《结构动力特性分析》PPT课件
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《结构动力学》PPT课件
0
P
sin t
计算步骤: 1.求振型、频率;
2.求广义质量、广义荷载;
3.求组合系数;
4.按下式求组合系数;
N
y(t)
Y
i
Di
(t )
i 1
15
例一.求图示体系的稳态振幅.
Psin t
m1 m2 m 3.415 EI / ml3
m1
m2
EI
解:
1 5.692
6
为了使假设的振型尽可能的接近真实振型，尽可能减小假设振型对体系所 附加的约束， Ritz 提出了改进方法：
1、假设多个近似振型 2、将它们进行线性组合
1,2 n 都满足前述两个条件。 Y(x) a1 1 a2 2 an n
（a1、a2、·········、an是待定常数）
j
Y T j
2 j
K
* j
/
M
* j
k Y j
2 j
Y
T j
mY j
折算体系
13
一.振型分解法(不计阻尼)
P1(t) P2 (t)
PN (t)
运动方程
m1 m2
mN
my(t) ky(t) P(t)
设
N
y(t) Yi Di (t)
EI
D2 (t)
2 2
D2
(t )
P2* (t)
/
M
* 2
D2 (t)
0.1054
10 2
Pl 3 EI
s in t
例一.求图示体系的稳态振幅.
P
sin t
计算步骤: 1.求振型、频率;
2.求广义质量、广义荷载;
3.求组合系数;
4.按下式求组合系数;
N
y(t)
Y
i
Di
(t )
i 1
15
例一.求图示体系的稳态振幅.
Psin t
m1 m2 m 3.415 EI / ml3
m1
m2
EI
解:
1 5.692
6
为了使假设的振型尽可能的接近真实振型，尽可能减小假设振型对体系所 附加的约束， Ritz 提出了改进方法：
1、假设多个近似振型 2、将它们进行线性组合
1,2 n 都满足前述两个条件。 Y(x) a1 1 a2 2 an n
（a1、a2、·········、an是待定常数）
j
Y T j
2 j
K
* j
/
M
* j
k Y j
2 j
Y
T j
mY j
折算体系
13
一.振型分解法(不计阻尼)
P1(t) P2 (t)
PN (t)
运动方程
m1 m2
mN
my(t) ky(t) P(t)
设
N
y(t) Yi Di (t)
EI
D2 (t)
2 2
D2
(t )
P2* (t)
/
M
* 2
D2 (t)
0.1054
10 2
Pl 3 EI
s in t
例一.求图示体系的稳态振幅.
结构动力学课件PPT
my cy ky FP (t)
§2-5 广义单自由度体系：刚体集合
➢刚体的集合（弹性变形局限于局部弹性 元件中）
➢分布弹性（弹性变形在整个结构或某些 元件上连续形成）
➢只要可假定只有单一形式的位移，使得 结构按照单自由度体系运动，就可以按 照单自由度体系进行分析。
E2-1
x
p( x,t
)
=p
)
3
B'
M I1
E'
D'
F' G'
A
D
E
B
F
G
C
fD1
fI1
fS1
f D2
f I2
f S2
a
2a
a aa a
Z(t )
f S1
k1(EE')
3 4
k1Z (t )
f D1
d c1( dt
DD')
1 4
c1Z (t )
fS2
k1(GG')
1 3
k2
Z
(t
)
fD2 c2Z (t)
f
I1
m1
1 2
Z(t)
3. 有限单元法
—— 将有限元法的思想用于解决结构的动力计算问题。
要点：
▪ 先把结构划分成适当（任意）数量的单元；
▪ 对每个单元施行广义坐标法，通常取单元的节点位移作 为广义坐标；
▪ 对每个广义坐标取相应的位移函数 （插值函数）；
▪ 由此提供了一种有效的、标准 化的、用一系列离散坐标 表示无限自由度的结构体系。
建立体系运动方程的方法
▪ 直接平衡法，又称动静法，将动力学问题转化为任一时刻 的静力学问题：根据达朗贝尔原理，把惯性力作为附加的 虚拟力，并考虑阻尼力、弹性力和作用在结构上的外荷载， 使体系处于动力平衡条件，按照静力学中建立平衡方程的 思路，直接写出运动方程。
第十章结构动力学1 56页PPT文档
5.与其它课程之间的关系
结构动力学以结构力学和数学为基础。 要求熟练掌握已学过的结构力学知识和数学知识（微分方程的求解）。
结构动力学作为结构抗震、抗风设计计算的基础。
2019/9/6
结构力学
§10-2 体系的动力自由度
1.动力自由度的定义
动力问题的基本特征是需要考虑惯性力，根据达朗贝尔（D‘Alembert Jean Le Rond）原理，惯性力与质量和加速度有关，这就要求分析质量分布和质量位 移，所以，动力学一般将质量位移作为基本未知量。
世界上采用被动式TMD的其它代表性建筑有：加拿大多伦多 的CN Tower、日本大阪的Crystal Tower、澳洲悉尼的 Centerpoint Tower、美国纽约的Citicorp Center、日本的明石 海峡大桥 Akashi Kaikyo Bridge ，等等。
§10-1 概述
结构振动控制的工程应用实例
冲击和突加载荷： 其特点是荷载的大小在极短的时间内有较大的变化。冲 击波或爆炸是冲击载荷的典型来源；吊车制动力对厂房的水平作用是典型 的突加荷载。
随机载荷：其时间历程不能用确定的时间函数而只能用统计信息描述。风 荷载和荷载均属此类。对于随机荷载，需要根据大量的统计资料制定出相 应的荷载时间历程（荷载谱）。
第10章 结构动力学
Structural dynamics
§10-1 概述 §10-2 体系的动力自由度 §10-3 单自由度体系运动方程的建立 §10-4 单自由度体系的自由振动 §10-5 单自由度体系的强迫振动 §10-6 多自由度体系的自由振动 §10-7 振型的正交型 §10-8 多自由度体系的强迫振动 §10-9 无限自由度体系的自由振动 §10-10 自振频率的近似计算
结构动力学以结构力学和数学为基础。 要求熟练掌握已学过的结构力学知识和数学知识（微分方程的求解）。
结构动力学作为结构抗震、抗风设计计算的基础。
2019/9/6
结构力学
§10-2 体系的动力自由度
1.动力自由度的定义
动力问题的基本特征是需要考虑惯性力，根据达朗贝尔（D‘Alembert Jean Le Rond）原理，惯性力与质量和加速度有关，这就要求分析质量分布和质量位 移，所以，动力学一般将质量位移作为基本未知量。
