结构实验技术讲稿动力部分第012次

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1、Lab of Prof. Tian Shizhu 1苏州科技学院 土木工程学院结 构 实 验 技 术 田 石 柱 教 授 Lab of Prof. Tian Shizhu 2 二 、 地 震 模 拟 振 动 台 试 验 在 地 震 模 拟 振 动 台 上 进 行 动 力 试 验 ， 具 有 其 它 抗 震动 力 与 静 力 试 验 不 同 的 特 点 ， 地 震 模 拟 振 动 台 能 再 现 各种 形 式 的 地 震 波 ， 它 为 试 验 的 多 波 输 入 分 析 提 供 了 可 能 ，它 可 以 模 拟 若 干 次 地 震 现 象 的 初 震 主 震 以 及 余 震 的 全 过程 ，

2、因 此 就 可 以 了 解 试 验 结 构 在 相 应 各 个 阶 段 的 力 学 性能 ， 从 而 可 给 予 人 们 直 观 了 解 和 认 识 地 震 对 结 构 产 生 的破 坏 现 象 。 它 可 以 按 照 人 们 的 要 求 ， 借 助 于 人 工 地 震 波的 研 究 及 输 入 ， 模 拟 在 任 何 场 地 上 的 地 面 运 动 特 性 。 Lab of Prof. Tian Shizhu 3台 面 尺 寸 ： 20米 15米台 面 承 重 ： 1200吨三 方 向 六 自 由 度 Dr. Masayoshi Nakashima (中 岛 正 爱 教 授 ) Lab of

3、 Prof. Tian Shizhu 4台 面 尺 寸 ： 6.1米 6.1米台 面 承 重 ： 60吨三 方 向 六 自 由 度 中 国 建 筑 科 学 研 究 院 (国 内 最 大 ） Lab of Prof. Tian Shizhu 5 近 年 来 ， 振 动 台 阵 列 开 始 投 入 使 用 。 3个 振 动台 组 成 一 个 振 动 台 阵 列 进 行 桥 梁 结 构 的 地 震 模 拟 振动 台 试 验 。 3个 振 动 台 可 以 在 一 个 方 向 上 同 步 运 动 ，也 可 以 根 据 桥 梁 实 际 场 地 的 差 异 ， 分 别 输 入 不 同 的地 震 波 进 行

4、试 验 。 这 种 振 动 台 阵 列 可 以 进 行 较 大 尺寸 的 结 构 模 型 试 验 。 Lab of Prof. Tian Shizhu 6 内 华 达 州 立 大 学雷 诺 分 校 振 动台 阵University of Nevada， Reno台 面 尺 寸 ：4.3米 4.5米台 面 承 重 ： 50吨 Lab of Prof. Tian Shizhu 7重 庆 交 通 科 研 设 计 院两 台 台 阵 台 面 尺 寸 A： 3米 6米台 面 尺 寸 B： 3米 6米A台 面 承 重 ： 35吨B台 面 承 重 ： 35吨 Lab of Prof. Tian Shizhu

5、8University of California San DiegoUniversity at Buffalo, The State University of New York美 国 NEES计 划 ：Network for Earthquake Engineering Simulationhttp:/www.nees.org Lab of Prof. Tian Shizhu 9 2.8 结 构 抗 震 试 验 方 法地 震 模 拟 振 动 台 在 抗 震 研 究 中 的 作 用 。研 究 结 构 的 动 力 特 性 ， 破 坏 机 理 及 震 害 原 因 。验 证 抗 震 计 算 理 论

6、 和 计 算 模 型 的 正 确 性 。研 究 动 力 相 似 理 论 ， 为 模 型 试 验 提 供 依 据 。检 验 产 品 质 量 ， 提 高 抗 震 性 能 ， 为 生 产 服 务 。为 结 构 抗 震 静 力 试 验 ， 提 供 试 验 依 据 。 Lab of Prof. Tian Shizhu 10振 动 台 是 用 来 产 生 模 拟 地 震 地 面 运 动 ， 对 结 构 的 抗震 性 能 进 行 研 究 。 如 图 为 地 震 模 拟 振 动 台 的 示 意 图 。 试 验 时 ， 振 动 台 台 面 产 生要 求 的 地 面 运 动 ， 其 运 动 规 律与 结 构 遭

