移控制、力控制和两反复加载同样可以采用位移控制、力控制和两者混合控制的加载制度者混合控制的加载制度 Lab of Prof.Tian ShizhuLab of Prof.Tian Shizhu25(2)x(2)x、y y轴双向非同步加载轴双向非同步加载 非同步加载是在构件截面的非同步加载是在构件截面的x x、y y两个主轴方向分别两个主轴方向分别施加低周反复荷载。由于施加低周反复荷载。由于x x、y y两个方向可以不同步的先两个方向可以不同步的先后或交替加载，因此，它可以有如图各种变化方案。后或交替加载，因此，它可以有如图各种变化方案。(a)(a)为在为在x x轴不加载、轴不加载、y y轴反复加轴反复加载，或情况相反，即是前述的单载，或情况相反，即是前述的单向加载；向加载；(b)(b)为为x x轴加载后保持恒载，而轴加载后保持恒载，而y y轴反复加载；轴反复加载；(c)(c)为为x x、y y轴先后反复加载；轴先后反复加载；(d)(d)为为x x、y y两轴交替反复加载；两轴交替反复加载；(e)8(e)8字形加载字形加载(f)(f)方形加载方形加载Lab of Prof.Tian ShizhuLab of Prof.Tian Shizhu26当采用由计算机控制的当采用由计算机控制的电液伺服加载器电液伺服加载器进行双向加载试验时，可以对一结构构件在进行双向加载试验时，可以对一结构构件在x x、y y两个方向成两个方向成90900 0作用。实现作用。实现双向双向协调稳定的协调稳定的同同步步反复加载。反复加载。Lab of Prof.Tian ShizhuLab of Prof.Tian Shizhu275 5滞回曲线和骨架曲线的主要特征滞回曲线和骨架曲线的主要特征(1)(1)曲线图形曲线图形根据各种构件恢复力特性研究结果，构件的滞回曲根据各种构件恢复力特性研究结果，构件的滞回曲线可归纳为四种基本形态。线可归纳为四种基本形态。(a)(a)梭形。例如：受弯、偏压以梭形。例如：受弯、偏压以及不发生剪切破坏的弯剪构件及不发生剪切破坏的弯剪构件等；等；Lab of Prof.Tian ShizhuLab of Prof.Tian Shizhu28(b)(b)弓形。它反映了一定的滑移影响，弓形。它反映了一定的滑移影响，有明显的有明显的“捏缩捏缩”效应。例如：剪效应。例如：剪跨比较大，剪力较小并配有一定箍跨比较大，剪力较小并配有一定箍筋的弯剪构件和偏压剪构件等；筋的弯剪构件和偏压剪构件等；(c)c)反反S S形。它反映了更多的滑移影形。它反映了更多的滑移影响。例如：一般框架和有剪刀撑的响。例如：一般框架和有剪刀撑的框架、梁柱节点和剪力墙等；框架、梁柱节点和剪力墙等；Lab of Prof.Tian ShizhuLab of Prof.Tian Shizhu29(d)Z(d)Z形，它反映了大量的滑移影形，它反映了大量的滑移影响。例如：小剪跨且斜裂缝又可响。例如：小剪跨且斜裂缝又可以充分发展的构件以及锚固钢筋以充分发展的构件以及锚固钢筋有较大滑移的构件等。有较大滑移的构件等。Lab of Prof.Tian ShizhuLab of Prof.Tian Shizhu30(2)(2)骨架曲线骨架曲线加载一周得到的荷载加载一周得到的荷载位移曲位移曲线称为滞回曲线线称为滞回曲线(滞回环滞回环)。在变幅。在变幅位移加载试验中，把每次滞回曲线位移加载试验中，把每次滞回曲线的峰点连接起来的包络线，叫做的峰点连接起来的包络线，叫做骨骨架曲线架曲线。图为钢筋混凝土剪力墙滞回环的骨架曲线与单调加图为钢筋混凝土剪力墙滞回环的骨架曲线与单调加载曲线的对比图。骨架曲线的形状基本与单调加载曲线载曲线的对比图。骨架曲线的形状基本与单调加载曲线相似、但极限荷载则略低一点。相似、但极限荷载则略低一点。Lab of Prof.Tian ShizhuLab of Prof.Tian Shizhu31(3)(3)强度强度 构件在开裂前，荷载与位移成线性，处于弹性阶段；构件在开裂前，荷载与位移成线性，处于弹性阶段；开裂后，由于刚度降低，开裂后，由于刚度降低，Q Q曲线出现第一个折点，曲线出现第一个折点，处于弹塑性阶段；屈服后，刚度进一步降低，处于弹塑性阶段；屈服后，刚度进一步降低，Q Q一一曲线出现第二个折点，已处于塑性阶段。曲线出现第二个折点，已处于塑性阶段。构件加载至极限荷载后，出现较大构件加载至极限荷载后，出现较大变形，并开始进入下降段。通常取变形，并开始进入下降段。通常取极限荷载下降至极限荷载下降至8585时所对应的变时所对应的变形作为极限变形。形作为极限变形。