地震工程学课件

5.2 动力性能的一般特点 5.2.4 裂面效应与包兴格效应
基本现象： 包兴格效应：损伤愈严重，效应越显著。
5.3 基本构件的动力性能
5.3.1 钢筋混凝土构件
受弯构件 压弯构件 受扭构件 梁柱节点 剪力墙
5.3.2 砌体构件
砖墙百度文库 带构造柱砌体墙 配筋砌体
5.3.3 钢结构构件
控制结构的基本思想
5.4 整体结构的动力性能 5.4.2 内力重分布与变形集中
变形集中：非线性现象的重要特征之一是集中（聚集）。 与层间刚度和层间强度有关（弹性与非线性阶段变形集中部位可能不同）
5.4 整体结构的动力性能
5.4.3 双向地震作用
存在强度相互作用影响和刚度相互作用影响 • 一般双向地震作用下反应增大 • 水平双向作用对非线性结构影响可能比对称结构为大 • 对弹塑性层间相对位移影响较楼层位移反应为大 • 对结构下层影响比对上层影响为大 • 砌体结构的出平面破坏
Time domain
数据科学
Modal parameters
Parametric method
Non-parametric method
Model-based Model-free
工程结构监测
结构性能评估
M&S-V&V&UQ
M&S: Modeling & Simulation V&V: Verification & Validation UQ: Uncertainty quantification
• 主要试验目的：
• 一般试验过程：
（1）了解结构抗震性能 （2）研究结构破坏机制 （3）验证地震反应计算模型的正确性
（1）结构自振特性的标定 （2）线性阶段试验 （3）非线性阶段试验 （4）破坏阶段的试验
模拟地震振动台（单台）实验
（摘自同济大学土木防灾国 家重点实验室网站）
模拟地震振动台（单台）实验
10000kN大型多功能结构试验机
5.1 结构抗震实验方法概述 周期性反复静力加载试验
5.1 结构抗震实验方法概述 周期性反复静力加载试验
5.1 结构抗震实验方法概述 爆炸模拟地震试验
试验主要测量内容包括管道应变、管道加速度、管线接口变形、地表加速度 等，针对不同的测量内容，采用了不同的装置。
5.1 结构抗震实验方法概述
爆炸模拟地震试验
A1X加速度时程：
Acceleration [m/sec2]
6 4 2 0 -2 -4 -6
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
0.35
0.4
0.45
0.5
0.55
0.6
0.65
0.7
0.75
0.8
0.85
0.9
0.95
1
Time [sec]
A1Y加速度时程：
Acceleration [m/sec2]
6 4 2 0 -2 -4 -6
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
0.35
0.4
0.45
0.5
0.55
0.6
0.65
0.7
0.75
0.8
0.85
0.9
0.95
1
Time [sec]
W1接口变形：
5.1 结构抗震实验方法概述
振动台实验（Shaking table test）
5.4.4 扭转反应
质心与刚心不重合 • 震害严重 • 角部反应增大，破坏严重
5.5 恢复力曲线的模型化 5.5.1 恢复力曲线的实验拟合法
5.5 恢复力曲线的模型化 5.5.2 几个重要的恢复力曲线模型
Romberg-Osgood模型
• 骨架曲线：
y
P Py
1
P Py
1
1: P 1
高层建筑结构
25 : 1
模拟地震振动台（单台）实验
大跨建筑结构
模拟地震振动台（单台）实验
特种结构
特高压输电塔
变压器套管系统
（建工系谢强提供）
大型海上风力发电高塔系统 （建工系陈建兵提供）
模拟地震振动台（单台）实验
地标建筑
模拟地震振动台（台阵）实验（桥梁系杨澄宇提供）
模拟地震振动台（单台）实验（摘自E-defense 网站）
其它模型
5.5 恢复力曲线的模型化 5.5.3 恢复力曲线的复合模型
模型与参数同等重要！
5.5 恢复力曲线的模型化 5.5.3 恢复力曲线的复合模型
模型的合适选择。