7、遇 地 震 时 的 运 动 规 律相 同 。 安 装 在 振 动 台 上 的 模 型结 构 受 到 台 面 运 动 的 加 速 度 作用 ， 产 生 惯 性 力 ， 从 而 再 现 地震 对 结 构 的 作 用 。 Lab of Prof. Tian Shizhu 11振 动 台 运 动 维 数 （ 振 动 方 向 ） 地 震 引 起 的 地 面 运 动 非 常 复 杂 ， 一 般 情 况 下 ，地 震 地 面 运 动 由 6个 自 由 度 的 运 动 分 量 组 合 而 成 ， 即2个 水 平 方 向 、 l个 垂 直 方 向 的 直 线 运 动 和 绕 3个 坐 标轴 方 向 的 旋 转

8、运 动 。 最 简 单 的 地 震 模 拟 振 动 台 为 水平 单 向 振 动 台 ， 它 只 有 一 个 方 向 的 运 动 。 最 复 杂 的振 动 台 包 含 所 有 6个 自 由 度 的 运 动 。 Lab of Prof. Tian Shizhu 12六 自 由 度 地 震 模 拟 振 动 台 ： 由 振 动 台 台 面 、 电 液 伺服 作 动 器 、 控 制 系 统 和 数 据 采 集 系 统 组 成 。 多 个 电液 伺 服 作 动 器 可 使 振 动 台 台 面 实 现 任 意 方 向 上 的 移动 和 绕 任 意 轴 的 转 动 。 试 验 时 ， 将 地 震 地 面 运

9、 动 的有 关 数 据 输 入 到 计 算 机 ， 作 为 振 动 台 台 面 的 运 动 数据 ， 计 算 机 将 输 入 的 地 震 运 动 数 据 转 换 为 台 面 的 运动 数 据 ， 再 对 电 液 伺 服 作 动 器 发 出 控 制 指 令 ， 电 液伺 服 作 动 器 推 动 振 动 台 台 面 实 现 地 震 地 面 运 动 模 拟 。 Lab of Prof. Tian Shizhu 13 2.8 结 构 抗 震 试 验 方 法地 震 地 面 运 动 数 据 来 自 地 震 观 测 台 网 的 地 震 记 录 ，这 些 地 震 记 录 一 般 为 地 震 地 面 运 动 的

10、 速 度 或 加 速 度 。在 结 构 抗 震 设 计 中 ， 也 是 根 据 地 面 加 速 度 来 计 算 结构 受 到 的 惯 性 力 。 因 此 ， 进 行 振 动 台 试 验 时 ， 输 入到 计 算 机 的 地 震 运 动 大 多 为 地 面 运 动 加 速 度 ， 相 应的 电 液 伺 服 作 动 器 的 控 制 目 标 也 应 包 括 加 速 度 。 Lab of Prof. Tian Shizhu 14 控 制 方 式 ： 目 前 ， 较 先 进 的 振 动 台 采 用 三 参 量 控 制 技术 ， 将 振 动 台 的 位 移 、 速 度 和 加 速 度 均 作 为 控 制

11、目 标 。当 振 动 台 的 振 动 频 率 较 高 时 ， 位 移 较 小 而 加 速 度 较 大 ，采 用 加 速 度 为 控 制 目 标 可 以 获 得 较 高 的 相 对 控 制 精 度 。低 频 振 动 时 则 正 好 相 反 ， 采 用 位 移 控 制 可 以 得 到 较 高的 相 对 控 制 精 度 。 在 振 动 台 台 面 安 装 了 加 速 度 、 速 度和 位 移 传 感 器 ， 这 些 传 感 器 采 集 的 信 号 均 反 馈 至 控 制系 统 的 计 算 机 ， 计 算 机 根 据 误 差 最 小 的 原 则 实 时 选 择控 制 参 量 ， 使 振 动 台 准 确