Lab of Prof.Tian ShizhuLab of Prof.Tian Shizhu32对于对于有明显屈服点有明显屈服点的构件，在试的构件，在试验过程中，当试验荷载达到屈服验过程中，当试验荷载达到屈服荷载后，构件的刚度将出现明显荷载后，构件的刚度将出现明显的变化，即构件的荷载一变形曲的变化，即构件的荷载一变形曲线上出现明显拐点。此时，相应线上出现明显拐点。此时，相应于该点的试验荷载为屈服荷载，于该点的试验荷载为屈服荷载，变形为屈服变形。变形为屈服变形。Lab of Prof.Tian ShizhuLab of Prof.Tian Shizhu33对无明显屈服点的构件，可采用对无明显屈服点的构件，可采用荷载变形曲线的能量等效面积荷载变形曲线的能量等效面积法近似确定屈服荷载和屈服位移。法近似确定屈服荷载和屈服位移。具体方法是具体方法是(见图见图)：由最大荷载点：由最大荷载点A A作水平线作水平线ABAB，由原，由原点点O O作割线作割线ODOD与与ABAB线交于线交于D D点，由点，由D D点引垂线与曲线点引垂线与曲线OAOA交交于于E E点，使面积点，使面积ADCAADCA与面积与面积CFOCCFOC相等，则此时的相等，则此时的E E点即为点即为构件的屈服点，构件的屈服点，E E点对应的荷载点对应的荷载Q Q，为屈服荷载，位移，为屈服荷载，位移，为屈服位移。构件所能承受的最大荷载作用为极限荷，为屈服位移。构件所能承受的最大荷载作用为极限荷载值。载值。Lab of Prof.Tian ShizhuLab of Prof.Tian Shizhu34(4)(4)刚度刚度从从Q Q一一曲线可以看出，刚度与应力水平和反复曲线可以看出，刚度与应力水平和反复次数有关，在加载过程中刚度为变值，为了地震反次数有关，在加载过程中刚度为变值，为了地震反应分析需要，常用割线刚度代替切线刚度。在非线应分析需要，常用割线刚度代替切线刚度。在非线性恢复力特性试验中，由于有加、卸载和正、反向性恢复力特性试验中，由于有加、卸载和正、反向加载等情况，再加上有刚度蜕化现象，因此刚度问加载等情况，再加上有刚度蜕化现象，因此刚度问题要比一次加载复杂得多。题要比一次加载复杂得多。Lab of Prof.Tian ShizhuLab of Prof.Tian Shizhu35(4)(4)刚度刚度在进行刚度分析时，可取每一循环峰点的荷载在进行刚度分析时，可取每一循环峰点的荷载及相应的位移与屈服荷载及屈服位移之比，即将其及相应的位移与屈服荷载及屈服位移之比，即将其无量纲化后再绘出骨架曲线，经统计可得弹性刚度、无量纲化后再绘出骨架曲线，经统计可得弹性刚度、弹塑性刚度以及塑性刚度。关于卸载刚度及反向加弹塑性刚度以及塑性刚度。关于卸载刚度及反向加载刚度均可由构件的恢复力模型直接确定。载刚度均可由构件的恢复力模型直接确定。Lab of Prof.Tian ShizhuLab of Prof.Tian Shizhu36(5)(5)延性延性延性系数是表示结构构件塑性变形能力的指标，延性系数是表示结构构件塑性变形能力的指标，它反映了结构构件抗震性能的好坏。在结构塑性分它反映了结构构件抗震性能的好坏。在结构塑性分析中经常采用延性系数来表示，即：析中经常采用延性系数来表示，即：确定截面的塑性转动比较复杂，需要了解塑性确定截面的塑性转动比较复杂，需要了解塑性区段长度、弯矩变化及弯矩一曲率关系。在实际工区段长度、弯矩变化及弯矩一曲率关系。在实际工作中，采用挠度作中，采用挠度(或位移或位移)和曲率延性系数表达结构和曲率延性系数表达结构构件的抗震性能比较方便。构件的抗震性能比较方便。Lab of Prof.Tian ShizhuLab of Prof.Tian Shizhu37(6)(6)耗能耗能目前对构件的耗能能力没有统一的评定标准。目前对构件的耗能能力没有统一的评定标准。常用等效粘滞阻尼系数与功比指数来表示。常用等效粘滞阻尼系数与功比指数来表示。等效粘滞阻尼系数等效粘滞阻尼系数(如图）：如图）：三角形面积三角形面积图形面积图形面积功比指数：功比指数：Lab of Prof.Tian ShizhuLab of Prof.Tian Shizhu38(7)(7)不同加载制度引起的耗能差异不同加载制度引起的耗能差异每一控制位移加载一次每一控制位移加载一次控制荷载超过屈服点的多次反复控制荷载超过屈服点的多次反复每一控制位移下反复三次每一控制位移下反复三次控制荷载超过极限荷载下的反复控制荷载超过极限荷载下的反复Lab of Prof.Tian ShizhuLab of Prof.Tian Shizhu39谢谢！