抗震试验

抗震试验的目标
（1）测定结构体系的自振频率、振型和振型阻尼比 等模态参数；
（2）测定结构构件的恢复力特性，即力-变形滞回曲 线，确定刚度、强度、延性和耗能能力；
（3）研究结构体系的地震反应、破坏机理和破坏特 征，如地震反应的大小和分布、破坏形态和结 构体系的薄弱环节等；
（4）验证抗震构造体系、抗震构造措施、抗震鉴定 加固方法和振动控制体系的可行性和有效性；
正弦扫描试验
正弦扫描试验是输入频率接续变化的多段等幅正弦波 进行的结构强迫振动试验。当某段扫描波的频率与结构自 振频率相同时，将激起结构的共振，故正弦扫描试验又称 共振频率试验或扫频试验，其目的是测定结构自振频率及 相应的振型阻尼比。基于正弦扫描试验得出的结构强迫振 动反应时间过程，可计算相应的谱曲线，由谱曲线可确定 结构的自振频率和阻尼比。
（5）验证抗震理论、结构地震反应分析方法、结构振 动控制算法等的可靠性和适用性。
结构抗震试验的实施程序
（1）确定研究目标和试验方法，含试验目的、试验 设备和试件的采用、需要测量的物理量等；
（2）荷载施加，含与试验设备相关的荷载施加方式 和加载规则等；
（3）测点布置和数据采集，含各类传感器和数采设 备的采用、测点数量的选择；
（4）数据分析，含测试数据的常规处理和特殊分析。
主要试验方法的比较
项目 输入 地震动模拟
自由振 动试验
初位移 或脉冲
不能
强迫振 动试验 谐波等
不能
模态参数测定 能
能
滞回曲线测定 不能 一般不能
脉动 试验 环境 振动
不能
能
不能
伪静力 试验
往复 荷载
不能
伪动力 试验
地震动
能
振动台 试验
地震动 等
能
不能 一般不能
T
时间t
ζ = 1 ln {
A (t) }
2π
A (t + T )
强迫振动试验
强迫振动试验是持续扰动作用下结构体系的 振动试验。地震工程中广义的强迫振动试验包括 谐波激振试验、结构脉动测试试验、地震动输入 试验和连续爆破试验等；本节所述强迫振动试验 属于狭义范畴，意指使用机械式偏心起振机、电 磁式激振器或液压伺服装置等激振设备、对试验 结构施加简谐扰动的试验。此类试验广泛应用于 各类房屋和高塔、储罐、水坝、桥梁、码头、海 洋平台等构筑物，旨在检测结构的动力特性；在 激振设备出力甚大时，亦可检测结构极限承载能 力、抗震性能以及破坏模式等。
脉动试验应在无重大环境干扰（如重载车辆 行驶、机械振动等）的条件下进行，应有足够长 的采样时间（至少要持续几分钟），并对测量数 据进行多段平均处理分析。在测试结构脉动响应 的试验中，传感器应置于结构主体受力构件上， 并避开低阶振型的节点；在测试场地地脉动信号 时，传感器应直接置于土层上。
人工地震试验
（3）试验加载。应根据试验要求和相关技术标准选 择相应的振动台输入方式。地震模拟试验前一般应 采用正弦扫描试验、白噪声激振试验等测试试体的 模态参数。拍波试验的输入应根据试体自振频率做 成。地震模拟试验中的地震动输入要根据试验要求 和模型相似率进行加速度峰值和频率的调整。
（4）试验观测和资料处理。目视观测是试 验中的重要环节。试体裂缝的出现、裂缝 的形态和数量是判别结构抗震薄弱环节、 破坏模式和破坏程度的重要标志，应由经 验丰富的试验人员进行观察并以摄影或摄 像方式予以纪录。试验观测还应关注试验 是否正常进行，试体、传感器是否发生异 常或故障；实测数据是试验的重要成果和 进行后续深入分析的基础，应根据技术标 准进行试验数据的常规处理。
（4）测量系统。 测量系统由传感元件、放大器、数字采集 装置、计算机、绘图仪和打印机组成。传感元件把测 量的物理量转变成模拟的电量，放大器放大模拟电信 号，数字采集装置将模拟的电信号转变成数字信息、 并输入计算机，数字信号在计算机中存储，并可由绘 图仪和打印机输出。
σ1
σ1 + σad
动三轴试验
σ3
于测试小变形到中等变形开始阶段的动剪切模量 及阻尼比。
土工离心机 振动台试验
土工离心机振动台试验是利用土工离 心机振动台设备进行的岩土试样的动力试 验。岩土体和岩土工程体积庞大，一般振 动台很难模拟其缩尺模型的重力效应。土 工离心机振动台可利用离心机旋臂的高速 旋转产生强大的离心作用模拟试体原型的 重力场。