12、 地 再 现 输 入 的 地 震 波 。 Lab of Prof. Tian Shizhu 15 地 震 模 拟 振 动 台 的 主 要 技 术 参 数 如 下 ：(1) 台 面 尺 寸 和 台 面 最 大 负 载台 面 尺 寸 决 定 了 进 行 试 验 的 结 构 模 型 平 面 尺 寸 。 在 静 载 试 验或 拟 静 载 试 验 (低 周 反 复 荷 载 试 验 )中 ， 常 常 忽 略 结 构 受 力 单元 的 空 间 联 系 ， 取 试 验 结 构 模 型 为 平 面 结 构 模 型 ， 例 如 ， 平面 框 架 结 构 。 平 面 外 的 稳 定 问 题 通 过 试 验 装 置

13、解 决 。 但 在 地震 模 拟 振 动 台 试 验 中 ， 即 使 是 单 向 地 震 模 拟 试 验 ， 结 构 模 型也 应 为 空 间 模 型 。 台 面 尺 寸 越 大 ， 结 构 模 型 的 尺 寸 就 可 以 越大 ， 试 验 结 构 的 性 能 也 就 越 接 近 真 实 结 构 的 性 能 。 目 前 。 世界 上 最 大 的 振 动 台 台 面 尺 寸 为 20m 15m(日 本 )。 Lab of Prof. Tian Shizhu 16 大 型 地 震 模 拟 振 动 台 多 采 用 电 液 伺 服 作 动 器 作 为 驱动 单 元 ， 振 动 台 试 验 中 ， 运

14、动 部 件 的 最 大 加 速 度 取决 于 电 液 伺 服 作 动 器 的 最 大 推 力 和 运 动 部 件 的 质 量 。这 里 ， 运 动 部 件 就 是 指 振 动 台 台 面 和 试 验 结 构 模 型 。因 此 ， 振 动 台 试 验 中 ， 试 验 结 构 模 型 的 平 面 尺 寸 受振 动 台 平 面 尺 寸 限 制 ， 试 验 结 构 模 型 的 重 量 也 要 受到 振 动 台 最 大 负 载 能 力 的 限 制 。 Lab of Prof. Tian Shizhu 17 (2) 台 面 运 动 自 由 度理 论 上 ， 地 震 模 拟 振 动 台 可 以 有 6个 自

15、 由 度 ， 也 就 是 说 ， 基 于现 代 工 业 技 术 制 造 的 地 震 模 拟 振 动 台 可 以 使 振 动 台 再 现 全 部地 震 地 面 运 动 。 但 在 工 程 实 践 中 ， 地 震 记 录 很 少 有 地 面 运 动的 旋 转 分 量 。 这 与 强 震 观 测 有 关 。 我 们 知 道 ， 强 震 观 测 仪 记录 的 地 震 运 动 为 仪 器 安 装 位 置 的 直 线 运 动 ， 这 个 直 线 运 动 应该 包 含 了 旋 转 分 量 。 但 如 果 要 通 过 强 震 观 测 仪 确 定 地 震 引 起的 地 面 旋 转 运 动 ， 就 必 须 知 道

16、 转 动 中 心 。 由 于 地 震 运 动 的 复杂 性 ， 目 前 可 用 的 地 震 记 录 大 多 为 观 测 点 的 地 面 直 线 运 动 (观测 点 的 速 度 和 加 速 度 )。 相 应 的 ， 在 工 程 结 构 抗 震 设 计 、 分 析 和 试 验 中 ， 一 般 也 不 考 虑 地 面 运 动 的 旋 转 分 量 。 Lab of Prof. Tian Shizhu 18 (2) 台 面 运 动 自 由 度 振 动 台 仅 在 一 个 方 向 运 动 时 ， 为 水 平 单 向 振 动 台 。 如 果振 动 台 有 两 个 自 由 度 ， 可 以 有 两 种 组 合

