第四章 拟静力实验

第四章拟静力试验

4.1概述

4.1.1含义

拟静力实验方法是目前研究结构或构件性能中应用广泛的一种实验方法。采用一定的荷载控制或变形控制对试件进行低周反复加载，使试件从弹性阶段直至破坏的一种实验方法。是使结构或结构构件在正反两个方向重复加载和卸载的过程，用以模拟地震时结构在往复振动中的受力特点和变形特点。这种方法是用静力方法求得结构振动时的效果，因此称为拟静力试验，或伪静力试验。

4.1.2实验目的

进行结构拟静力实验的主要目的主要为以下三部分

♦恢复力模型（如图4-1）：通过实验所得的滞回曲线和曲线所包围的面积求得结构的等效阻尼比，衡量结构的耗能能力，同时还可得到骨架曲线，结构的初始刚度及刚度退化等参数，相当于结构的物理方程；

♦抗震性能判定：从强度、刚度、变形、延性、耗能等方面判断和鉴定结构的抗震性能；

♦破坏机制研究：通过实验研究结构构件的破坏机制，为改进现行结构抗震设计方法及改进结构设计的构造措施提供方法和依据。

图4-1 结构恢复力模型

4.1.3拟静力实验特点

拟静力试验的优点：该实验的加载速率很低，因此由于加载速率而引起的应力、应变速率对实验结果的影响可以忽略，更重要的是这种实验可以最大限度的的利用试件提供各种基

本信息，例如：承载力、刚度、变形能力、耗能能力和损伤特征等，但不能模拟结构的地震反应过程。

拟静力实验方法可用于获取构件的数学模型，为结构的计算机分析提供构件模型，并通过地震模拟振动台实验对结构模型参数做进一步的修正。可以在试验过程中随时停下来观察结构的开裂的破坏状态；便于检验校核试验数据和仪器的工作情况；并可按试验需要修正和改变加载历程。

存在的不足：试验的加载历程是事先由研究者主观确定的，与地震记录不发生关系；由于荷载是按力或位移对称反复施加，因此与任一次确定性的非线性地震反应相差很远，不能反映出应变速率对结构的影响；拟静力实验控制软件还比较欠缺，大多数还是人工控制或半自动控制，与设备的发展不相适应。原因之一是拟静力实验比较复杂，实验软件与结构静力模型、结构类型、试件特征、作动器的位置安排、测量传感器的布置等均有密切关系。目前应用的控制软件TUST，实现了力与位移控制模式的实时平滑转换。

4.2拟静力实验的加载装置及加载制度和控制方法

4.2.1加载装置

试验装置是使被试验结构或构件处于预期受力状态的各种装置的总称。

♦加载装置的作用是将加载设备施加的荷载分配到实验结构；

♦支座装置准确地模拟被试验结构或构件的实际受力条件或边界条件；

♦观测装置包括用于安装各种传感器的仪表架和观测平台；

♦安全装置用来防止试件破坏时发生的安全事故或损坏设备。

试验加载装置多采用反力墙或专用抗侧力构架。过去主要采用机械式千斤顶或液压式千斤顶进行加载，这类加载设备主要是手动加载，实验加载过程不容易控制，往往造成数据测量不稳定、不准确、实验结果分析困难。目前许多结构实验室主要采用电液伺服结构试验系统装置，并用计算机进行试验控制和数据采集。

1）墙体结构试验装置（图4-2）

此装置时用来进行钢筋混凝土剪力墙或砌体剪力墙的低周反复荷载试验。

图4-2 墙体结构试验装置

2）梁式构件试验装置

往复作用器施加反复荷载，试验梁的支座也要能够承受反复荷载。

图4-3梁式构件试验装置

3）框架结构中梁柱节点试验装置

此装置中，柱上下两端不能产生水平位移，但能自由转动，这样能模拟出反弯点的受力状况。

图4-4 框架结构中梁柱节点试验装置

4）第二种框架结构中梁柱节点试验装置

此装置中，柱上端可以产生水平位移；当柱上端产生水平位移是，安装在柱上端的千斤顶施加竖向力对柱产生附加弯矩（即结构设计和分析中的二阶效应）。

图4-5 第二种框架结构中梁柱节点试验装置

5）柱式构件试验装置（又称悬臂柱式试验装置）

此装置中，柱的上端没有转动约束，柱上端弯矩为零，被认为是框架柱的反弯点。

图4-6 柱式构件试验装置

1—试件；2—竖向荷载千斤顶；3—推拉千斤顶；4—仿重力荷载架；

5—分配梁；6—卧架；7—螺栓；8—反力架；9—铰；10—测力计

5）第二种柱式构件试验装置

此装置始终保持横梁保持水平状态，这样框架柱上端不发生转动，反弯点位于框架柱的中点。本装置常用于进行考虑剪切效应的框架柱反复荷载试验。

图4-7 第二种柱式构件试验装置

1—试件；2—竖向荷载千斤顶；3—分配梁；4—L型杠杆；5—平行联杆机构；

6—仿重力荷载架；7—推拉千斤顶；8—铰；9—反力墙；10—连结铰；11—测力计

4.2.2加载制度

1、单向反复加载制度

1）位移控制加载

位移控制加载是目前在抗震恢复特性实验中使用最普遍的一种加载方案，以加载过程的位移作为控制量，按照一定的位移增幅进行循环加载，常以屈服位移或最大层间位移的某一百分比来控制加载。有时是由小到大变幅值的，有时幅值是恒定的，有时幅值是大小混合的。

当实验对象具有明确屈服点时，一般都以屈服位移的倍数为控制值。当姐欧股没有明确的屈服点（如轴力大的柱）或无屈服点时（如无筋砌体），则由研究者主观制定一个认为恰当的位移标准值来控制实验加载。

♦变幅加载（图4-8）：常作为探索性试验研究用或在确定恢复力模型时，用变幅加载来研究强度、变形和耗能的性能（我国规范规定同一级荷载下重复三次）。

♦等幅加载（图4-9）：这种加载制度在整个过程中始终按照等幅位移施加，主要用于研究强度退化和刚度退化规律（规范规定不少于5次）。

♦变幅等幅混合加载（图4-10）：研究内容广，常用于综合性研究。

以上三种控制位移加载方案中，以变幅等幅混合加载的方案作用的最多。

图4-8 变幅加载图4-9 等幅加载

图4-10变幅等幅混合加载

2）力控制加载