世界上采用被动式TMD的其它代表性建筑有：加拿大多伦多 的CN Tower、日本大阪的Crystal Tower、澳洲悉尼的 Centerpoint Tower、美国纽约的Citicorp Center、日本的明石 海峡大桥 Akashi Kaikyo Bridge ，等等。
§10-1 概述
结构振动控制的工程应用实例
冲击和突加载荷： 其特点是荷载的大小在极短的时间内有较大的变化。冲 击波或爆炸是冲击载荷的典型来源；吊车制动力对厂房的水平作用是典型 的突加荷载。
随机载荷：其时间历程不能用确定的时间函数而只能用统计信息描述。风 荷载和荷载均属此类。对于随机荷载，需要根据大量的统计资料制定出相 应的荷载时间历程（荷载谱）。
第10章 结构动力学
Structural dynamics
§10-1 概述 §10-2 体系的动力自由度 §10-3 单自由度体系运动方程的建立 §10-4 单自由度体系的自由振动 §10-5 单自由度体系的强迫振动 §10-6 多自由度体系的自由振动 §10-7 振型的正交型 §10-8 多自由度体系的强迫振动 §10-9 无限自由度体系的自由振动 §10-10 自振频率的近似计算
第5章-结构动力试验4ppt课件(全)
脉动法
脉动法
脉动法
5.2.3.2 统计法 5.2.3.3 频谱分析法 5.2.3.4 功率谱分析法
5.3 结构动力反应试验
1 动应变的测定 2 结构动位移的测定 3 动力系数的测定
动应变的测定
结构动位移的测定
结构动位移的测定
动力系数的测定
动力系数的测定
5.4 结构疲劳试验
1 疲劳试验的目的及内容 2 疲劳试验的分类与特征 3 疲劳试验的具体方法 4 疲劳试验的安装
疲劳试验的分类与特征
金属材料的疲劳有以下特征 ①交变荷载作用下，构件的交变应力远低于材料静力强 度条件下有可能发生的疲劳破坏 ②单调静载实验中表现为脆性或塑性的材料 ③疲劳破坏具有显著的局部特征 ④疲劳破坏是一个累积损伤的过程，要经历足够多次导 致损伤的交变应力才会发生疲劳破坏
疲劳试验的具体方法
结构风工程研究思路
风洞试验的理论基础
风洞试验的理论基础是相似准则。在模型与实物几何外 形相似的基础上，风洞试验的对数衰减数、弹性数、密 度 比数、重力数数应与实际情形相同，才能满足一定条 件下试验模型的响应与实际结构的响应相同或成比例。
风洞试验的理论基础
建筑结构风洞试验的主要试验方法包括静力和动力风压 试验，高频动态天平试验和气动弹性模型试验。 静力和动力风压试验由于刚性模型简单，技术成熟而被 广泛应用。
第5章 结构动力试验
第5章 结构动力试验
1 概述 2 结构动力特性试验 3 结构动力反应试验 4 结构疲劳试验 5 风洞试验
5.1 概述
1 基本特点 2 结构动力荷载的类型 3 结构动力试验的内容
基本特点
分析结构在动荷载作用下的变形和内力是一个十分复杂的问 题，它不仅与动力荷载的性质、数量、大小、作用方式、变 化规律以及结构本身的动力特性有关，还与结构的组成形式、 材料性质以及细部构造等密切相关。
结构的动力特性试验课件
载荷形式和大小
环境因素
动载荷的形式和大小对结构的动力特性有 重要影响，特别是对于一些特殊载荷，如 冲击载荷和共振载荷。
温度、湿度、腐蚀等因素也会影响结构的 动力特性，因此在长期监测和维护过程中 需要特别关注。
CHAPTER 03
结构动力特性试验方法
试验前的准备
明确试验目的 在开始试验前，需要明确试验的 目的和要求，以便选择合适的试 验方法、确定试验参数和制定试 验计划。
准备试件 根据试验要求，准备合适的试件 ，确保试件的质量、尺寸和形状 符合要求，并对其进行必要的预 处理。
选择合适的试验装置 根据试验目的和要求，选择合适 的试验装置，包括激振器、测力 计、位移计等，并确保其精度和 可靠性。
搭建试验台 根据试验要求，搭建合适的试验 台，包括基础、支撑结构、固定 装置等，确保试验台稳定可靠。
模型简化与真实情况的偏 离
为了简化试验过程和提高效率 ，现有的试验方法通常会采用 简化的模型，这可能导致与真 实结构的动力特性存在偏差。
环境因素对试验结果的影 响
温度、湿度、风载等环境因素 可能对试验结果产生影响，但 现有方法难以完全消除这些影 响。
未来研究的方向与重点
发展先进的试验技术与方法
研究和发展更高效、准确和经济的结构动力特性试验方法，包括新型 的传感器技术、数据采集和处理技术等。
试验过程
安装试件
将试件安装在试验台 上，确保安装位置准 确、稳定可靠。
设置激振器
根据试验要求，设置 合适的激振器，包括 频率、振幅、波形等 参数，以产生所需的 激励力。
数据采集
在试验过程中，使用 各种传感器采集所需 的响应数据，如位移 、速度、加速度、应 力等。
调整激振参数
结构动力学 ppt课件
i (0) i (l ) 0
--基函数（或形状函数） 课件 i ( x)PPT
9
ai ---广义坐标
3) 有限元法 和静力问题一样，可通过将实 际结构离散化为有限个单元的集合， 将无限自由度问题化为有限自由度 来解决。
m
三. 自由度的确定
集中质量法：独立质量位移数即为自由度数； 广义坐标法：广义坐标个数即为自由度个数； 有限元法：独立结点位移数即为自由度数；
第三类问题：荷载识别。
PPT课件
5
第四类问题：控制问题
输入 （动力荷载） 结构 （系统） 控制系统 （装置、能量） 输出 （动力反应）
本课程主要介绍结构的反应分析 任务 讨论结构在动力荷载作用下反应的分析的方法。寻找 结构固有动力特性、动力荷载和结构反应三者间的相互关 系，即结构在动力荷载作用下的反应规律，为结构的动力 可靠性（安全、舒适）设计提供依据。
PPT课件
10
例. 自由度的确定
1) 平面上的一个质点 3) 计轴向变形时 W=2 不计轴向变形时 W=1 W=2 为减少动力自由度，梁与 刚架一般可不计轴向变形。
y2
y1
W=2
2)Βιβλιοθήκη 弹性支座不减少动力自由度PPT课件
11
4)
y1
W=1
5) W=2
6)
EI
W=1
PPT课件
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§1.4
体系的运动方程
形式上的平衡方程，实质上的运动方程
PPT课件
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一、柔度法
P(t )
l
EI
m m (t ) y y(t )
=1
11
(t )] 11[ P(t ) m y
结构动力特性实验ppt课件
➢ 实验设备
