结构检验 结构抗震实验方法 第四章课件.ppt

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1、第4章拟动力实验方法赵均海教授4.1引言结构抗震实验研究的主要目的有两个方面：一个是对材料或结构的表现进行深入的了解；另一个是对结构的预期反应进行验证。前者在于发展抽象的、概括性的结构数学模型，主要采用小尺度的单自由度试件和周期性的加载方法。后者是将已经存在的数学模型用于构件或结构，根据实验对预期的响应进行验证，主要采用地震模拟振动台实验方法和拟动力实验方法。拟静力加载实验方法虽然是目前结构工程中应用最为广泛的实验方法,它可以最大限度地获得试件的刚度、承载力、变形和耗能等信息，但是它不能模拟结构在实际地震作用

2、下的反应；但是对于大型结构或构件，需要有大型的地震模拟振动台，这是一项投资很大的设备。一般的振动台实验只能进行小尺度的模型结构实验；由于小尺度结构模型的动力相似律很难满足要求，尤其是在弹塑性范围内，实验结果往往难以推广到原型结构中去。拟动力实验方法吸收了拟静力加载实验和地震模拟振动台实验两种实验方法的优点，同时吸收了结构理论分析和计算的优点，可以模拟大型复杂结构的地震反应。拟动力实验方法是1969年日本学者M.Hakuno等人[1]首次提出的，是将计算机与加载作动器联机求解结构动力方程的方法，目的为了能够真实

3、地模拟地震对结构的作用。这种方法的关键是结构的恢复力直接从试件上测得，无需对结构恢复力作任何理论上的假设。当时M．Hakuno是将模拟计算机与电液伺服作动器联成一个实验系统，如图4-1所示。试件为悬臂的钢梁，当系统启动后，如果输入地震加速度信号，则系统的方程为：（4-1）图4-1模拟计算机控制的拟动力实验系统到1974年，K.Takanashi[2]采用数字计算机代替了性能较差的模拟计算机，发展了用于结构弹塑性地震反应的拟动力实验系统；其目的在于研究目前描述结构或构件恢复力特性的数学模型是否正确，进一步了解具

4、有难以用数学公式表达其恢复力特性的结构地震反应。此项实验获得了成功，更为重要的是它标志着结构抗震实验方法的重大进展。从此，拟动力实验方法在结构抗震实验研究中确立了它不可替代的地位。与理论计算相比，它无需对结构作任何假定就能获得结构体系的真实地震反应特征。而与拟静力实验和地震模拟振动台实验相比，它既有拟静力实验那样经济方便的特点，又具有振动台实验那样真实模拟地震作用的功能。图4-2给出了拟动力实验过程与数值计算过程之间的比较。图4-3、图4-4分别给出了两种拟动力试验装置。图4-2数值计算与拟动力实验之间的比较

5、图4-3微机控制拟动力疲劳试验机图4-4微机控制电液伺服拟动力加载试验系统4.2拟动力实验的基本方法4.2.1基本思想拟动力实验的基本思想是基于结构动力方程的数值计算过程。对于一个离散的多自由度结构系统，其动力方程可写成（4-2）为了能够对方程（4-2）进行数值求解，考虑线性加速度方法。该方法是假定在到范围内加速度按线性规律变化，如图4-3所示。式（4-2）中M、C和K分别为质量阵、阻尼阵和刚度阵，、和分别为相对加速度、速度和位移，为地震力向量。图4-5线性加速度方法的变化关系经过、与、及、间的关系代换，增量

6、动力平衡方程可化为:（4-3）具体过程是根据数值化的典型地震加速度记录时程曲线，取某一时刻的地震加速度值和试验中前一时刻加载后实测的结构恢复力，用逐步积分振动方程的动力反应分析方法计算出该时刻结构试体的地震反应位移，并对结构试体施加此位移，实现该时刻结构试体的地震反应。实测此时的结构恢复力，按地震过程取下一时刻的地震加速度值，进行该时刻结构试体地震反应位移计算，再将位移施加到结构试体上。如此逐时刻反复实现计算位移-施加位移-实测结构恢复力-再计算位移的循环过程，即模拟了结构实体在地震中的实际动态反应过程。采用

7、线性加速度方法进行拟动力实验所遇到的一个很大困难就是正切刚度Ki的计算，因为在弹塑性范围内，要保证准确的地震响应就要保持时间步长选择很小，而实验加载逼近过程又要求有可靠的正切刚度估计。由于位移传感器的精度以及一个位移加载步长的量值可能非常小，有时将会造成正切刚度计算结果数值极大的困难(类似于被0除)，这种正切刚度在各个离散点的陡变往往导致整个实验系统进入不稳定状态。4.2.2中央差分法为了克服上述困难，H.Tanaka在拟动力实验中采用了中央差分方法代替线性加速度方法。中央差分法采用了如下的速度和加速度假定，

8、即（4-4）（4-5）令则增量动力平衡方程为显然只与恢复力有关，而与试件的正切刚度无关，从而避开了线性加速度方法中的困难。表达式（4-6）中右端都是已知量，因此中央差分法是一种显式方法。图4-4给出了采用中央差分方法的拟动力实验概图。（4-6）图4-6采用中央差分法的拟动力实验图由于加载作动器与试件和反力墙之间的联接可能存在缝隙，在加载过程中各传力部分还存在着弹性变形，因此加载作动器本身的位移传感器