1、建筑结构试验期末论文论文题目：结构抗震动力加载试验在高层建筑中的应用姓名： 学号: 专业班级:结构抗震动力加载试验在高层建筑中的应用摘 要：高层建筑抗震工作一直建筑设计和施工的重点，概述高层建筑的发展，对建筑抗震 进行必要的理论分析，从而來探索高层建筑的设计理念、方法，从而采取必须的抗震措施。 此论文详细介绍了两种结构抗震试验方法:伪静力试验和拟动力试验，对伪静力试齡的加载设 备和装置及试验方法作了说明，具体阐述了拟动力试验的基木方法和等效单口山度体系的拟 动力试验及子结构技术，以期指导实践。关键词：高层建筑；结构抗震静力试验；伪静力试验；拟动力试验0引言我国处在欧亚地震带和环太平洋地震带的包
2、围之屮，“512”汶川地震震害教训非 常深刻，为了防御和减轻地震灾害，保护人民牛命和财产安全，必须使建筑物具备足够 的抗震能力及良好的抗震性能。对建筑结构进行抗震试验，可以对建筑结构的抗震能力 和抗震性能进行评价。通过抗震试验，可以研究结构在弹性阶段的自振周期、振型、能 量耗散和阻尼值亦即结构的线性动力特性；也可以研究非线性阶段的能量耗散、滞回特 性、延性性能、破坏机理亦即结构的非线性性能。概述在长期抵御地震灾害的过程中,人们认识到工程结构抗震试验是研究结构抗震性能的一 个重耍途径和方法。由于地震发生前的不确定性和发生传播的不确定性，这个也使结构在地 震反应也是不确定性的。所以结构抗震试验很人
3、程度上是简化或者是将不确定性确定化，从 而让试验可以实施1。2高层建筑发展情况80年代，是我国高层建筑在设计计算及施工技术各方面迅速发展的阶段。各人屮城市 普遍兴建高度在100m左右或100m以上的以钢筋为主的建筑，建筑层数和高度不断增加，功 能和类型越来越复杂，结构体系口趋多样化。比较冇代表性的高层建筑冇上海锦江饭店，它 是一屎现代化的高级宾馆，总高153.52m,全部采用框架一芯墙全钢结构体系，深圳发展屮 心大厦43层高165. 3m,加上天线的高度共185. 3m,这是我国笫一幢大型高层钢结构建筑。 进入90年代我国高层建筑结构的设计与施工技术进入了新的阶段。不仅结构体系及建筑材 料出现
4、多样化而且在高度上长幅很人有一个飞跃。深圳于1995年6月封顶的地王人厦，81 层高，385. 95m为钢结构，它居目前世界建筑的第四位。建筑结构抗震规范实际上是各国建筑抗震经验带有权威性的总结，是指导建筑抗震设计 （包括结构动力计算，结构抗震措施以及地基抗震分析等主要内容）的法定性文件它既反映了 各个国家经济与建设的时代水平，乂反映了各个国家的具体抗震实践经验。它虽然受抗震有 关科学理论的引导，向技术经济合理性的方向发展，但它更要有坚定的工程实践基础，把建 筑工程的安全性放在首位，容不得半点冒险和不实。正是基于这种认识，现代规范小的条文 有的被列为强制性条文，有的条文屮用了 “严禁，不得，不
5、许，不宜”等体现不同程度限制 性和“必须，应该，宜于，可以”等体现不同程度灵活性的用词。3结构抗震静力实验结构抗压静力试验是以静力的方式模拟地is作用的试验。结构抗震试验乂分为伪静力试 验和拟动力试验。结构抗震静力试验优点是设备要求不高,成木低。但是，抗震静力试验最本 质的缺点是不能反映地震时材料应变速率的影响。4伪静力实验4.1加载设备和装置4.1.1加载设备结构伪静力试验加载设备有很多种，以前一般采用手动加载的方法,实验室里主要采用机 械式千斤顶或是液压式千斤顶。1佃手动加载口动化程度太低,也不容易提高试验数据的精度。 目前，随着经济的发展，实验室里主要采用的是电液伺服加载系统。4.1.2
6、加载的反力装置电液伺服加载器一方面和试件相连，另一方面和反力装置相连力便对结构进行加载作 用。当然，试件也需要固定并模拟实际边界条件，所以反力装置与传力装置是伪静力加载试验 屮所必需的。目前常川的反力装置主要有反力墙、反力支屎、门式钢架、反力架和相应的各 种组合载荷架。从加载方向来看，有竖向反力装置和水平单向反力装置，而后者乂包括同定式 反力墙、移动式反丿J墙和移动式反力支架。4.2单向伪静力加载试验421加载规则1）力控制加载。力控制加载方式就是以每次循环的力的幅度作为控制量进行加载的一种方 法。由于试件在屈服后很难控制加载的力,所以试验加载中很少单独采用这种方法。2）位移控制加载。位移控制
7、加载就是在加载过程中以位移作为控制量，按照一定的位移增幅 进行循环的加载，幅值有从小到人变化的，也冇恒定的，当然也有大小混合的。3）位移控制加载。力一位移混合控制加载:这种方法首先以力的控制进行加载,当试件达到屈 服状态，则改用位移控制。在建筑抗震试验方法规程中有明确的规定。其中屈服状态的 确定是个很不精确的概念，需要特别注意。4.2.2实验控制方法电液伺服结构试验设备的发展使得结构的伪静力试验变得简单。电液伺服试验系统主要 由以下儿个部分组成:计算机、A/D和D/A转换器、模拟控制器、电液伺服加载器、传感器 和有关的辅助设备。A/D,D/A转换器町以釆川汇编语言、C语言或者是Basic语言编
