第六章 结构拟静力与拟动力试验

二、拟动力试验
4. 试验数据的整理与分析
人工记录或计算 机采集的试验数 据
整理换算、统计 分析、归纳演绎 反映结构性能 的数据、公式、图表等
原始Fra Baidu bibliotek据
数据处理
不能直接说明试验的结果 或解答试验所提出的问题
如测量应变来计算出结构的应力（或内力）分布； 由结构的加速度数据积分计算出其速度、位移等
二、拟动力试验
一、拟静力试验
5. 数据分析 抗力与变形
取试验结构或构件出现第一条垂直裂缝或斜 裂缝时的荷载 取试验结构构件在荷载稍有增加而变 屈服荷载和屈服变形 形有较大增长时所能承受的最小荷载 和其相应的变形为屈服变形
开裂荷载
极限荷载
取试验构件所能承受的最大荷载值
破坏荷载和极限变形
在试验过程中，当试验构件丧失承载力或超过极限荷载后，下降到 0.85倍极限荷载时，所对应的荷载值即为破坏荷载，其相应变形为 极限变形 Δ u
变幅等幅混合加载
将变幅、等幅两种加载制度结合起来运用，可以综合地研究构件的性能，其中包 括等幅加载法的强度和刚度变化，以及变幅加载时，特别是大变形增长情况下强 度和耗能能力的变化，采用这种加载制度时，等幅部分的循环次数应随研究对象 和要求的不同而异，一般可选3～6次。
一、拟静力试验
3. 加载制度与加载方法 单向反复加载制度
目的：
真实模拟地震对结构的作用
二、拟动力试验
1. 概述 基本原理
用计算机直接参与试验的执行和控制，包括利用 计算机按地震实际反应计算得到的位移时程曲线驱 动和控制电液伺服加载器（又称作动器）对结构施 加荷载； 同时进行结构反应的量测和数据采集，经检测 装置处理后，联机系统将结构试验得到的反应量立 即输入计算机，从而得到结构的瞬时非线性变形和 恢复力之间的关系，再由计算机算出下一次加载后 的变形，并将计算所得到的各控制点的变形转变为 控制信号，驱动加载器强迫结构按实际地震反应实 现结构的变形和受力。
当构件不具有明确的屈服点时（如轴力大的柱子）或干脆无屈服点时（如无筋砌体）， 往往由研究者主观制定一个认为恰当的位移值来控制试验加载。
一、拟静力试验
3. 加载制度与加载方法 单向反复加载制度
① 变形控制加载法 变幅加载 根据控制位 移值规律的 不同 等幅加载
主要用于研究构件的强度退化和 刚度退化规律。 这种加载制度每加载一周后，都会 增加位移的幅值，当对一个构件的 性能不太了解，作为探索性的研究 或者在确定恢复力模型的时候，多 用变幅加载来研究构件的强度、变 形和耗能的性能。
环线刚度
i Q j i j i 1 i 1 n n
位移延性系数为j时，第i次 加载循环的峰点荷载值
位移延性系数为j时，第i次加载循环的峰点位移值
一、拟静力试验
5. 数据分析 能量耗散
1 SABC he 2 SOBD
二、拟动力试验
1. 概述
拟动力试验又称联机试验，是将地震实际反应 所产生的惯性力作为荷载施加在试验结构上，使结 构所产生的非线性力学特征与结构在实际地震动作 用下所经历的真实过程完全一致。但是，这种试验 是用静力方式进行的而不是在振动过程中完成的， 故称拟动力试验。
二、拟动力试验
1. 概述 基本原理
拟动力试验，其实质 就是按照某种确定性的 地震反应进行加载，而 由于结构的恢复力模型 未知，运动方程无法求 解，故采用“边试验、 边求解”的方法分步得 到实测的结构恢复力模 型，然后可完成整个试 验加载过程。
通过计算机分步求解结构 非线性地震反应微分方程
二、拟动力试验
二、拟动力试验
4. 试验数据的整理与分析 试验结果的表达
表格法 曲线图
表达方式
图形法 形态图 函数方式
谢谢！
一、拟静力试验
3. 加载制度与加载方法 单向反复加载制度