能
能
能
一般不能
地震反应测定 不能
试验设备
较简单
不能 较复杂
不能 最简单
不能 一般不能
能
较复杂
复杂
最复杂
试验费用
低
低
最低
较高
最高
最高
伪静力试验
伪静力试验是以预先设定的荷载或位移控制模 式对试体进行低频往复加载，旨在获得试体的荷载变形特性（本构关系）的结构抗震试验。伪静力试验 亦称拟静力试验、往复加载试验或恢复力特性试验， 是结构或构件抗震性能研究中应用最广泛的一种准静 力试验方法。
O
B Xi
位移
C
D
-Fi
骨架曲线 开裂荷载Fc 屈服荷载Fy 极限荷载Fu 破坏荷载 割线刚度Ki
延性系数μ 能量耗散系数E
试验结构
自由振动试验
火箭筒
拉伸缆绳 突然剪断
试验结构
(a)
(b)
试验隔震房屋
突然抽出 千斤顶
(c)
重锤 试验结构
(d)
自由衰减振动曲线
幅值
Ae- ζωt
0
A(t+T) A(t)
第五章 结构抗震试验
结构抗震实验是研究材料、构件、结构体系 抗震相关性能及其影响因素的试验。结构抗震试 验广泛用于各类房屋、土体以及反应堆、大坝、 桥梁、海洋平台等重大工程和各类设备的抗震研 究，是获得地震工程知识的基本途径之一；其实 施涉及多学科知识的综合运用，其中主要包括结 构力学和结构动力学、土木工程、机械工程、传 感器和信号处理技术、量纲分析和模型相似律 等。
利用人工激发地震动进行的现场试验。山体 开挖、采矿、化学爆破、地下核爆等均可引起地 震动；锤击地面、重载车辆行驶或使用可控震源 设备（如移动震源车、便携式可控震源、起振机 和气枪等）亦可激发地震波。在科学技术探测 中，化学爆炸和可控震源是产生人工地震的常用 手段，后者是非破坏性的人工震源。人工地震试 验常用于地震断层探测、地壳结构探测、地震动 衰减研究和地震监测台网的检测，在工程地质勘 察、探矿和人工振动采油技术研究中亦有应用。
机械式偏心起振机
大坝
(c)
拍波试验
拍波试验 是输入正弦拍波进行的结构强迫振动
试验。正弦拍波是调制的正弦波，其频率应为试验 结构的自振频率，以期产生共振效应，其幅值A被一 个长周期正弦波所调制。拍波的每个拍中，一般包 含5~10个同频循环；每次试验中一般接续输入5个 拍，各拍之间应有足够的时间间隔（至少2 s），总 持续时间可达100 s左右。
试验步骤
（1）试件准备和安装。根据试验目的和振动台设备 的能力选用或制作试件。试件应适应振动台的尺 寸、频响特性、出力和承载能力，并满足试验目标 和相关技术标准的要求。
（2）测点布置和数据采集。根据试验目标选择所需 各类传感器，如加速度计、位移计、应变计等，传 感器在试验前应进行标定，技术指标应满足试验要 求。
振动台试验
振动台试验是利用振动台装置进行的结构强迫振动试验， 是地震工程研究中最重要的实验手段之一。
输入正弦谐波和随机波的振动台试验起源于20世纪40年 代，用于测试结构的动力特性；60年代地震模拟振动台试验 开始实施，可输入强地震动记录、人造地震动时间过程、正 弦波、正弦拍波、正弦扫描波和随机波（如白噪声和过滤白 噪声）等。地震模拟振动台试验的试体含各类建筑物和构筑 物（如房屋、桥梁、大坝、核反应堆安全壳等）以及设备的 原型或模型。通过地震模拟试验，可以测定结构的动力特 性，研究结构震害机理，验证地震反应分析方法、结构本构 模型、结构抗震加固技术、结构振动控制技术和控制算法、 健康诊断技术系统以及模型相似理论；可以检验实际工程和 设备的抗震能力，为地震工程、结构控制、健康诊断的理论 发展和工程应用提供科学的试验数据。
σ3 σ3
σ3
σ1
σ1 + σad
动三轴试验是利用动三轴仪进行的土动
力实验。动三轴试验的土试样为圆柱形，
直径通常为40mm，高为80mm。土样承受
的剪应变幅值范围约为10E-4至10E-2，可
测试中等变形到大变形阶段的动模量、阻
尼比和动强度。
Z
σ3
共振柱试验
L
σ3
σ3
σ3