▪ 低频扫频信号发生器、激振器 ▪ 加速度计、电荷放大器、数据采集器 ▪ 计算机、打印机
➢ 实验装置
▪ 实验模型——有机玻璃和配重铁块制成的双层刚架，并沿 刚架的竖直杆水平布置4个加速度计。
平面两层刚架结构动力特性实验
➢ 实验步骤
一．总体操作步骤
① 依此打开低频扫频信号发生器、电荷放大器、打 印机、计算机的电源。
平面两层刚架结构动力特性实验
➢ 实验结果处理
① 认真记录好所提供的结构参数，及实验中观测到的 现象；并运用所学的知识作出适当的解释。
② 确定共振频率和振型，根据提供的结构参数进行振型计算，并与 实验结果对比，找出误差分析原因。
③ 绘制出实验装置图，解释各设备在本实验中的作用。
④ 对本实验有何要求、建议、看法在报告中指出。
1 2 y1max
y 2max
O
1 1 2
i
1
2i
(2
1)
2
频率
平面两层刚架结构动力特性实验
▪ 由4个水平布置在刚架竖杆上的加速度计，来测量频率和加速度，并 通过对加速度积分后得到刚架结构的位移。
▪ 用激振器对刚架结构施加频率变化的激振力，使结构产生振动，通 过测量结构的频率和位移做出幅频曲线，并得出结构振动的波形图。
Y12 Y22
k11
k12
m122
平面两层刚架结构动力特性实验
▪ 两层刚架振型
第一振型
方法有自由振动法和强迫振 动法。 ▪ 结构在共振情况下，阻尼的影响不能忽略；常用测定结构 阻尼比的方法有自由振动衰减法和半功率法。
y
振幅
y1m ax
② 点击计算机桌面上的刚架动力特性实验图标进入该实验系统。
▪ 低频扫频信号发生器、激振器 ▪ 加速度计、电荷放大器、数据采集器 ▪ 计算机、打印机
➢ 实验装置
▪ 实验模型——有机玻璃和配重铁块制成的双层刚架，并沿 刚架的竖直杆水平布置4个加速度计。
平面两层刚架结构动力特性实验
➢ 实验步骤
一．总体操作步骤
① 依此打开低频扫频信号发生器、电荷放大器、打 印机、计算机的电源。
平面两层刚架结构动力特性实验
➢ 实验结果处理
① 认真记录好所提供的结构参数，及实验中观测到的 现象；并运用所学的知识作出适当的解释。
② 确定共振频率和振型，根据提供的结构参数进行振型计算，并与 实验结果对比，找出误差分析原因。
③ 绘制出实验装置图，解释各设备在本实验中的作用。
④ 对本实验有何要求、建议、看法在报告中指出。
1 2 y1max
y 2max
O
1 1 2
i
1
2i
(2
1)
2
频率
平面两层刚架结构动力特性实验
▪ 由4个水平布置在刚架竖杆上的加速度计，来测量频率和加速度，并 通过对加速度积分后得到刚架结构的位移。
▪ 用激振器对刚架结构施加频率变化的激振力，使结构产生振动，通 过测量结构的频率和位移做出幅频曲线，并得出结构振动的波形图。
Y12 Y22
k11
k12
m122
平面两层刚架结构动力特性实验
▪ 两层刚架振型
第一振型
方法有自由振动法和强迫振 动法。 ▪ 结构在共振情况下，阻尼的影响不能忽略；常用测定结构 阻尼比的方法有自由振动衰减法和半功率法。
y
振幅
y1m ax
② 点击计算机桌面上的刚架动力特性实验图标进入该实验系统。
《结构动力学》课件
《结构动力学》PPT课件
欢迎来到《结构动力学》PPT课件。本课程将带领您深入了解结构动力学的理 论和应用，探索建筑在外力作用下的响应和行为。让我们一起开启这个精彩 的学习之旅吧！
引言
1 研究对象及内容
探索结构动力学的研究范围，包括结构振动、动态响应等。
2 相关概念解释
解释与结构动力学相关的术语和概念，如动力学基础知识、振动分析方法等。
1 常见结构材料
列举常用的结构材料，如 钢材、混凝土、木材等。
2 材料特性与选用原则
介绍结构材料的特性和选 用原则，以保证结构的安 全和可靠性。
3 材料处理与加工
讨论结构材料的处理和加 工过程，如焊接、锻造等。
结构的实验及检测
1 实验设备及方法
介绍用于结构实验的设备和方法，如振动台、应变测量等。
2 实验数据分析
2 振动分析方法
介绍结构振动分析的常用 方法，包括自由振动和强 迫振动的分析。
3 动态响应分析方法
研究结构在外力作用下的 响应规律，包括频率响应 和时程分析等方法。
结构的稳定性分析
1 基础概念
介绍结构稳定性分析的基本概念，如失稳、临界荷载等。
2 总体稳定分析
分析结构整体的稳定性，探讨各种失稳模式的产生和防范。
介绍与结构安全管理相关 的法规和规范，保证结构 的安全性和可靠性。
结论
1 结构动力学研究的未来发展趋势
展望结构动力学领域的未来发展方向和研究 重点。
2 结构动力学在现代工程实践中的应
用价值
总结结构动力学在工程实践中的应用价值和 意义，如地震工程、桥梁设计等。
参考文献
整理了一份涵盖结构动力学领域相关文献的参考书目，供读者深入研究和进 一步学习。
欢迎来到《结构动力学》PPT课件。本课程将带领您深入了解结构动力学的理 论和应用，探索建筑在外力作用下的响应和行为。让我们一起开启这个精彩 的学习之旅吧！
引言
1 研究对象及内容
探索结构动力学的研究范围，包括结构振动、动态响应等。
2 相关概念解释
解释与结构动力学相关的术语和概念，如动力学基础知识、振动分析方法等。
1 常见结构材料
列举常用的结构材料，如 钢材、混凝土、木材等。
2 材料特性与选用原则
介绍结构材料的特性和选 用原则，以保证结构的安 全和可靠性。
3 材料处理与加工
讨论结构材料的处理和加 工过程，如焊接、锻造等。
结构的实验及检测
1 实验设备及方法
介绍用于结构实验的设备和方法，如振动台、应变测量等。
2 实验数据分析
2 振动分析方法
介绍结构振动分析的常用 方法，包括自由振动和强 迫振动的分析。
3 动态响应分析方法
研究结构在外力作用下的 响应规律，包括频率响应 和时程分析等方法。
结构的稳定性分析
1 基础概念
介绍结构稳定性分析的基本概念，如失稳、临界荷载等。
2 总体稳定分析
分析结构整体的稳定性，探讨各种失稳模式的产生和防范。
介绍与结构安全管理相关 的法规和规范，保证结构 的安全性和可靠性。
结论
1 结构动力学研究的未来发展趋势
展望结构动力学领域的未来发展方向和研究 重点。
2 结构动力学在现代工程实践中的应
用价值
总结结构动力学在工程实践中的应用价值和 意义，如地震工程、桥梁设计等。
参考文献
整理了一份涵盖结构动力学领域相关文献的参考书目，供读者深入研究和进 一步学习。
结构动力学课件
矩阵M和K两边相乘的是同一个振型向量φi时, 它们的乘 积等于一个数:
Mi Mi
Mi 称为广义质量. Ki 称为广义刚度.