♦ 单向反复加载制度有变形控制加载、荷载控制加载 以及荷载－变形双控制加载3种方法； ① 变形控制加载法 ♦目前在结构抗震恢复力特性试验中使用最为普遍和最 多的一种加载方法； ♦加载过程中以位移为控制值，以屈服位移的倍数作为 加载的控制值，这里位移的概念是广义的，它可以是 线位移，也可以是转角、曲率或应变等相应的参量。
该加载制度在两种大幅值控制位移之间有几次小幅值 位移循环，这是为了模拟构件承受二次地震作用，其中 小循环加载用来模拟余震的作用。
一、拟静力试验
3. 加载制度与加载方法 单向反复加载制度
②荷载控制加载法 通过控制施加于结构或构件的作用力数值的变化来实 现低周反复加载的要求，与变形控制加载方法不同，变 形控制加载法可以直观的根据试验对象屈服位移的倍数 来研究结构的恢复特性。 ③荷载－变形双控制加载法 试验中先控制作用力后控制位移的加载方法，用荷载 控制法加载时，并不考虑实际位移是多少，由初始设定 的控制力值开始加载，逐级增加控制力，经过结构开裂 阶段后，一直加到试件屈服，再用位移控制加载，直到 结构破坏。
加载装置类型
①.以剪切变形为主的构件 试件上下对称，推拉千斤顶或作动器安装在试件的1/2高度上， 平行联杆机构的杠杆和L型杠杆均应有足够的刚度，连接铰应作 精密加工，尽可能减小间隙和摩阻力。
一、拟静力试验
2. 加载设备与加载反力装置 加载装置类型
②.以弯剪变形为主的构件
垂直荷载的施加宜采用仿重力荷载架，尽可能减小滚动摩擦 力对推力抵消作用。
2. 试验设备
拟动力试验的加载设备一般由计算机、加载装置 与加载控制系统等组成。
根据该时刻由计算机传来的位移 指令转换为电压信号输入，用于 电液伺服系统，使加载器按指定 指令工作。 整个试验系统的心脏，加载过程的控制和试 验数据采集都由计算机来实现，同时对试验 结构的其它反应参数，如应变、位移等进行 演算和处理。（利用分步试验结果，求解动 力方程，根据某一时刻的地面运动加速度计 算结构位移，并以此控制加载系统）
4. 试验数据的整理与分析 试验数据的取舍
量测数据修约
试验数据的取舍 试验误差及误差分析 试验结果的表达
《数值修约规则》教材P88
3σ准则
异常数据的剔除
在测量中，有时会遇到个 别测量值的误差较大，并 且难以解释，这些个别数 据就是所谓的异常数据， 应该把它们从试验数据中 剔除。
格拉布斯（Grubbs）方法 肖维纳（Chauvenet）准则
i
强度降低系数
Qij ,min Q1 j ,max
位移延性系数为j时，第i次 加载循环的峰点荷载值
位移延性系数为j时，第1次加载循环的峰点荷载值
一、拟静力试验
5. 数据分析 退化率
当研究刚度退化时，即在位移不变条件下，随反 复加载次数的增加而刚度降低的情况，用环线刚度 表示并按下式计算：
ki
♦ 加载设备：推拉千斤顶或电液伺服作动器 ♦ 加载反力装置：包括竖向反力装置和水平向反力装置， 如反力 墙、反力台座、专用的水平反力架、钢结构竖向反力架等； ♦ 拟静力试验加载装置的设计应根据不同结构或试件研究的目的， 提供与实际结构受力情况尽可能一致的模拟边界条件，即尽可 能使试件满足试验的支承方式和受力条件的要求。
♦ 滞回环的形状随反复加载循环次数的增加而改变，对混凝
土结构来说，滞回环的形状可以反映钢筋的滑移或剪切变形 的扩展情况，其面积的缩小，标志着耗能能力的退化，因 此可根据滞回环的形状和面积来衡量和判断试验构件的耗 能能力和破坏机制； ♦ 进行结构抗震性能研究时，根据骨架曲线和滞回曲线，可从 结构的承载力、延性、退化以及能量耗散等方面进行综合分 析来评定结构的抗震性能。
第六章 结构拟静力与拟动力试验
安徽工业大学建工学院
一、拟静力试验
1. 概述
拟静力试验，也称伪静力试验，低周反复荷载 试验，属于工程结构抗震试验；
基本原理：
用低周往复循环加载的方法对结构构件进行静力试验， 试验中控制结构的变形值或荷载量，使结构构件在正反两个 方向反复加载和卸载，用以模拟结构在地震作用下的受力过 程。
目的：
