第三章第三章 构造抗震实验构造抗震实验3.1 构造抗震构造抗震实验的的义务和分和分类一、抗震一、抗震实验的的义务1、构造抗震性能：普通从构造的、构造抗震性能：普通从构造的强度、度、刚度、延性、度、延性、耗能性能、耗能性能、刚度退化等方面来衡量。度退化等方面来衡量。2、构造抗震才干：是构造抗震性能的表、构造抗震才干：是构造抗震性能的表现。我国抗震。我国抗震规范的构造抗震才干范的构造抗震才干 为“小震不坏、中震可修、大小震不坏、中震可修、大震不倒。震不倒。3、抗震、抗震实验的的义务新新资料的抗震性能研料的抗震性能研讨，为推行运用提供科学根据；推行运用提供科学根据；新构造的抗震才干研新构造的抗震才干研讨，提出新构造的抗震，提出新构造的抗震设计方法；方法；实践构造的模型践构造的模型实验研研讨，验证构造的抗震性能和才构造的抗震性能和才干；干；为制定和修正抗震制定和修正抗震设计规范提供科学根据。范提供科学根据。构造抗震实验伪静力实验拟动力实验振动台实验实验室内实验野 外 试 验人工地震模拟实验天然地震实验1、伪静力静力实验 最常用的抗震最常用的抗震实验方法，又称低周反复加方法，又称低周反复加载实验或或拟静静力力实验，属于静力，属于静力实验的范畴。的范畴。优点：点：设备简单，经济好；便于好；便于实验数据和景象的数据和景象的观测。缺陷：缺陷：实验的加的加载历程与程与实践地震作用践地震作用历程无关研程无关研讨者者预先客先客观确定的；不能反映确定的；不能反映实践地震作用践地震作用时应变速率的影响速率的影响加加载周期周期长)。二、抗震实验分类二、抗震实验分类2、拟动力实验概念：又称伪动力实验或联机实验。由计算机根据地面运动加速度时程和实测的恢复力曲线求得构造的地震位移反响时程，计算机控制加载器在构造上实现地震位移反响。它是一种对构造边分析边实验的抗震研讨方法。经过拟动力实验，可研讨构造的恢复力特性、构造的加速度反响和位移反响、构造的开裂、屈服和破坏全过程。优点：l对于分析构造弹塑性阶段的性能特别有利。地震反响计算时不需求对构造的恢复力特性作任何的假设。2便于观测构造性能变化和受损破坏的过程。3可进展大比例尺试件的模拟地震实验，从而弥补了模 拟地震振动台实验时，小比例尺模型的尺寸效应，并能较好地反映构造的构造要求。缺陷：1不能反映实践地震作用时资料应变速率的影响；2不能完全模拟地震作用时构造实践所受的作用力分布加载器数量限制3构造的阻尼也较难在实验中再现。3、振动台实验 振动台模拟天然地震记录，使构造阅历类似天然地震的作用，从而再现构造在地震作用下的全过程，同时能反映应变速率的影响。 振动台实验的模型比例较小，容易产生尺寸效应，难以模拟构造构造，且实验费用较高。3.2 构造伪静力实验一、加载制度1、位移控制：以位移为控制值，适宜刚度较小构造，普遍采用变幅加载：探求性的研讨构造强度、变形和耗能的性能。等幅加载：主要用于研讨构件的强度降低率和刚度退化规律。力控制：以力为控制值，适宜刚度较大小构造，采用较少。加载控制方法也有变幅、等幅和混合加载。混合控制：先力控制，屈服之后以屈服位移的倍数为控制。n混合加载:n 综合地研讨构件的性能，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变形增长情况下强度和耗能才干的变化。二、加载设计1、墙体加载高宽比=1/3固端平移式实验安装日本建研式 可模拟墙体实践受力与边境条件，保证在实验中只允许墙体顶部产生程度位移。2、节点加载安装无侧移节点加载安装有侧移三、观测设计1、墙体实验裂痕及开裂荷载：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仪应变丈量：电子引伸义剪切变形转动2、框架节点荷载及支座反力：用测力传感器测定，对于在梁端加载丈量柱端程度反力；反之，柱端加载方案那么丈量梁端支座反力。 荷载一变形曲线：采用电测位移传感器，经过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，普通在距柱面l2hb梁高或hb处布点，对于柱子那么可在距梁面(12)hc柱宽处布点。节点中心区剪切角：经过量测中心区对角线的位移量来计算确定。梁柱纵筋应力：普通用电阻应变计量测，测点布置以梁柱相交处截面为主。中心区箍筋应力、梁纵筋滑移裂痕开展及宽度梁柱端位移、曲率转角、剪切角、梁、柱端位移曲率转角剪切角中心区箍筋应力：沿中心区对角线方向布置梁内纵筋中心区滑移：经过量测接近柱面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。4、参数计算1强度开裂荷载：试件出现程度裂痕、垂直裂痕或斜裂痕时的截面内力或应力值。屈服荷载：试件刚度开场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痕。 