i Ki Ki
T
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自测题
一、判断题
1. 动力荷载对结构的影响不仅随时间而变化，而 且使结构产生不容忽视的惯性力。（ √ ） 2. 动力位移总是要比静力位移大一些。（ ╳ ） 3. 多自由度体系， 刚度系数与柔度系数的关系是： kij=1/δij 。 （ ╳） 4. 图示体系作动力计算时，若不计轴向变形影响则为 m 单自由度体系。（ ╳ ）
F F
t 1
自测题
三、考研题选解
1. 在动力计算中，图a、b所示体系的动力自由度分 别为：（ A ）（4分）（西南交通大学1997年）
A. 1，4
(a)
B. 2，3
(b)
C. 2，2
(c)
D.3，4
(d) (d)
(a)
(b)
(c)
提示:用附加链杆法分析，附加链杆分别如图 c、d， 有几个附加链杆，就有几个自由度。
4. 建立运动方程的方法
基本方法是惯性力法，即在体系的各运动质点上加入惯性力并认 为各质点处于瞬时的平衡状态，采用静力学方法列出运动方程。 y ，速 注意，通常取静平衡位置为位移 y的坐标原点，位移 度 、加速度 y 的正方向取为一致。 y
（1）刚度法
FI (t ) Fc (t ) Fe (t ) Fp (t ) 0 (t ) cy (t ) k11 y(t ) Fp (t ) m y
X (1) X (2) X X (n)
1 X (2) X (1) X ( n ) X ( 1 )
结构动力反应优质PPT资料
(2)无轨动荷载
采取一次高速通过，记录图形如图5-22（b），取曲线最
大值为 度即为
yd
y
，同时在曲线上绘出中线，相应于
j
(即
yj
yd
a 2
,a 为振动的峰-峰值)
y
d 处中线的高 ，由此可求
出动力系数。
yj
a yj yd
yd
图5-23动力系数测定
三、振动变位图
1. 定义 振动变位图是结构在特定荷载作用下的变形曲 线。
（二）DH5937动态应变仪
1.仪器面板
2．测量电桥
必须把应变随时间而变化的时间－历程曲线连续完整地记录下来，然后再进行定量分析。
在电桥盒上可接全桥和半桥，见图5-21。
必须把应变随时间而变化的时间－历程曲线连续完整地记录下来，然后再进行定量分析。
在电桥盒上可接全桥和半桥，见图5-21。 振动变位图是结构在特定荷载作用下的变形曲线。
阻变化量，折合成一个标准的应变量 ，称为 动应力指数值或方向随时间而变化的应力。
动应力指数值或方向随时间而变化的应力。 图5-22动态应变仪记录标定结果曲线
0
标定值，在记录波形上记录下一个高度 ，以 （二）DH5937动态应变仪
H 先（使a）移。动荷载以极慢的速度驶过结构，由此得跨中最大静挠度，然后，再使移动荷载以各种速度驶过，找出最大动挠i 度，见图5-23
b 全桥接法
图5-21 桥盒接桥图
动态应变多点测量时，一个测点一个电 桥，测点电桥一一对应，不能采用“公 共补偿技术”。因为：动态应变随时间 而变化，如果采用公共补偿技术，就不 能将应变随时间而变化的时间－历程曲 线连续完整地记录下来。
（三）应变值的度量
结构动力特性试验分析PPT课件
y
t
Ce 2m
• sin
4m k 2 t
2m
第36页/共66页
§1结构动载试验概述
现代结构试验方法
惯性式测振传感器
y
t
Ce 2m
• sin
4m k 2
2m
t
时间因子分析
t
e2m
➢一个随时间而衰减的伴生自由振动。 ➢系统的阻尼愈大，振幅衰减愈快 ➢设计拾振器时需人为地使其具有足够的 阻尼β，使之急剧衰减，可视为瞬态振动 忽略不计。
第33页/共66页
§1结构动载试验概述
现代结构试验方法
量测系统
第34页/共66页
§1结构动载试验概述
现代结构试验方法
1.3动载试验的量测技术
2.惯性式测振传感器
——将振动信号转变为电量。
➢基本原理
由惯性质量、阻尼和弹簧组成一个动力系统，将之固定在振 动体上（即传感器的外壳固定在振动体上），与振动体一起振动，通 过测量惯性质量相对于传感器外壳的运动，就可以得到振动体的振动。
第29页/共66页
§1结构动载试验概述
现代结构试验方法
1.2动载试验的加载方法和设备
4.其他激振方法
• 人激振动加载法 • 环境随机振动激振法
第30页/共66页
§1结构动载试验概述
人激振动加载法
• 一个体重约70kg的人使其质量中心作频率约为1Hz、 双振幅为15cm的前后运动时，将产生大约0.2kN的 惯性力。加上在1%临界阻尼的情况下共振时的动力 放大系数为50，意味着作用于建筑物上的有效作用 力大约为10kN。
基本任务
• 结构物在强震过程中的振动过程的记录 • 自动触发启动，蓄电池供电
建筑结构试验课件第七章结构动力特性试验详解演示文稿
0
第23页，共23页。
❖ 7.2.1 结构自振频率测量 ❖ 2、强迫振动法
强迫振动法也称共振法。一般都采用惯性式机械离心 激振器对结构施加周期性的简谐振动，在模型试验时可采用 电磁激振器激振，使结构和模型产生强迫振动。由结构动力 学可知，当干扰力的频率与结构自振频率相等时，结构产生 共振。
利用激振器可以连续改变激振频率的特点，当结构产 生共振时振幅出现极大值，这时激振器的频率是结构的自振 频率。
❖ 7.2.3 振型测量 ❖ 测振传感器布置：沿结构高度或跨度方向连
续布置水平和垂直测振传感器，整体结构布 置在各层楼面、屋面。 ❖ 试验按振动记录曲线取某一固有频率结构振 动时各个测点同时间位移值，并将位移值连 线，得到结构振型曲线。 ❖ 量测注意振动曲线的相位。
第11页，共23页。
7.2 人工激振法测量结构动力特性
❖ 2．测量结构动力特性，了解结构的自振频率，可以避免和防止动荷