♦用静力方法研究地震作用下构件的受力和变形性能； ♦ 通过试验获得结构构件超过弹性极限后的荷载－变形工 作性能和破坏特征，用以比较和验证抗震构造措施的有 效性和确定结构的抗震极限承载能力的可靠性，进而为 建立数学模型进行结构抗震非线性计算机分析提供依据。
一、拟静力试验
2. 加载设备与加载反力装置
一、拟静力试验
2. 加载设备与加载反力装置 加载装置类型
③.梁柱节点 垂直水平力加于柱顶，梁 有纵向反复位移，但不可上 下移动。竖向荷载用千斤顶 在柱顶施加，属自平衡系统， 在反复水平力作用下其柱顶 上压力不随柱顶位移而改变， 从而能计入几何非线性的影 响。 为此，该装置可模拟实际框架结构节点的受力状态。但为了简 化，取相邻梁（或相邻柱）反弯点间距离为节点的梁长（柱高）， 这样节点试件的上下和左右杆端均可按铰接处理。
一、拟静力试验
3. 加载制度与加载方法 单向反复加载制度
③荷载－变形双控制加载法
《混凝土结构试验方法标准》 中给出的加载方法和加载程序， 要求根据结构构件特点和试验 研究目的确定，并应符合相关 规定，见教材P79。
我国规范规定的加载制度
一、拟静力试验
3. 加载制度与加载方法 双向反复加载制度
♦为了研究地震作用对结构构件的空间组合效应，克服结构构
（7）裂缝
一、拟静力试验
5. 数据分析
荷载－位移曲线的各级第一 循环的峰点（卸载顶点）连 接起来的包络线作为骨架曲 线
♦ 低周反复加载试验的结果通常由荷载－变形滞回曲线以及相
关参数描述，它们是研究结构抗震性能的基础数据；
♦ 骨架曲线在研究非线性地震反应时，反映了每次循环的荷载
－变形曲线达到最大峰点的轨迹及试验构件的开裂荷载、极 限荷载和延性特征；
一、拟静力试验
5. 数据分析 延性系数
延性系数是试验结构构件塑性变形能力的一个指 标，按下式计算：
μ = Δ u／ Δ y
结构构件的延性系数
相应于屈服荷载的变形
荷载下降段相应于破坏荷载的变形
一、拟静力试验
5. 数据分析 退化率
退化率反映试验结构构件抗力随反复加载次数增 加而降低的指标。当研究强度退化时，用强度降低 系数表示并按下式计算：
误差的类型 系统误差 （性质划分） 随机误差
误差分析
系统误差及过失误差均可以通过采取一定 由于各种随机（偶然）因素所引起的可以避 的措施，加强量测人员的技术水平和工作 免的误差，其大小和符号各不相同，其特点 责任心来加以避免；随机误差是由一些偶 见教材P91 然因素造成的，虽然其大小和符号均难以 预计，但从统计学的观点而言，它是服从 统计规律的。
加载设备可利用拟静力试验设备，但必须可联机控 制加载，同时其承载能力应大于试验设计荷载的150％。
二、拟动力试验
3. 试验步骤
拟动力试验是由专用软件系统通过数据库和运行 系统来执行操作指令并完成预定试验过程的，主要 试验步骤包括：
（1）在计算机系统中输入地震加速度时程曲 线，并按一定的时间间隔数字化；
二、拟动力试验
4. 试验数据的整理与分析 试验误差及误差分析
过失误差
粗心大意、操作不当或思想不集中所 造成的，是可以避免的 仪器的缺陷、外界因素的影响或观测 者感觉器官的不完善等固定原因引起 的，难以消除其全部影响，服从一定 的规律、符号相同，对量测结果有积 累影响的误差。 被量测的物理量的真实值 与量测值之间的偏差称为 误差，误差是必然存在的
件在采用单方向（平面内）加载时，不考虑另一方向（平面 外）地震作用对结构影响造成的局限性，可在 、 两个主轴方 向同时施加低周反复荷载；
（1）X、Y轴双向 同步加载 （2）X、Y 轴双向 非同步加载
一、拟静力试验
4. 量测方案
♦ 拟静力试验量测内容可根据试验研究的目的而定， 不同试验结构构件有不同的量测内容，以梁柱节点 为例，通常有以下量测项目； （1）荷载及变形 （2）塑性铰区段曲率或转角 （3）节点核心区剪切角 （4）梁柱纵筋应力 （5）核心区箍筋应力 （6）钢筋滑移