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。无明显屈服点情况屈服点极限荷载：试件到达最大承载力时的内力和应力。破损荷载：试件阅历最大承载力后，到达某一剩余承载才干时的内力或应力值。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、卸载刚度CD 和反复加载刚度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衔接包络线称为骨架曲线，外形和单次加载曲线类似而极限荷载略低一些。4 延性系数 延性系数反映构造构件的变形才干，是评价构造抗震性能的一个重要目的。它指构造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 构造强度和刚度的退化率是指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。它反映构造在一定变形条件下，强度或刚度随反复荷载次数添加而降低的特性。退化率的大小反映了构造能否经受得起地震的反复作用，当退化率小时，阐明构造有较大的耗能才干。构造刚度退化率6能量耗散 构造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外形来衡量。由滞回环的面积可以求得等效粘滞阻尼系数he。he愈高，构造的耗能才干也愈强。3.3 拟动力实验一、拟动力实验流程拟动力实验是利用来监测和控制整个实验，它是一种把计算机分析和恢复力实测结合起来的半实际半实验的非线性地震反响分析方法。根本过程如下：1输入地面加速度值。2根据构造的初始刚度和构造质量，利用输入的第1时辰地面加速度值，采用NEWMARK等方法计算构造该时辰的地震位移反响。3经过计算机控制液压伺服加载器使构造发生上述位移值。4经过丈量系统丈量构造此时产生的恢复力和位移。5根据丈量获得的恢复力和位移，采用NEWMARK等方法重新计算构造下一时辰的地震位移反响。6反复3-5，直到整个地震记录完成。拟动力实验流程二、实验设备伺服作动器：活塞行程120%、最大出力150%计算机、A/D模/数及D/A数/模数据采集卡、UPS电源力传感器、位移传感器三、子构造动力实验地震作用时，破坏构造破坏的大多发生在一、二层，出现弹塑性性质；构造其他各层根本处于弹性形状，故仅对构造底层或地下两层进展拟动力实验，其他各层采用实际计算，然后对二者进展组合叠加。四、拟动力实验实例1、概述 采用子构造技术，对一六层钢筋混凝土框架构造进展了拟动力实验研讨，了解钢筋混凝土框架构造在地震作用下的非线性反响。2、试件 采用1：2模型，实验子构造为构造的第一层，上部五层为计算子构造。 构造的动力分析模型采用剪切型模型，数值积分方法采用Newmark法。根据类似比，构造的各层质量为7.5t，各层构造的刚度采用底层实测值9700kNm，实验输人的地震波为EL-Centro地震波，时间间隔为0.014s根据类似比进展了紧缩，持时为14s。为了模拟轴力的作用，在试件的柱端分别加了220kN的轴力。试件和实验简图如以下图所示。2、试件3、实验安装4、实验过程地震波的输人采用多种工况，首先输人峰值加速度为0.05g的地震波，用以检验实验方法和仪器仪表的任务情况，然后分别输入进展了0.1g、0.2g、0.4g、0.6g、0.7g的加速度。实验中思索了损伤引起的阻尼特性变化，当峰值加速度超越0.2g之后，构造的刚度不断退化，据此将构造的阻尼比作了相应的调整，0.2g以内取0.05，0.4g时取0.07，0.6g时取0.09，0.7g时取0.10。层间恢复力模型采用了三线性模型，每种工况下的实际计算采用实验结果对恢复力模型中的参数加以确定，使实际计算能充分反映实践情况。 5、实验结果随着输人地震波峰值的添加，构造的层间变形也随之增大，从滞回曲线看，构造的层间刚度也不断退化，随着构造刚度的不断退化，构造的各阶频率也相应降低。当0.1g、0.2g地震波输人时，构造的各阶频率根本没有变化，阐明构造没有破坏。当0.4g地震波输人时，梁端和柱端均出现裂痕，构造刚度降低，构造频率明显下降.当输人0.6g地震波时，柱端裂痕出现贯穿断面，部分混凝土剥落，因此，频率降低尤为明显。位移反响加速度反响各工况下构造自振频率(HZ)0.1g0.2g0.4g0.6g0.7g一阶1.441.421.351.071.00二阶4.164.124.124.073.36三阶6.326.316.146.005.932.4 振动台加载一、 振动台地震模拟振动台是再现各种地震波对构造进展动力实验的一种先进实验设备，其特点是具有自动控制和数据采集及处置系统，采用了计算机和闭环伺服液压控制技术，并配合先进的振动丈量仪器，可以在实验室内进展构造物的地震模拟实验，以求得地震反响对构造的影响。