载作用所产生的干扰与结构产生共振或拍振现象。在设计中可以使结 构避开干扰源的影响，同样也可以设法防止结构自身动力特性对于仪 器设备的工作产生干扰的影响，可以帮助寻找采取相应的措施进行防 震，隔震或消震。
❖ 3．结构动力特性试验可以为检测、诊断结构的损伤积累提供可靠的资
❖ 随着对结构动力反应研究的需要，目前较多 的结构动力试验，特别是研究地震，风震反 应的抗震动力试验，也可以通过试验室内的 模型试验来测量它的动力特性。
第5页，共23页。
7.1 概述
❖ 人工激振法是一种早期使用的方法，试验得到的资料数据直 观简单，容易处理；环境随机振动法是一种建立在计算机技 术发展基础上采用数理统计处理数据的新方法，由于它是利 用环境脉动的随机激振，不需要激振设备，对于现场测试特 别有利。以上任何一种方法都能测得结构的各种自振特性参 数。
第23页，共23页。
❖ 7.2.1 结构自振频率测量 ❖ 2、强迫振动法
强迫振动法也称共振法。一般都采用惯性式机械离心 激振器对结构施加周期性的简谐振动，在模型试验时可采用 电磁激振器激振，使结构和模型产生强迫振动。由结构动力 学可知，当干扰力的频率与结构自振频率相等时，结构产生 共振。
利用激振器可以连续改变激振频率的特点，当结构产 生共振时振幅出现极大值，这时激振器的频率是结构的自振 频率。
❖ 7.2.3 振型测量 ❖ 测振传感器布置：沿结构高度或跨度方向连
续布置水平和垂直测振传感器，整体结构布 置在各层楼面、屋面。 ❖ 试验按振动记录曲线取某一固有频率结构振 动时各个测点同时间位移值，并将位移值连 线，得到结构振型曲线。 ❖ 量测注意振动曲线的相位。
第11页，共23页。
7.2 人工激振法测量结构动力特性
❖ 2．测量结构动力特性，了解结构的自振频率，可以避免和防止动荷
载作用所产生的干扰与结构产生共振或拍振现象。在设计中可以使结 构避开干扰源的影响，同样也可以设法防止结构自身动力特性对于仪 器设备的工作产生干扰的影响，可以帮助寻找采取相应的措施进行防 震，隔震或消震。
❖ 3．结构动力特性试验可以为检测、诊断结构的损伤积累提供可靠的资
❖ 随着对结构动力反应研究的需要，目前较多 的结构动力试验，特别是研究地震，风震反 应的抗震动力试验，也可以通过试验室内的 模型试验来测量它的动力特性。
第5页，共23页。
7.1 概述
❖ 人工激振法是一种早期使用的方法，试验得到的资料数据直 观简单，容易处理；环境随机振动法是一种建立在计算机技 术发展基础上采用数理统计处理数据的新方法，由于它是利 用环境脉动的随机激振，不需要激振设备，对于现场测试特 别有利。以上任何一种方法都能测得结构的各种自振特性参 数。
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的荷载位移关系曲线反映结构耗能能力的强弱，观察并研究结构破坏机理。 • 拟静力试验加载试验装置的基本组成部分为：反力装置,加载器,试验台座。
2020/11/15
13
大型结构试验反力墙设备
二、周期性反复静力加载试验
2020/11/15
14
二、周期性反复静力加载试验
1．静力试验加载制度的分类 （1）单向反复加载 1）控制位移加载法 又可分为变幅加载、等幅加载和变幅等幅混合加载等方法。
a．变幅加载 控制位移的变幅加载如图8-1(a)所示。
力2020/11/15
（a）控制位移
（b）控制作用
15
二、周期性反复静力加载试验
b．等幅加载 控制位移的等幅加载如图8-2所示：
c．变幅等幅混合加载 混合加载制度是将变幅、等幅两种加载制度结合起来，如图8-3所示。
图8-2 控制位移的等幅加载制度图
• 造成裂面效应的根本原因 是在裂面重新受压时，骨 料咬合作用使裂缝在完全 闭合之前就已传递较大的 压力。试验指出，裂缝越 宽，裂面接触效应越显著。
2020/11/15
30
四、裂面效应与包兴格效应
循环往复加荷荷载变位曲线的另一特点是屈服后反向加载时应力可能明显降低， 这一现象称之为包兴格效应。
2020/11/15
2020/11/15
25
二、恢复力曲线
• 滞回曲线：结构或构件在 力循环往复作用下得到的 力--变形曲线。
• 骨架曲线：滞回曲线的外 包络线。多数情况中，骨 架曲线与单调加载的力－ 变形曲线基本一致。
• 恢复力曲线：滞回曲线与 骨架曲线合称为恢复力曲 线，它表示构件或结构的 变形履历过程。
2020/11/15
2020/11/15
37
二、钢结构构件
1、梁与柱 2、梁－柱节点连接 3、梁－柱节点域 4、支撑
2020/11/15
38
1、梁与柱 钢是一种良好的抗震材料，然而这种说法是有条件的，
在循环往复荷载作用下整体或局部的失稳与低周疲劳断裂 都有可能导致钢结构构件出现非延性破坏。
2020/11/15
39
2、梁－柱节点连接
26
二、恢复力曲线
• 恢复力代表构件或结构 在外荷载去除后恢复原 来形状的能力。
• 循环往复加载：正向加 载 -- 卸 载 -- 反 向 加 载 -反向卸载--再正向加载
• 重复加载：加载--卸载-再加载
2020/11/15
27
三、强度退化与刚度退化
• 在循环往复荷载作用下，当保持相同的 峰点位移时，常常出现峰值荷载随循环 次数增多而降低的现象，称作强度退化。
2020/11/15
28
三、强度退化与刚度退化
• 当保持相同的峰值荷载时，峰点位移往往 随循环次数增加而增加，称作刚度退化。
• 退化性质反映结构累积损伤的影响，是结 构动力性能的重要特性之一。
2020/11/15
29
四、裂面效应与包兴格效应
• 裂面效应即裂面接触效应， 也就是在反复荷载下的钢 混材料，开裂的砼再受压 时，具有裂面局部接触以 传递压力的效应。
记录仪 相位计
共振法测量原理框图
2020/11/15
9
参数测定