17、， 一 种 组 合 为 一 个 自由 度 为 水 平 方 向 ， 另 一 自 由 度 为 竖 向 方 向 ； 另 一 种 组 合 中 ，两 个 自 由 度 均 为 水 平 方 向 ， 两 个 水 平 运 动 方 向 相 互 垂 直 。 三自 由 度 的 振 动 台 包 括 两 个 水 平 方 向 的 自 由 度 和 一 个 竖 向 方 向的 自 由 度 。 目 前 ， 已 投 入 运 行 的 地 震 模 拟 振 动 台 虽 然 具 有 在全 部 6个 自 由 度 上 模 拟 地 震 地 面 运 动 的 能 力 ， 但 在 结 构 抗 震 试验 中 ， 一 般 仍 以 水 平 方 向 和 垂 直

18、 方 向 的 振 动 为 主 。 Lab of Prof. Tian Shizhu 19 (3) 频 率 范 围 、 最 大 位 移 、 速 度 和 加 速 度 已 有 的 地 震 记 录 的 最 高 频 率 一 般 不 超 过 10Hz， 考 虑 试 验结 构 模 型 的 特 点 ， 地 震 模 拟 振 动 台 的 频 率 范 围 大 多 为 050Hz，有 的 振 动 台 的 最 高 频 率 响 应 可 以 达 到 80 120Hz， 主 要 用 于 较小 比 例 的 结 构 模 型 的 振 动 台 试 验 。 振 动 台 最 大 位 移 一 般 为 100mm。 采 用 电 液 伺 服

19、系 统 的 振 动 台 ， 其 动 态 特 性 由 电 液 伺服 作 动 器 所 决 定 。 电 液 伺 服 系 统 的 流 量 和 压 力 决 定 了 作 动 器的 最 大 速 度 ， 振 动 圆 频 率 越 高 ， 振 动 位 移 幅 值 就 越 小 。 振 动台 的 最 大 加 速 度 可 以 达 到 20m s 2(2g， g为 重 力 加 速 度 )。 Lab of Prof. Tian Shizhu 20 (4) 输 入 波 形 地 震 模 拟 振 动 台 试 验 的 主 要 目 的 是 检 验 结 构 在遭 遇 地 震 时 的 性 能 。 一 般 要 求 振 动 台 能 够 模

20、拟 地 震地 面 运 动 ， 输 入 的 振 动 波 形 应 为 不 规 则 的 地 震 波 。此 外 ， 振 动 台 可 以 用 来 对 结 构 施 加 各 种 振 动 激 励 ，输 入 的 波 形 还 包 括 正 弦 波 、 三 角 波 等 规 则 波 ， 以 及随 机 的 不 规 则 白 噪 声 波 等 。 Lab of Prof. Tian Shizhu 213 地 震 模 拟 振 动 台 试 验 的 实 施 与 数 据 采 集 地 震 模 拟 振 动 台 试 验 是 一 种 高 速 动 态 试 验 ， 试 验 中采 集 的 数 据 主 要 包 括 模 型 结 构 各 测 点 的 加

21、速 度 、 位 移 和应 变 。 其 中 ， 最 重 要 的 测 试 数 据 是 各 楼 层 的 加 速 度 数 据 。因 为 通 过 实 测 的 加 速 度 ， 可 以 推 算 各 楼 层 所 受 的 惯 性 力作 用 。 加 速 度 传 感 器 为 绝 对 传 感 器 ， 可 将 其 直 接 安 装 在模 型 结 构 的 各 个 楼 层 位 置 。 为 了 准 确 地 测 量 模 型 结 构 基底 的 加 速 度 ， 除 在 振 动 台 台 面 安 装 加 速 度 传 感 器 外 ， 在模 型 结 构 基 底 也 安 装 加 速 度 传 感 器 。 Lab of Prof. Tian Sh