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。地震模拟振动台组成1. 台面 振动台的台面是有一定尺寸的平板构造，其尺寸的规模由构造模型的最大尺寸来决议。台体自重和台身构造与承载的试件分量及运用频率范围有关。振动台必需安装在质量很大的根底上，这样可以改善系统的高频特性，并减小对周围建筑和其他设备的影响。2. 液压驱动和动力系统 液压驱动系统给振动台以宏大的推力。由电液伺服系统来驱动液压加载器，控制进入加载器液压油的流量大小和方向，从而推进台面能在垂直轴或程度轴的X和Y方向上产生相位受控的正弦运动或随机运动，实现地震模拟和波形再现的要求。 液压动力部分是一个宏大的液压功率源，能供应所需求的高压油流量，以满足宏大推力和台身运动速度的要求。3.控制系统采用计算机进展数字迭代的补偿技术，实现台面地震波的再现。实验时，振动台台面输出的波形是期望再现的某个地震记录或是模拟设计的人工地震波。由于包括台面、试件在内的系统的非线性影响，在计算机给台面的输入信号鼓励下所得到的反响与输出的期望波形之间必然存在误差。这时，可由计算机将台面输出信号与系统本身的传送函数频率呼应进展比较，求得下一次驱动台面所需的补偿量和修正后的输入信号。经过多次迭代，直至台面输出反响信号与原始输入信号之间的误差小于预先给定的量值，完成迭代补偿并得到称心的期望地震波形。4.测试和分析系统 测试系统：对台面运动进展控制而丈量位移、加速度反响，对被试模型普通也可丈量位移、加速度和应变等参数。总通道数可达百余点。数据采集系统：由计算机采集记录来自丈量系统的数据，并存于计算机中，然后由计算机分析。振动台台面运动最根本的参数是位移、速度和加速度以及运用频率。普通按照模型类似原理，根据模型比例及实验要求确定台身满负荷时的最大加速度、速度和位移等数值。运用频率范围普通由实验模型的第一频率确定 1l0HZ 。二、 地震波输入选择1实验构造的周期 假设模拟长周期构造并研讨它的破坏机理，就要选择长周期分量占主导位置的地震记录或人工地震波，以便构造能产生多次瞬时共振而得到明晰的变化和破坏方式。2构造所在的场地条件 假设要评价建立在某一类场地土上的构造的抗震才干，就应选择与这类场地土相顺应的地震记录，即要求选择地震记录的频谱特性尽能够与场地土的频谱特性相一致，并需求思索地震烈度和震中间隔的影响。当实践工程进展地震模拟振动台模型实验时，这一个条件尤其重要。3思索振动台台面的输出才干 主要思索振动台台面输出的频率范围、最大位移、速度和加速度、台面承载才干等性能，在实验前应仔细核对振动台台面特性曲线能否满足实验要求。三、加载方案1、一次性加载：从弹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延续模拟构造在一次剧烈地震中的整个表现与反响，但是对实验过程中的量测和察看要求较高，特别是在初裂阶段难以察看到构造各个部位上的微裂痕。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实验过程，因此在没有足够阅历的情况下很少采用这种方法。2、多次性加载 大多数的研讨者都采用多次性加载的方案来进展实验研讨。普通情况可分为： l动力特性实验，以得到构造在各阶段的各种动力特性。 2振动台台面输人运动，使构造产生微裂痕。例如构造底层墙柱微裂或构造的薄弱部位微裂。 3加大台面输人运动，使构造产生中等程度的开裂。例如剪力墙、梁柱节点等会产生明显的裂痕，停顿加载后裂痕不能完全闭合。4加大台面输人加速度的幅值，构造振动使剪力墙、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，裂痕贯穿整个截面，但构造还有一定的承载才干。5继续加大振动台台面运动，使构造变为机动体系，稍加荷载就会发生破坏倒塌。 四、观测设计内容：普通需测构造的位移、加速度和应变反响，以及构造的开裂部位、裂痕的开展、构造的破坏部位和破坏方式等。位移和加速度测点普通布置在最大位移或加速度的部位，对于整体构造的房屋模型实验，那么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：在相邻两楼层布置位移或加速度传感器经过二次积分转化为位移信号。主要受力部位：丈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实验数据。五、平安措施1试件设计应进展吊装验算，防止试件在吊装过程中发生破坏。2试件与振动台的安装应结实，对安装螺栓的强度和刚度应进展验。3实验人员在上下振动台台面时应留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传感器应与试件结实衔接，并应做好预防掉落的措施5用吊车经过绳索或钢丝绳维护，防止试件倒塌时损坏振动台和周围设备。 6应做警戒标志，防止与实验无关的人员进人实验区。