共振时的 振动图形和共振曲线 衰减系数：
1 2
2
2020/11/15
由共振曲线 求阻尼系数和阻尼比 阻尼比：
0
10
用共振法测建筑物振型
2020/11/15
11
3、脉动法
脉动：由于人为活动和自然环境的影响，建筑物 在一般情况下都经常产生微幅振动（振动以微米 计）。这种微幅振动称之为建筑物的脉动。
脉动法：是通过测量建筑物的脉动反应波形来确 定建筑物的动力特性。
脉动信号的功率谱峰值对应着结构的固有频率。
2020/11/15
12
二、周期性反复静力加载试验
• 拟静力试验：周期性加载是指按一定的力或位移周期性地反复或重复加载。 • 拟静力试验始于50年代后期、为确定构件和结构的恢复力模型进行的。根据试验所得
2020/11/15
17
三、振动台试验
• 60年代末，先后在日本、美国开展振动台的研制和试验。我国在60～70年代， 建造部分侧重于进行正弦波振动试验的振动台，80年代建造了一批大、中型地 震模拟振动台
• 试验目的：了解结构抗震性能、破坏机制、验证计算模型的正确性 • 振动台组成：台体、激振器、控制系统、测量记录系统、数据处理系统等部分。
实用的方法通常有三种： 1、自由振动法 2、共振法 3、脉动法。
2020/11/15
4
动力特性测定
1、自由振动法
• 自由振动法利用阻尼振动衰减原理求取自振特性。 • 该法借助一定的张拉释放装置或反冲激振器使结构在一定的初位移（或初速度）
状态下开始自由衰减振动，通过记录振动衰减曲线，便可利用动力学理论求出 自振周期。 • 自振衰减曲线上两个相邻波峰之间即等于结构自振周期。
2020/11/15
35
1、受弯构件
• 剪力的存在不利于受弯构件良好地发挥抗震性能。图 （a）剪力相对较小，滞回曲线基本呈“梭形”，图（b） 剪力较大，滞回环呈现显著的“捏拢”现象，耗能能力 明显降低。
2020/11/15
36
2、压弯构件
• 压弯构件主要模拟框架或排架柱的受力情况。由于轴力 的存在，使构件延性降低，耗能能力减小。在无轴力情 况下，滞回环最为丰满，随着轴压比的提高，滞回环呈 捏拢现象，最终成为所谓“弓形”的滞回曲线。
2020/11/15
22
四、拟动力试验
• 地震模拟振动台试验由于台面尺寸和承载能力的限制，只能 进行小比例模型的试验，且彼此配重不足，不能很好满足相 似条件，特别是进入弹塑性阶段工作时，更不可能满足相似 条件，导致地震作用破坏形态失真；拟静力试验只能得到构 件或结构在反复荷载作用下的恢复力滞回特性，不能得到结 构地震反应全过程；而拟动力试验则是加载试验技术与计算 机技术相结合的当代先进的抗震试验方法，可以进行大比例 模型或足尺结构抗震试验，可慢速再现结构在地震作用下的 弹性一弹塑性一倒塌全过程反应，这是具有广泛发展前途的 抗震试验方法。
2020/11/15
18
三、振动台试验
2020/11/15
交通银行大厦 振动台试验
19
三、振动台试验
• 试验四个过程：结构自振特性的标定、线性阶段的试验、非线性阶段的试验和 极限破坏试验。
• 技术难点在于如何处理试验模型与原型的相似关系问题。 • 一般采取增加附加质量的方法来满足密度相似要求。
2020/11/15
• 结构自振周期的大小与结构的变形阶段密切相关。 上述经验结果一般是指在弹性变形状态下的值。在 非线性变形状态下，结构自振周期是一个变量。
第四节 整体结构的动力性能
一、周期与阻尼 二、内力重分布与变形集中 三、双向地震作用 四、扭转反应
2020/11/15
43
一、周期与阻尼
• 对建筑物进行大规模的自振特性的观测，积累了数 以千计的试验数据，得到经验公式，按我国试验数 据总结的常见结构基本周期计算公式。
2020/11/15
44
一、周期与阻尼
2020/11/15
41
4、支撑
单件支撑在不同变 形幅度下的循环往复试 验滞回曲线典型情况如 图。这一发现导致人们 曾试图将两个交叉支撑 视为两个单杆支撑，利 用单杆支撑的滞回性质 来集合交叉支撑的滞回 性质。但后来的研究表 明，这种近似难以反应 两支撑间的相互作用影 响。
2020/11/15
42
2020/11/15
图8-3 控制位移的变幅等幅混合加载制度
16
二、周期性反复静力加载试验
2）控制作用力加载法 控制作用力的加载制度如图8-1(b)所示。
3）控制作用力和控制位移的混合加载法 混合加载法是先控制作用力，一直加到屈服荷载，再用位移控制。从转变为控
制位移加载起，即按屈服位移值的倍数μ值控制，直到结构破坏。
2020/11/15
5
动力特性测定
1、自由振动法
拾振器 撞击
位移传感器 结 构 物
放大器
桥 盒
动态电阻 应变仪
光线 示波器
自由振动衰减量测系统
2020/11/15
6
有阻尼自由振动的运动方程：
x(t) xmet sin(t )
时 间自 历由 程振 曲动 线
ln n T ； 1 ln动力试验（又称为伪动力试验或计算机-加载器联机试验），即是指计算机 与试验机联机对试件进行加载试验。
• 拟动力试验：把电液伺服试验装置与计算机控制系统结合起来，利用加载试验 给出结构恢复力的实际数据，利用计算机数值分析技术给出加载试验的逐步控 制数据，为原型结构模拟地震试验。
钢结构的梁－柱节点连接，有全焊接、翼板焊接、腹 板螺栓连接和全螺栓连接等诸多形式。良好的焊接节点 （包括翼板焊接、腹板螺栓连接节点）具有稳定的滞回性 能，而螺栓连接节点则可能因螺栓的滑动使滞回环呈滑移 形式。
2020/11/15
40
3、梁－柱节点域 钢框架中的梁－柱节点域在梁不平衡弯矩和柱端
剪力作用下，会产生较大的剪切变形，对结构的内力 和变形均有较大影响。满足局部稳定条件的梁－柱节 点域具有饱满、稳定的滞回曲线。
• 在循环往复荷载下的破坏属于纤维性破坏，即受拉钢筋 超过屈服应力后受压钢筋压曲而破坏，因此，构件具有 较大的延性。