8、写;对于 结构工程研究人员来说，整个过程采用高级语言编写软件进行控制比较简单。4.2.3恢复力模型、损伤模型以及参数确定构件的恢复力模型以及参数的确定是分析结构弹塑性地震反应的基础，只有合理地建立 起基本构件的恢复力模型并准确地确定模型参数，理论计算结果才能反映实际结构的真实 特性。D前的恢复力模型有两人类：1）折线型;2）光滑型。折线型的恢复力模型主要有双线性 模型、三线性模型和滑移滞回模型等，在这个基础之上，进一步考虑强度退化和刚度退化将得 到更为复杂的恢复力模型;光滑型模型主要是通过微分方程的形式来表示各个不同受力状态 的构件恢复力滞回曲线和承载力、刚度退化效应。4.3双向伪静力加载试验
9、地震对结构的作川不是试验屮那么单方向的，其实是多方向的，而且有很人的不确定性, 人暈的地震灾害调杳表明,水平双向地震比单向地震对钢筋混凝土结构的破坏作用要人很 多。这是因为，一个方向的损伤直接导致了另一个方向上构件抗层性能的下降。因此研究结 构或构件在双向受力状态下的抗震性能是非常有慧义的。由于结构的弹鴉性变形特性与加载 路径有关系,所以根据研究的目的和方法的不同，双向加载规则也有许多种形式。山于大多加 载过程中采用的是位移控制规则，所以使用电液伺服加载试验设备是比较容易实现的。5拟动力实验5.1拟动力试验的基本方法拟动力试验的基本思想是基于结构动力方程的数值计算过程。对于一个离散的多口由度
10、结构，其动力方程可以写成：Mx-Cx + Kx = -Mxs(1)其中,M,C,K分别为质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵；分别为结构相对于地面的加速 度向量、速度向量和位移向量；血为地震时地而的加速度向量。为了能对式进行数值求 解，需要将上式的微分方程变成差分方程的形式,设时间步长为并只令恢复力P=Kx,地压力 向量F=-M，方程(1)在某一时刻右的离散吋间动力方程为：Mxi + CXj + 耳=Fj(2)拟动力试验小一-般采用中央差分法对动力方程(2)进行求解。中央差分法采用了以下的速度 和加速度假定，即：2Ar(3)文产和一 2形+GAZ2程(2),经整理得：(5)将式(3),式(4)代入离散
11、动力方X/+1 = (M 4- y C)2Mxi + (y C - M )x/_1 -tPl-Fi)显然式(5)中求第i+1步的位移反应兀中只与恢复力Pj冇关，所以式的右端都是已知鱼因此 中央差分法是一种显式的方法。不过,在试验开始吋，结构的反应很小,最初的试验尚无结构实测值，恢复力可釆用结构的刚 度按P=Kx來计算。因此，试验的初始阶段适合采川线性加速度法求解动力方程，当结构反应逐渐增加，实测恢复力足够精确后，再使川试验实测恢复力Po线性加速度法是假定在厶和心之间，加速度按线性规律变化，经过整理后，得出以下计算公式:. A/. Ar2 .易+1 = xi +xi + 二易+1 兀+1 =兀+
12、人此+ 牛 +】+弓-X+13o其中,心+卽弋+竽叫为单位矩阵;卽弋+竽沪K：A,=M-xCtM-KA,=M-xK。5.2等效单自由度体系的拟动力试验等效单自山度体系的拟动力试验是対多自山度结构体系的一种简化试验方法，最初是山 美日合作研究足尺七层钢架混凝土结构试验时提出的。这种方法主耍是基于如F的几个理由: 当被试验结构的自由度很多而且刚度很人时，刚度矩阵屮的主元素数值可能达到 103kN/mm104kN/mm,而试验中位移测量设备的精度仅为103mm102mm,因此即使将位 移精确地控制在精度范围里，载荷也将有1 kN10 kN的误差;另外的原因是，多口由度结构的 内力分布很复杂且随着时间
13、呈随机变化，而且山于当时加载器的性能有限，以及有关误差的控 制方法还没有建立，因此多口由度结构体系的拟动力试验控制算法的建立和试验都有很大的 难度,在这种悄况下，人们想到了用等效单自由度来代替进行试验。该方法基于一个事实:刚度 人的结构体系在振动过程小基本处于第一振型振动状态，所以等效单H由度体系的试验是以 第一振型为主，结构各层的地震作用按倒三角分布。5.3子结构技术结构在地震的作用卜将产牛破坏，但是破坏往往只是发牛在结构的某些部位或者构件上, 其他部分处于完好的状态或者基木完好状态，所以将容易破坏的具有复朵非线性特性的这个 部分结构进行试验，而其余处于线弹性状态的结构部分用计算机进行计算模
14、拟,被试验的结构 部分和计算机模拟部分在一个幣体结构动力方程屮得到统一。这样解决的问题是:1)人人地 降低了试件的尺寸和规模，降低费用;2)对于那些大而复杂的结构进行拟动力试验，这一方法 可以大大地降低加载器和反力装置。6结论结构抗震静力试验是结构抗震试验的重要组成部分，它的最人特点是设备比较简单，在逐 步加载屮可以让试验人员有机会看清破坏的过程。对丁那些耍求不高的结构来说，结构抗震 静力试验已经能够达到所要的精度。在很长的时间内，结构抗震静力试验还是人们研究结构 抗震性能的主要试验手段。渗考文献1朱伯龙结构抗震试验M.北京:地襄出版& 1989.2姚谦峰.陈平.土木工程结构试验M.北京:中国建筑工业出版社,2001:7. 陈们望，王海波.结构拟动力试验方法综述J.湖南城市学院学报,2004( 12):67-694王徳才拟动力试验数值积分方法及子结构拟动力试验研究D.合肥:合肥工业人学,2005.
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