结构动力特性分析

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1、第七章 结构动力特性分析 第一节 结结构抗震试验试验 方法简简介 第二节 动动力性能的一般特性 第三节 基本构件的动动力特性 第四节 整体结结构的动动力性能 第五节 恢复力曲线线模型 第六节 系统识别统识别 理论论 *1第一节 结构抗震试验方法简介 结结构抗震试验试验 的主要任务务是构件或结结构的 动动力破坏机理与破坏特征，确定结结构的动动力 特性，为结为结 构的动动力理论论模型提供基础础。 结结构试验试验 主要类类型有：自振特性试验试验 、周 期性反复静力加载试验载试验 、振动动台试验试验 和拟拟 动动力试验试验 。Date2第一节 结构抗震试验方法简介（续一）一、自振特性试验试验 二、周期

2、性反复静力加载试验 三、振动台试验四、拟动力试验 Date3一、自振特性试验试验p自振特性试验以获取或确定结构的 自振周期、振型和阻尼为目的。n实用的方法通常有三种：1、自由振动法2、共振法 3、脉动法。Date41、自由振动动法 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。 动力特性测定Date51、自由振动法动力特性测定放大器桥盒动态电阻 应变仪光线 示波器结构物撞击拾振器 位移传

3、感器自由振动衰减量测系统*6自由振动 时间历程曲线有阻尼自由振动的运动方程：阻尼比衰减系数；自振频率：即基本周期的倒数。Date72、共振法 共振法采用能产产生稳态简谐稳态简谐 振动动的起振机或激 振器作为为振源。 实验时实验时 ，把激振器安装在结结构适当位置，当逐 渐渐加大激振器的输输出力量时，可以迫使结构产 生周期性的强迫振动。 在一定输出力量下，逐渐改变激振器的激振频率 ，则可促成结构的共振反应。 通过测量结构振动反应的幅值，可以得到共振曲 线和振型曲线。 通过对共振曲线的分析，可以获得结构的自振频 率和振型阻尼比 Date82、共振法（振动荷载法）功率 放大器信号 发生器激振器频率仪试

4、件放大器放大器放大器放大器记录仪相位计拾振器共振法测量原理框图Date9共振时的振动图形和共振曲线由共振曲线求阻尼系数和阻尼比 衰减系数：阻尼比：参数测定Date10用共振法测建筑物振型Date113、脉动法n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。 n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。 n脉动信号的功率谱峰值对应着结构的固有频率。Date12二、周期性反复静力加载试验载试验 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

5、构件和结构 的恢复力模型进行的。根据试验所得的荷载位移 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。 Date13二、周期性反复静力加载试验载试验大型结构试验反力墙设备Date14二、周期性反复静力加载试验载试验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。 （a）控制位移 （b）控制作用力图8-1 伪静力试验低周反复加载制度 Date15二、周期性反复静力加载试验载试验 b等幅加载控

6、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图8-3 控制位移的变幅等幅混合加载制度Date16二、周期性反复静力加载试验载试验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 值控制，直到结构破坏。 Date17三、振动动台试验试验 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6070年代，建造部分 侧重于进行正弦波

7、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。 Date18三、振动动台试验试验交通银行大厦 振动台试验Date19三、振动动台试验试验 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。Date20四、拟动拟动 力试验试验 拟动力试验（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

8、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。Date21四、拟动拟动 力试验试验 输入地面运动加速度，计算下 一步的位移值，位移值的转换 ，量测恢复力及位移值，由数 据采集系统进行数据处理和反 应分析。整个试验工作的流程 是连续循环进行的，全部由计 算机自动控制操作。拟动力试 验具有以下特点：拟动力试验 在整个数值分析过程中不需要 对结构的恢复力特性作任何假 设，这对于分析非线性的系统 性能特别有利。 Date22四、拟动拟动 力试验试验 地

9、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。 Date23第二节 动力性能的一般特性一、动动力弹弹性模量与动动力极限强度 二、恢复力曲线 三、强度

10、退化与刚度退化 四、裂面效应与包兴格效应 Date24一、动动力弹弹性模量与动动力极限强度 结结构材料承受动动荷载时载时 的性能与承受静荷载载 时时的性能往往有较较大的差别别。 动动力弹弹性模量高于静力弹弹性模量。 动动力极限强度也高于静力极限强度。Date25二、恢复力曲线线 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。Date26二、恢复力曲线线 恢复力代表构件或结构 在外荷载去除后恢复原 来形状

11、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 Date27三、强度退化与刚刚度退化 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。Date28三、强度退化与刚刚度退化 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 。Date29四、裂面效应应与包兴兴格效应应 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

12、效应。 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 。 Date30四、裂面效应应与包兴兴格效应应 n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。Date31第三节 基本构件的动动力特性 一、钢钢筋混凝土构件 二、钢结构构件 三、砌体构件 Date32一、钢钢筋混凝土构件 1、受弯构件；2、压弯构件； 3、受扭构件； 4、梁-柱节点； 5、剪力墙； Date331、受弯构件 受弯构件：受弯构件是指没有轴力影响，且以弯矩作用 为主的梁式构件。

13、 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 。Date341、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。Date351、受弯构件 剪力的存在不

14、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。Date362、压压弯构件 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。Date37二、钢钢结构构件 1、梁与柱2、梁柱节点连接 3、梁柱节点域 4、支撑 Date381、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

15、出现非延性破坏。Date392、梁柱节节点连连接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。Date403、梁柱节节点域 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。Date414、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

16、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。 Date42第四节 整体结结构的动动力性能 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 Date43一、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。Date44一、周期与阻尼 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。 带构造柱多层砖房试验结果说明，开裂后，结构第 一频率下降约一半，相当于结构刚度降低4倍；开裂 后，较高振型振动所消耗能量显著增加。Date45二、内力重分布与变变形集中 在循环往复荷载作