• 对比试验表明，对称配筋梁具有较好的延性，耗能能力 亦较非对称配筋梁好。
• 加密箍筋可以增加耗能能力，但不能完全消除捏拢现象。
2020/11/15
34
1、受弯构件
• 钢筋屈服前，循环往复荷 载下梁的骨架曲线与单调 加荷时梁的力——变形曲 线基本重合，滞回环基本 呈稳定的梭形，刚度与强 度退化均较小。而在钢筋 屈服以后，由于钢筋的包 兴格效应、混凝土裂缝的 开张与闭合、钢筋与混凝 土之间粘结力的破坏，滞 回曲线将出现“捏拢”现 象，同时，刚度退化现象 亦渐趋明显。
2020/11/15
13
大型结构试验反力墙设备
二、周期性反复静力加载试验
2020/11/15
14
二、周期性反复静力加载试验
1．静力试验加载制度的分类 （1）单向反复加载 1）控制位移加载法 又可分为变幅加载、等幅加载和变幅等幅混合加载等方法。
a．变幅加载 控制位移的变幅加载如图8-1(a)所示。
力2020/11/15
（a）控制位移
（b）控制作用
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二、周期性反复静力加载试验
b．等幅加载 控制位移的等幅加载如图8-2所示：
c．变幅等幅混合加载 混合加载制度是将变幅、等幅两种加载制度结合起来，如图8-3所示。
图8-2 控制位移的等幅加载制度图
• 造成裂面效应的根本原因 是在裂面重新受压时，骨 料咬合作用使裂缝在完全 闭合之前就已传递较大的 压力。试验指出，裂缝越 宽，裂面接触效应越显著。
2020/11/15
30
四、裂面效应与包兴格效应
循环往复加荷荷载变位曲线的另一特点是屈服后反向加载时应力可能明显降低， 这一现象称之为包兴格效应。
2020/11/15
2020/11/15
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二、恢复力曲线
• 滞回曲线：结构或构件在 力循环往复作用下得到的 力--变形曲线。
• 骨架曲线：滞回曲线的外 包络线。多数情况中，骨 架曲线与单调加载的力－ 变形曲线基本一致。
• 恢复力曲线：滞回曲线与 骨架曲线合称为恢复力曲 线，它表示构件或结构的 变形履历过程。
2020/11/15
2020/11/15
37
二、钢结构构件
1、梁与柱 2、梁－柱节点连接 3、梁－柱节点域 4、支撑
2020/11/15
38
1、梁与柱 钢是一种良好的抗震材料，然而这种说法是有条件的，
在循环往复荷载作用下整体或局部的失稳与低周疲劳断裂 都有可能导致钢结构构件出现非延性破坏。
2020/11/15
39
2、梁－柱节点连接
26
二、恢复力曲线
• 恢复力代表构件或结构 在外荷载去除后恢复原 来形状的能力。
• 循环往复加载：正向加 载 -- 卸 载 -- 反 向 加 载 -反向卸载--再正向加载
• 重复加载：加载--卸载-再加载
2020/11/15
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三、强度退化与刚度退化
• 在循环往复荷载作用下，当保持相同的 峰点位移时，常常出现峰值荷载随循环 次数增多而降低的现象，称作强度退化。
2020/11/15
28
三、强度退化与刚度退化
• 当保持相同的峰值荷载时，峰点位移往往 随循环次数增加而增加，称作刚度退化。
• 退化性质反映结构累积损伤的影响，是结 构动力性能的重要特性之一。
2020/11/15
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四、裂面效应与包兴格效应
• 裂面效应即裂面接触效应， 也就是在反复荷载下的钢 混材料，开裂的砼再受压 时，具有裂面局部接触以 传递压力的效应。
记录仪 相位计
共振法测量原理框图
2020/11/15
9
参数测定
共振时的 振动图形和共振曲线 衰减系数：
1 2
2
2020/11/15
由共振曲线 求阻尼系数和阻尼比 阻尼比：
0
10
用共振法测建筑物振型
2020/11/15
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3、脉动法
脉动：由于人为活动和自然环境的影响，建筑物 在一般情况下都经常产生微幅振动（振动以微米 计）。这种微幅振动称之为建筑物的脉动。
脉动法：是通过测量建筑物的脉动反应波形来确 定建筑物的动力特性。
脉动信号的功率谱峰值对应着结构的固有频率。
2020/11/15
12
二、周期性反复静力加载试验
• 拟静力试验：周期性加载是指按一定的力或位移周期性地反复或重复加载。 • 拟静力试验始于50年代后期、为确定构件和结构的恢复力模型进行的。根据试验所得
2020/11/15
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三、振动台试验
• 60年代末，先后在日本、美国开展振动台的研制和试验。我国在60～70年代， 建造部分侧重于进行正弦波振动试验的振动台，80年代建造了一批大、中型地 震模拟振动台
• 试验目的：了解结构抗震性能、破坏机制、验证计算模型的正确性 • 振动台组成：台体、激振器、控制系统、测量记录系统、数据处理系统等部分。
实用的方法通常有三种： 1、自由振动法 2、共振法 3、脉动法。
2020/11/15
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动力特性测定
1、自由振动法
• 自由振动法利用阻尼振动衰减原理求取自振特性。 • 该法借助一定的张拉释放装置或反冲激振器使结构在一定的初位移（或初速度）