22、izhu 22 位 移 传 感 器 ： 为 相 对 传 感 器 ， 在 振 动 台 试 验 中 ， 要 设 置位 移 传 感 器 安 装 支 架 ， 安 装 支 架 应 有 足 够 的 刚 度 且 不 受振 动 台 运 动 的 影 响 。 将 位 移 传 感 器 固 定 在 安 装 支 架 上 ，测 量 模 型 结 构 与 安 装 支 架 之 间 的 相 对 位 移 。对 于 钢 结 构 模 型 ， 可 直 接 采 用 电 阻 应 变 计 量 测 试 验 中 的应 变 变 化 。 对 于 混 凝 土 结 构 和 砌 体 结 构 模 型 ， 由 于 反 复受 力 的 特 点 ， 电 阻 应 变

23、片 很 容 易 因 开 裂 而 失 效 。 常 采 用位 移 传 感 器 在 一 定 标 距 下 的 测 量 值 作 为 该 标 距 范 围 内 的平 均 应 变 。 Lab of Prof. Tian Shizhu 23 由 于 试 验 速 度 快 ， 模 型 结 构 的 损 伤 和 破 坏 过 程的 观 测 和 记 录 应 由 图 像 采 集 系 统 自 动 完 成 。 地 震 模 拟 振 动 台 试 验 为 破 坏 性 试 验 ， 希 望 得 到模 型 结 构 倒 塌 破 坏 时 的 有 关 数 据 ， 例 如 ， 倒 塌 前 各楼 层 的 惯 性 力 分 布 。 因 此 ， 试 验 时

24、 要 采 取 可 靠 的 安全 措 施 ， 一 方 面 防 止 人 员 受 到 伤 害 ， 另 一 方 面 ， 还要 保 护 测 量 仪 表 ， 避 免 不 必 要 的 损 失 。 Lab of Prof. Tian Shizhu 24 4、 地 震 模 拟 振 动 台 加 载 过 程 加 载 程 序 有 一 次 性 加 载 和 多 次 加 载 ， 选 择 加 载程 序 由 试 验 目 的 来 确 定 。 Lab of Prof. Tian Shizhu 25 一 次 性 加 载 ： 一 般 是 先 进 行 自 由 振 动 试 验 ， 测 量 结 构 的动 力 特 性 。 然 后 输 入 一

25、个 适 当 的 地 震 记 录 ， 连 续 地 记 录位 移 、 速 度 、 加 速 度 、 应 变 等 动 力 反 应 ， 并 观 察 裂 缝 的形 成 和 发 展 过 程 ， 以 研 究 结 构 在 弹 性 、 弹 塑 性 和 破 坏 阶段 的 各 种 性 能 。这 种 加 载 过 程 的 主 要 特 点 ： 可 以 连 续 模 拟 结 构 在 一 次 强烈 地 震 中 的 整 个 表 现 与 反 应 ， 但 是 对 试 验 过 程 中 的 量 测和 观 察 要 求 较 高 (要 求 高 速 摄 影 或 电 视 摄 像 )， 破 坏 阶段 的 观 测 又 比 较 危 险 ， 因 此 在 没

26、 有 足 够 经 验 的 情 况 下 很少 采 用 这 种 加 载 方 法 。 Lab of Prof. Tian Shizhu 26 多 次 加 载 ： 主 要 是 将 荷 载 按 结 构 初 裂 、 中 等 开 裂 和破 坏 分 成 等 级 ， 然 后 荷 载 由 小 到 大 逐 级 加 载 和 观 察 。多 级 加 载 对 结 构 将 产 生 变 形 积 累 的 影 响 。 由 于 地 震 模 拟 振 动 台 可 以 实 时 地 再 现 地 震 作 用过 程 ， 因 此 可 以 很 好 地 反 映 应 变 速 率 对 结 构 材 料 强度 的 影 响 。 它 的 缺 点 是 ： 设 备

27、昂 贵 ， 不 能 做 大 比 例模 型 试 验 ， 不 便 于 试 验 全 过 程 观 测 。 Lab of Prof. Tian Shizhu 27三 、 结 构 拟 动 力 试 验 对 于 一 个 具 体 的 结 构 或 某 一 种 具 体 的 结 构 形 式 ， 发 生 地震 时 ， 结 构 受 到 的 惯 性 力 与 结 构 本 身 的 特 性 相 关 ， 地 震 模 拟试 验 的 就 是 要 模 拟 结 构 受 到 的 这 种 惯 性 力 。 如 前 所 述 ， 地 震模 拟 振 动 台 试 验 可 以 模 拟 结 构 遭 遇 的 地 震 作 用 。 但 是 ， 受 台面 尺 寸