五、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层开了宏大洞口。为了研讨该建筑的抗震性能，采用1:25微粒混凝土模型进展了振动台实验。2、模型设计 在设计构造动力模型时，完全满足模型与原型的类似关系是非常困难的。本实验主要研讨地震时构造的性能，因此设计时着重思索满足抗侧力构件类似关系，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类似关系，用设置配重的方法满足质量和荷载的类似关系。模模 型型 相相 似似 系系 数数物理量物理量相似系数相似系数物理量物理量相似系数相似系数长长 度度1/25弹性模量弹性模量1/3.516时时 间间0.075应应 力力1/3.516频频 率率13.333位位 移移1/25密密 度度1.0加速度加速度7.1103、模型制造模型主体采用微粒砼和镀锌铁丝制造，柱、梁、板、墙等构件尺寸及配筋由类似关系计算得出。柱中纵向钢筋与箍筋的衔接采用锡焊。梁、板中配点焊铁丝网或镀锌铁丝。 微粒混凝土设计强度目的为C12.8、C11.4和C10.0，弹性模量为95288532MPa。弹性模量与实际值较接近，而强度都低于实际值。由于小比例模型在弹性阶段与原型类似较好，而破坏阶段只能供参考，所以本项研讨尽量满足弹性模量类似，这使模型与原型在自振频率方面类似较好，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，易于察看浇筑情况。内模采用泡沫塑料，易于拆模。模型外形见以下图4、实验输入地震波地震波：EL_CENTRO波、San-Fernando波、上海人工波烈度大小：七度多遇地震、根本烈度地震、罕遇地震5、实验结果1实验景象：七度多遇地震35gal：未发现裂痕。根本烈度地震100gal: EL_CENTRO波输入时，3、4、5剪力墙开裂， San-Fernando波时裂痕增多；人工波时，裂痕扩展，裂痕进一步增多。罕遇地震220gal:3-5层出现较大裂痕，许多裂痕贯穿，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，测得构造的自振频率和阻尼比。见下表： 模型自振频率和阻尼比振振型型 123456频频率率 9.76613.02139.71441.66743.62048.177阻阻 尼尼 比比 0.04230.05780.03190.02440.01390.0157振振型型形形式式斜向斜向扭转扭转X向向东塔东塔Y东塔东塔X西塔西塔Y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，构造刚度开场改动，阐明模型有微裂痕。随着地震波输人幅度的增大，构造刚度不断减小，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。第一振型由实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，阐明构造的主惯性轴发生了较大的转动3加速度反响构造东面加速度反响和西面加速度反响不一致。这是由于高振型和改动振型所致。模型开裂后，在二塔楼中部加速度反响较大。随着开裂程度的加深，自振频率降低，高振型与地震波杰出频率合拍，从而在塔楼中部引起较大的加速度反响。动力放大系数随烈度提高而减小，阐明模型刚度下降，阻尼增大，构造进人非线性后使动力放大系数有所降低。在一样烈度水准下，模型加速度反响普通以人工波输人时为最大。4位移反响模型东西两侧位移反响不一致，这是由于构造不对称； 构造反响为空间反响翘曲，改动等。一样烈度下，人工波输人时的位移反响为最大。5模型应变反响 剪力墙的应变反响最大，是柱和梁应变反响的两倍多，所以在实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，出如今3层，阐明剪力墙已微裂。根本烈度地震：最大应变出如今3层，为724，剪力墙已开裂。七度罕遇地震：最大应变出如今3层，为949。柱柱应变：七度多遇地震：最大七度多遇地震：最大应变出如今底出如今底层，为。根本烈度地震：最大根本烈度地震：最大应变出如今底出如今底层，为289289，柱已微裂。，柱已微裂。七度罕遇地震：最大七度罕遇地震：最大应变出如今底出如今底层，为448448，柱已开裂。，柱已开裂。梁梁应变梁的最大梁的最大应变出如今出如今2121层深梁底，七度多遇地震深梁底，七度多遇地震时为129129。在。在七度根本烈度地震作用下，七度根本烈度地震作用下，为697697，该测点点处已开裂。在七已开裂。在七度罕遇地震作用下，度罕遇地震作用下，为999999。从从2121层深梁底深梁底应变反响可知：反响可知：门洞洞处深梁跨度小深梁跨度小应力大、跨度力大、跨度大大应力小。力小。