共振柱试验是利用共振柱仪进行的土动力实 验。共振柱试验的土试样为圆柱形，共振柱仪的 静荷系统在土样的轴向和侧向施加静荷载。土样 底部固定、顶端设有可施加动扭矩的电磁式驱动 器，土试样和驱动器构成扭转振动体系。土试样 剪应变 的幅值范围一般为10E-6至10E-4，适用
振动台试验的局限性
受振动台尺寸和承载能力的限制，只有少数结 构能进行原型试验或足尺模型试验。缩尺模型试验 难以严格满足相似律的要求，尤其在采用小比例尺 模型（如小于1: 5）的情况下，因模型材料、施工 工艺和尺寸效应的影响，模型性态可能与原型有较 大差异。另外，振动台试验中试件与台面的连接也 难以模拟实际结构的真实边界条件，涉及地基的液 化和土结相互作用的模拟是难以实现的。地震模拟 振动台试验中进行强度逐步增加的多次加载，在试 体发生非弹性性状后将产生损伤累积效应；此时， 最终高强度地震动作用下的试件性态，将与试件一 次经受该强度地震动的性态存在差异。上述问题有 待解决，至少应在试验结果的解释中予以考虑。
土动力试验仪器的组成部分
（1）试样室或试样盒。 安置试样的压力室或压力盒，在土 样的顶面装有试样帽或顶盖。
（2）静荷载系统。 在动荷作用之前对土样施加指定大小静 荷载的气压或油压装置，使土样在指定静应力下固结。
（3）动荷载系统。 可以产生指定幅值、频率、作用次数的 动荷载的装置，有气动式、液压伺服式、电磁式三种 类型。
电液伺服地震模拟振动台
液 压 振 动 台
工 作 原 理
伪动力试验
伪动力试验是往复加载试验和结构地震 反应逐步积分方法在线结合的结构抗震试 验，亦称拟动力试验、杂交试验或联机试 验。伪动力试验可用于原型结构、模型结 构、子结构和构件的抗震性能试验，确定 试件的力-变形滞回曲线，亦可近似模拟在 给定的地震输入下结构或构件的地震反 应，研究和验证结构地震破坏机理、破坏 特征、抗震能力和抗震薄弱环节。
机械起振机
e
ω
mo
F
P
m o
α
F
电磁激振器
顶杆
弹簧片
永久磁铁 芯杆
动圈
弹簧片
接线插头
振幅频率曲线
振幅
第一共振峰
第二共振峰
p1
p2
p3
扰力频率p
半功率点法
ζ = ω2 − ω1 2ωr
脉动试验
应用高灵敏度振动测量仪器在微弱环境扰动 （风、海浪、车辆等随机干扰）作用下测试场地 或结构的动力特性的抗震试验。
联网试验
联网试验是通过互联网组合不同机构 的设备、人力资源共同进行的抗震试验， 是地震工程试验联网的简称。旨在实现资 源和数据共享。联网试验可突破单一机构 进行复杂结构抗震试验的人力和设备限 制，共同推进试验技术和地震工程的进 展，这一设想引起了国际地震工程界的广 泛关注。
伪动力试验技术流程框图
伪动力试验步骤
①确定试验对象和试验目的； ②设计能够反映试验对象动力性能和满足试验目的
的试件； ③制作并安装试件，模拟实际结构的静荷载和边界
条件，缩尺模型应满足相似律； ④根据试验要求建立试件的计算模型，输入特定地
震动积分运动方程，对试件加载； ⑤观察并记录试件性态，如试件相对变形与损伤； ⑥评价试件抗震性能和抗震能力，当接续输入由小
到大多次地震动时，应考虑累积损伤效应；分析 设计施工方法、构造体系、材料、结构动力特 性、地震动特性和场地条件等因素对结构抗震能 力的影响，得出涉及试验目的的结论。
伪动力试验装置
土动力试验
土动力试验是利用专门仪器测量土在动 荷载作用下的变形特性、耗能特性、孔隙水 压力特性及强度特性的实验。土动力试验结 果可定性和定量揭示土的动力性能，是研究 土的动力性能和测试土的动力学特性指标的 主要手段，是建立土动力模型的基础。常规 的土动力试验设备有动三轴仪和共振柱试验 仪。此外还有动剪切仪和动扭剪仪等。土工 离心机振动台是振动台与离心机相结合的土 动力试验装置。
滞回曲线
滞回曲线是伪静力试验得到的结构、构件或材 料试件的荷载-变形曲线，又称恢复力曲线。滞回 曲线中的荷载可以是弯矩或力，相应变形则为转 角和位移。
滞回曲线反映了试 件的刚度、强度、变 形及耗能特性，是确 定结构本构关系和进 行结构地震反应分析 的依据。
荷载
源自文库Fi
A
F
-Xi E
Ki G