28、和 设 备 能 力 所 限 ， 地 震 模 拟 振 动 台 试 验 中 ， 结 构 模 型的 尺 寸 往 往 很 小 ， 结 构 构 件 的 局 部 性 能 很 难 准 确 模 拟 。 要 解决 这 一 问 题 ， 只 有 加 大 结 构 模 型 的 尺 寸 ， 用 其 他 方 式 模 拟 结构 受 到 的 惯 性 力 。 Lab of Prof. Tian Shizhu 28 结 构 拟 动 力 试 验 方 法 就 是 用 静 力 加 载 的 方 式 来模 拟 结 构 受 到 地 震 动 力 作 用 的 一 种 试 验 方 法 。 Lab of Prof. Tian Shizhu 291 结

29、 构 拟 动 力 试 验 方 法 的 基 本 原 理弹 性 单 自 由 度 结 构 体 系 在 地 震 作 用 下 的 运 动 微 分 方 程 为 ： 分 别 为 惯 性 力 、 阻 尼 力 和 弹 性 恢 复 力 。根 据 结 构 动 力 学 ， (1)式 可 以 采 用 杜 哈 美 尔 积 分 方 法 求 解 。对 于 非 弹 性 体 系 ， 例 如 ， 混 凝 土 开 裂 、 受 拉 钢 筋 屈 服 等 现 象使 结 构 体 系 的 恢 复 力 与 结 构 体 系 的 位 移 偏 离 线 性 关 系 。 (1)式 改 写 为 ： gmx cx kx mx (2)r gmx cx F mx

30、 (1) Lab of Prof. Tian Shizhu 30如 果 已 知 非 弹 性 恢 复 力 的 表 达 式 ， 也 可 以 采 用 逐 步积 分 法 求 解 (2)式 。 前 面 介 绍 的 结 构 低 周 反 复 荷 载试 验 的 目 的 之 一 就 是 获 取 结 构 恢 复 力 的 滞 回 关 系 。但 对 于 一 个 具 体 的 结 构 ， 我 们 并 不 知 道 结 构 的 非 弹性 恢 复 力 特 征 ， 要 通 过 计 算 了 解 该 结 构 在 地 震 作 用下 的 性 能 ， 只 能 根 据 已 有 的 试 验 结 果 和 理 论 分 析 ，假 设 恢 复 力 模

31、 型 ， 再 求 解 (2)式 。 显 然 ， 恢 复 力 模型 的 误 差 会 直 接 影 响 计 算 结 果 。r g mx cx F mx （ 2） Lab of Prof. Tian Shizhu 31 怎 样 改 善 计 算 精 度 呢 ?彻 底 消 除 恢 复 力 模 型 误 差 的 思 路 就 是 抛 弃 假 设 的 恢 复 力 模 型 ，直 接 在 试 验 中 量 测 结 构 体 系 的 恢 复 力 。 也 就 是 说 ， 将 结 构 试验 和 结 构 动 力 分 析 直 接 结 合 起 来 ， 从 硬 件 来 看 ， 就 是 计 算 机与 试 验 机 相 结 合 来 得 到

32、结 构 体 系 的 地 震 反 应 。 Lab of Prof. Tian Shizhu 32 按 照 中 心 差 分 法 ， 上 述 位 移 时 程 曲 线 计 算 的 递 推 格式 如 下 ：将 上 式 的 差 分 关 系 代 入 离 散 的 方 程 ： 1 1 21 1( ) /(2 )( 2 ) /i i ii i i ix x x tx x x x t i i ri gimx cx F mx 211 2 ( / 2 ) ( )/ 2i i ri gii mx c t m x F mx tx m c t Lab of Prof. Tian Shizhu 33 试 验 直 接 得 到 的