状态下开始自由衰减振动，通过记录振动衰减曲线，便可利用动力学理论求出 自振周期。 • 自振衰减曲线上两个相邻波峰之间即等于结构自振周期。
2020/11/15
35
1、受弯构件
• 剪力的存在不利于受弯构件良好地发挥抗震性能。图 （a）剪力相对较小，滞回曲线基本呈“梭形”，图（b） 剪力较大，滞回环呈现显著的“捏拢”现象，耗能能力 明显降低。
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2、压弯构件
• 压弯构件主要模拟框架或排架柱的受力情况。由于轴力 的存在，使构件延性降低，耗能能力减小。在无轴力情 况下，滞回环最为丰满，随着轴压比的提高，滞回环呈 捏拢现象，最终成为所谓“弓形”的滞回曲线。
2020/11/15
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四、拟动力试验
• 地震模拟振动台试验由于台面尺寸和承载能力的限制，只能 进行小比例模型的试验，且彼此配重不足，不能很好满足相 似条件，特别是进入弹塑性阶段工作时，更不可能满足相似 条件，导致地震作用破坏形态失真；拟静力试验只能得到构 件或结构在反复荷载作用下的恢复力滞回特性，不能得到结 构地震反应全过程；而拟动力试验则是加载试验技术与计算 机技术相结合的当代先进的抗震试验方法，可以进行大比例 模型或足尺结构抗震试验，可慢速再现结构在地震作用下的 弹性一弹塑性一倒塌全过程反应，这是具有广泛发展前途的 抗震试验方法。
2020/11/15
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三、振动台试验
2020/11/15
交通银行大厦 振动台试验
19
三、振动台试验
• 试验四个过程：结构自振特性的标定、线性阶段的试验、非线性阶段的试验和 极限破坏试验。
• 技术难点在于如何处理试验模型与原型的相似关系问题。 • 一般采取增加附加质量的方法来满足密度相似要求。
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• 结构自振周期的大小与结构的变形阶段密切相关。 上述经验结果一般是指在弹性变形状态下的值。在 非线性变形状态下，结构自振周期是一个变量。
第四节 整体结构的动力性能
一、周期与阻尼 二、内力重分布与变形集中 三、双向地震作用 四、扭转反应
2020/11/15
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一、周期与阻尼
• 对建筑物进行大规模的自振特性的观测，积累了数 以千计的试验数据，得到经验公式，按我国试验数 据总结的常见结构基本周期计算公式。
2020/11/15
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一、周期与阻尼
2020/11/15
41
4、支撑
单件支撑在不同变 形幅度下的循环往复试 验滞回曲线典型情况如 图。这一发现导致人们 曾试图将两个交叉支撑 视为两个单杆支撑，利 用单杆支撑的滞回性质 来集合交叉支撑的滞回 性质。但后来的研究表 明，这种近似难以反应 两支撑间的相互作用影 响。
2020/11/15
42
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图8-3 控制位移的变幅等幅混合加载制度
16
二、周期性反复静力加载试验
2）控制作用力加载法 控制作用力的加载制度如图8-1(b)所示。
3）控制作用力和控制位移的混合加载法 混合加载法是先控制作用力，一直加到屈服荷载，再用位移控制。从转变为控
制位移加载起，即按屈服位移值的倍数μ值控制，直到结构破坏。
2020/11/15
5
动力特性测定
1、自由振动法
拾振器 撞击
位移传感器 结 构 物
放大器
桥 盒
动态电阻 应变仪
光线 示波器
自由振动衰减量测系统
2020/11/15
6
有阻尼自由振动的运动方程：
x(t) xmet sin(t )
时 间自 历由 程振 曲动 线
ln n T ； 1 ln动力试验（又称为伪动力试验或计算机-加载器联机试验），即是指计算机 与试验机联机对试件进行加载试验。
• 拟动力试验：把电液伺服试验装置与计算机控制系统结合起来，利用加载试验 给出结构恢复力的实际数据，利用计算机数值分析技术给出加载试验的逐步控 制数据，为原型结构模拟地震试验。
钢结构的梁－柱节点连接，有全焊接、翼板焊接、腹 板螺栓连接和全螺栓连接等诸多形式。良好的焊接节点 （包括翼板焊接、腹板螺栓连接节点）具有稳定的滞回性 能，而螺栓连接节点则可能因螺栓的滑动使滞回环呈滑移 形式。
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3、梁－柱节点域 钢框架中的梁－柱节点域在梁不平衡弯矩和柱端
剪力作用下，会产生较大的剪切变形，对结构的内力 和变形均有较大影响。满足局部稳定条件的梁－柱节 点域具有饱满、稳定的滞回曲线。
• 在循环往复荷载下的破坏属于纤维性破坏，即受拉钢筋 超过屈服应力后受压钢筋压曲而破坏，因此，构件具有 较大的延性。
• 对比试验表明，对称配筋梁具有较好的延性，耗能能力 亦较非对称配筋梁好。
• 加密箍筋可以增加耗能能力，但不能完全消除捏拢现象。
2020/11/15
34
1、受弯构件
• 钢筋屈服前，循环往复荷 载下梁的骨架曲线与单调 加荷时梁的力——变形曲 线基本重合，滞回环基本 呈稳定的梭形，刚度与强 度退化均较小。而在钢筋 屈服以后，由于钢筋的包 兴格效应、混凝土裂缝的 开张与闭合、钢筋与混凝 土之间粘结力的破坏，滞 回曲线将出现“捏拢”现 象，同时，刚度退化现象 亦渐趋明显。