5.5 恢复力曲线的模型化 5.5.3 恢复力曲线的复合模型
Cyclic loading
Cyclic loading
5.2 动力性能的一般特点 5.2.3 强度退化与刚度退化
基本现象： • 基本特点：混凝土 > 钢，脆性破坏情形 > 延性破坏情形
5.2 动力性能的一般特点 5.2.4 裂面效应与包兴格效应
基本现象： 裂面传压效应（朱伯龙，1980） • 机理与特征： 骨料咬合作用使得裂缝闭合之前已可承受较大的压力；
Takeda三线性模型
• 刚度退化：
Kr
Pf f
Py y
m y
5.5 恢复力曲线的模型化 5.5.2 几个重要的恢复力曲线模型
Takeda三线性模型 • 计算实例：
5.5 恢复力曲线的模型化 5.5.2 几个重要的恢复力曲线模型
不同模型计算实例 (El Centro)：
5.5 恢复力曲线的模型化 5.5.2 几个重要的恢复力曲线模型
Alert
Management system
Data Storage
Data Base
Evaluation and diagnosis strategy
结构健康监测 （Structural Health Monitoring, SHM）
地震动监测
“探测大地脉搏的跳 动，揭示地灾空间的 分布，预测地质灾害 的地点，有效应对灾 害的发生，避免次生 灾害的出现”
― Albert Einstein
李政道的物理学家两定律
• 没有实验物理学家，理论物理学家就要漂浮不定。 • 没有理论物理学家，实验物理学家就会犹豫不决。
5.1 结构抗震实验方法概述
自振特性试验 (模态测试)
基本试验方法： （1）自由振动法 （2）脉动法 （3）环境激励下模态测试
频域方法： 峰值法PP、频域分解法FDD、最大似然估计法MLCFDE、多 参考最小二乘复频域法PolyMAX
中国大陆HQH-NSER
原型结构的现场测试
工程结构检测
工程结构监测
Sensing techniques
工程结构监测
Data acquisition and transmission
GUI System
Integration of system
Data processing
SHM system
梁与柱 梁柱节点连接与节点域 支撑
5.3 基本构件的动力性能 钢筋混凝土构件 受弯构件
钢筋屈服前：滞回环为稳定的梭形 钢筋屈服后：捏拢现象、刚度退化明显
5.3 基本构件的动力性能 钢筋混凝土构件
受弯构件
剪力的存在不利发挥抗震性能：“捏拢”现象显著 加密箍筋可使耗能能力增加
5.4 整体结构的动力性能 5.4.1 周期与阻尼
y Py
:
y
P Py
1
P Py
1
P
Py
,
,
P Py P Py
5.5 恢复力曲线的模型化 5.5.2 几个重要的恢复力曲线模型
Romberg-Osgood模型 • 滞回曲线：
i 2 y
P Pi 2Py
1
P Pi 2Py
1
5.5 恢复力曲线的模型化 5.5.2 几个重要的恢复力曲线模型
Damping ratio(%)
Core wall
Co
1.27
Floor 42
1.02
1.20
1.13
0.59
0.60
1.54
Floor 68
1.70
结构性能评估 桥梁结构
Sensor Placement
工程结构监测
明石海峡大桥
工程结构监测
结构性能评估
SHM techniques
Linear Nonlinear
第五章 结构动力特性及其模型化
5.1 结构抗震实验方法概述 5.2 动力性能的一般特点 5.3 基本构件的动力性能 5.4 整体结构的动力性能 5.5 恢复力模型
0
5.1 结构抗震实验方法概述 5.1.1 结构抗震实验方法
结构抗震实验的主要任务 • 研究构件或结构的破坏机理与破坏特征 • 确定结构的动力特性 • 检验结构的计算模型
Information required
Information aimed
·Level 1 ∶
·Level 4
·结构/系统识别 · 参数识别 · 损伤识别/诊断
Direct inspection
Static fielding tests
·Fatigue ·Crack ·Corrosion ·Etc.