33、 结 果 是 它 们 形 成 结构 的 位 移 时 程 曲 线 和 结 构 的 恢 复 力 。 1 2, ,. ,. ,i nx x x x Lab of Prof. Tian Shizhu 342 多 自 由 度 结 构 拟 动 力 试 验 方 法多 自 由 度 结 构 拟 动 力 试 验 方 法 与 单 自 由 度 拟 动 力 试验 方 法 在 原 理 上 是 相 同 的 ， 但 结 构 运 动 方 程 为 矩 阵形 式 ： 1rM X C X F M x 采 用 中 心 差 分 法 ， 得 到 递 推 格 式 的 解 答 ：2 11 1 (2 ( ) ( ) )( )2 2i i i r

34、 i gt tX M x C M x F M x t M C Lab of Prof. Tian Shizhu 35 实 际 工 程 中 ， 很 多 结 构 在 地 震 中 发 生 的振 动 以 其 基 本 振 型 为 主 。 这 类 结 构 的 抗 震 设计 可 以 采 用 基 底 剪 力 法 。 在 对 这 类 结 构 进 行拟 动 力 试 验 时 ， 类 似 基 底 剪 力 法 ， 可 以 将 结构 等 效 为 单 自 由 度 体 系 ， 使 试 验 控 制 得 到 简化 。 Lab of Prof. Tian Shizhu 36子 结 构 拟 动 力 试 验 工 程 结 构 在 遭 遇

35、 地 震 时 ， 往 往 只 有 结 构 的 一 部分 进 入 非 弹 性 反 应 阶 段 。 利 用 结 构 拟 动 力 试 验 的 特点 ， 可 以 只 对 结 构 非 弹 性 反 应 部 分 进 行 试 验 ， 而 另一 部 分 结 构 的 弹 性 反 应 可 以 通 过 计 算 机 求 解 。 Lab of Prof. Tian Shizhu 37 如 图 框 架 剪 力 墙 结 构 ， 结 构 底 层 的 剪 力 墙 单 元 在 地 震 作 用下 进 入 非 弹 性 反 应 阶 段 。 采 用 子 结 构 拟 动 力 试 验 方 法 ， 底 层剪 力 墙 单 元 为 试 验 单 元

36、， 用 3个 作 动 器 对 该 单 元 加 载 ， 模 拟底 层 剪 力 墙 受 到 的 剪 力 、 弯 矩 和 轴 力 。 结 构 其 余 部 分 的 动 力反 应 通 过 计 算 机 程 序 求 解 。 将 两 部 分 得 到 的 反 应 在 结 构 整 体分 析 程 序 中 求 解 ， 就 可 得 到 整 个 结 构 的 地 震 响 应 。 Lab of Prof. Tian Shizhu 38 子 结 构 混 合 试 验 Lab of Prof. Tian Shizhu 393 伪 动 力 试 验 步 骤（ 1） 输 入 地 面 运 动 加 速 度 地 震 波 的 加 速 度 时 程

37、 曲 线 ， 加 速 度 示 值 随 时 间t的 变 化 而 改 变 ， 为 便 于 计 算 ， 首 先 将 实 际 地 震 记录 的 加 速 度 时 程 曲 线 按 一 定 时 间 间 隔 数 字 化 ， 即 按 t划 分 成 许 多 微 小 的 时 间 段 ， 可 以 取 t为 0.01，这 样 就 可 以 用 数 值 积 分 方 法 求 解 运 动 方 程 Lab of Prof. Tian Shizhu 40（ 2） 计 算 下 一 步 的 位 移 值 采 用 中 心 差 分 法 求 解 下 一 步 位 移 。（ 3） 位 移 值 的 转 换 由 加 载 控 制 系 统 的 计 算 机

38、 将 第 n+1步 的 指 令 位移 n+1转 换 成 输 入 电 压 ， 再 通 过 电 液 向 加 载 系 统控 制 作 动 器 对 结 构 加 载 ， 由 作 动 器 用 静 态 的 方 法 对结 构 施 加 n+1位 移 。 Lab of Prof. Tian Shizhu 41 （ 4） 量 测 恢 复 Fn+1 即 位 移 值 Xn+1对 结 构 施 加 的 荷 载 ， 通 过 作 动 器的 荷 载 传 感 器 测 得 此 时 恢 复 力 Fn+1。（ 5） 计 算 出 反 应 全 过 程 将 Xn+1， Fn+1数 据 代 入 上 述 算 式 ， 用 同 样 方 法求 得 Xn+

39、2， 进 行 加 载 ， 求 得 Xn+2位 移 下 的 Fn+2， 这样 如 此 循 环 ， 自 动 完 成 全 过 程 。 Lab of Prof. Tian Shizhu 424 结 构 拟 动 力 试 验 方 法 的 误 差 分 析与 地 震 模 拟 振 动 台 试 验 相 比 ， 结 构 拟 动 力 试 验 方 法 的 主 要优 势 在 于 结 构 拟 动 力 试 验 中 可 以 采 用 较 大 的 结 构 试 验 模 型 。子 结 构 拟 动 力 试 验 方 法 的 发 展 ， 进 一 步 突 破 结 构 模 型 尺 寸 的限 制 。 采 用 大 的 结 构 模 型 甚 至 原 型

40、 结 构 尺 寸 可 以 反 映 地 震 作用 对 结 构 构 件 性 能 和 结 构 局 部 构 造 的 影 响 ， 使 试 验 结 果 更 加准 确 的 反 映 结 构 的 抗 震 性 能 。 地 震 模 拟 振 动 台 试 验 的 结 构 模型 尺 寸 受 到 振 动 台 台 面 尺 寸 的 限 制 ， 试 验 结 果 不 可 避 免 的 要受 到 尺 寸 效 应 的 影 响 。 Lab of Prof. Tian Shizhu 43从 结 构 拟 动 力 试 验 方 法 的 基 本 原 理 可 以 知 道 ， 结 构 地 震 反应 实 际 上 是 逐 步 积 分 计 算 结 果 ， 只

41、 是 在 计 算 中 采 用 了 试 验 实测 的 结 构 恢 复 力 。 因 此 ， 计 算 模 型 误 差 包 含 在 试 验 结 果 中 。例 如 ， 在 多 层 建 筑 结 构 的 拟 动 力 试 验 的 计 算 程 序 中 ， 结 构 的质 量 集 中 在 各 楼 层 处 ， 而 实 际 结 构 的 柱 、 墙 等 构 件 的 质 量 是沿 结 构 高 度 均 匀 分 布 的 。 结 构 拟 动 力 试 验 的 计 算 程 序 中 ， 阻尼 系 数 属 于 事 先 输 入 的 参 数 ， 在 试 验 过 程 中 ， 采 用 了 较 低 的加 载 速 度 ， 试 验 结 果 不 能 真

42、 实 地 反 映 阻 尼 对 结 构 性 能 的 影 响 。 Lab of Prof. Tian Shizhu 44在 结 构 拟 动 力 试 验 方 法 中 ， 还 有 一 个 主 要 的 误 差 来 源 ， 这就 是 求 解 结 构 动 力 反 应 的 逐 步 积 分 方 法 。 实 际 结 构 的 地 震 反应 是 一 个 随 时 间 连 续 变 化 的 过 程 ， 但 是 在 结 构 拟 动 力 试 验 中 ，结 构 反 应 是 在 离 散 的 时 间 点 上 进 行 试 验 和 计 算 。 采 用 不 同 的时 间 步 长 出 和 不 同 的 逐 步 积 分 方 法 有 可 能 给 出 不 同 的 试 验 结果 。 按 照 结 构 动 力 学 理 论 ， 求 解 结 构 动 力 反 应 的 积 分 方 法 本身 还 受 到 稳 定 性 和 收 敛 性 等 条 件 的 限 制 。 由 结 构 拟 动 力 试 验方 法 的 本 质 特 征 所 决 定 ， 试 验 中 的 计 算 误 差 也 是 不 可 避 免 的 。 Lab of Prof. Tian Shizhu 45谢 谢 ！