5.1 结构抗震实验方法概述 拟动力试验
数值计算与拟动力试验的比较
5.1 结构抗震实验方法概述 拟动力试验
三层结构模型及试验子结构
5.1 结构抗震实验方法概述
远程网络协同试验
美国“NEES计划” 欧洲“减轻地震风 险的欧洲网络计划”
日本E-Defense建设 及其远程协同试验
中国台湾ISEE计划
5.4 整体结构的动力性能 5.4.1 周期与阻尼
开裂（或进入非线性阶段）后的频率杂化现象：非线性阶段高阶振型 参与分量增大。
5.4 整体结构的动力性能 5.4.1 周期与阻尼
地震实测结果
5.4 整体结构的动力性能 5.4.2 内力重分布与变形集中
梁铰机制
结构内力重分布过程是复杂的过程， 由于随机性的存在，往往不可能精 确跟踪内力演化的确定性过程，这 导致“歧路亡羊”的过程。
时域方法： 时间序列分析法ARMA、随机减量技术RDT、自然激励技术及特征 值实现算法(NExT+ERA)、最小二乘复指数法LSCE、随机子空间算 法SSI
5.1 结构抗震实验方法概述 周期性反复静力加载试验
• 基本试验原理： 加载具有周期性、且时间尺度远大于地震动时间过程，即以静力
方式模拟地震作用又称低周反复试验
结构抗震实验的主要类型： • 自振特性试验 • 周期性反复静力加载试验 • 拟动力试验 • 振动台试验 • 远程网络协同试验 • 现场试验
5.1 结构抗震实验方法概述
“A theory is something nobody believes, except the person who made it. An experiment is something everybody believes, except the person who made it.”
M&S: Modeling & Simulation V&V: Verification & Validation UQ: Uncertainty quantification
建模与模拟的不 确定度量化的方 法
5.2 动力性能的一般特点 5.2.1动力弹性模量与动力极限强度
5.2 动力性能的一般特点
Romberg-Osgood模型
• 计算实例：
5.5 恢复力曲线的模型化 5.5.2 几个重要的恢复力曲线模型
Clough退化双线性模型
• 刚度退化：
Kr
Ky
m y
5.5 恢复力曲线的模型化 5.5.2 几个重要的恢复力曲线模型
Clough退化双线性模型 • 计算实例：
5.5 恢复力曲线的模型化 5.5.2 几个重要的恢复力曲线模型
5.2.1动力弹性模量与动力极限强度 基本规律：
• 动力弹性模量与动力强度均高于静力情形. • 徐变效应显著的材料，动力特性参数变化显著.
5.2 动力性能的一般特点 5.2.2 恢复力曲线
• 运动方程中的恢复力：
mx cx RT (x, x) f (t)
骨架曲线 + 滞回曲线 ＝ 恢复力曲线
·Behavior tests ·Diagnostic tests ·Proof tests
M&S-V&V&UQ
Modal analysis
Dynamic fielding tests
·Controlled tests ·Ambient vibration ·Earthquake
Frequency domain
验证处理 数学问题
确认处理 物理问题
工程结构监测
结构性能评估
M&S-V&V&UQ
M&S: Modeling & Simulation V&V: Verification & Validation UQ: Uncertainty quantification
工程结构监测
结构性能评估
M&S-V&V&UQ
工程结构监测
结构性能评估 建筑结构
工程结构监测 （结构所施卫星、单伽锃提供）
Method
Date
Mode
26/12/2011
X1
Y1
X2
Y2
X3
Y3
04/07/2012
X1
Y1
Freuqency(Hz) 0.4492 0.4609 1.2070 1.3086 1.5156 1.5156 0.2852 0.2930