結(jié)構(gòu)抗震動(dòng)力加載試驗(yàn)在房屋建筑中的應(yīng)用

建筑結(jié)構(gòu)試驗(yàn)期末論文論文題目：結(jié)構(gòu)抗震動(dòng)力加載試驗(yàn)在高層建筑中的應(yīng)用姓名：學(xué)號(hào)：專業(yè)班級(jí)：結(jié)構(gòu)抗震動(dòng)力加載試驗(yàn)在高層建筑中的應(yīng)用摘要：高層建筑抗震工作一直建筑設(shè)計(jì)和施工的重點(diǎn)，概述高層建筑的發(fā)展，對(duì)建筑抗震進(jìn)行必要的理論分析，從而來(lái)探索高層建筑的設(shè)計(jì)理念、方法，從而采取必須的抗震措施。此論文詳細(xì)介紹了兩種結(jié)構(gòu)抗震試驗(yàn)方法:偽靜力試驗(yàn)和擬動(dòng)力試驗(yàn),對(duì)偽靜力試驗(yàn)的加載設(shè)備和裝置及試驗(yàn)方法作了說(shuō)明,具體闡述了擬動(dòng)力試驗(yàn)的基本方法和等效單自由度體系的擬動(dòng)力試驗(yàn)及子結(jié)構(gòu)技術(shù),以期指導(dǎo)實(shí)踐。關(guān)鍵詞：高層建筑；結(jié)構(gòu)抗震靜力試驗(yàn)；偽靜力試驗(yàn)；擬動(dòng)力試驗(yàn)0引言我國(guó)處在歐亞地震帶和環(huán)太平洋地震帶的包圍之中，“5·12”汶川地震震害教訓(xùn)非常深刻，為了防御和減輕地震災(zāi)害，保護(hù)人民生命和財(cái)產(chǎn)安全，必須使建筑物具備足夠的抗震能力及良好的抗震性能。對(duì)建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震試驗(yàn)，可以對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的抗震能力和抗震性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。通過(guò)抗震試驗(yàn)，可以研究結(jié)構(gòu)在彈性階段的自振周期、振型、能量耗散和阻尼值亦即結(jié)構(gòu)的線性動(dòng)力特性；也可以研究非線性階段的能量耗散、滯回特性、延性性能、破壞機(jī)理亦即結(jié)構(gòu)的非線性性能。1概述在長(zhǎng)期抵御地震災(zāi)害的過(guò)程中,人們認(rèn)識(shí)到工程結(jié)構(gòu)抗震試驗(yàn)是研究結(jié)構(gòu)抗震性能的一個(gè)重要途徑和方法。由于地震發(fā)生前的不確定性和發(fā)生傳播的不確定性,這個(gè)也使結(jié)構(gòu)在地震反應(yīng)也是不確定性的。所以結(jié)構(gòu)抗震試驗(yàn)很大程度上是簡(jiǎn)化或者是將不確定性確定化,從而讓試驗(yàn)可以實(shí)施[1]。2高層建筑發(fā)展情況

80年代，是我國(guó)高層建筑在設(shè)計(jì)計(jì)算及施工技術(shù)各方面迅速發(fā)展的階段。各大中城市普遍興建高度在100m左右或100m以上的以鋼筋為主的建筑，建筑層數(shù)和高度不斷增加，功能和類型越來(lái)越復(fù)雜，結(jié)構(gòu)體系日趨多樣化。比較有代表性的高層建筑有上海錦江飯店，它是一座現(xiàn)代化的高級(jí)賓館，總高153.52m，全部采用框架一芯墻全鋼結(jié)構(gòu)體系，深圳發(fā)展中心大廈43層高165.3m，加上天線的高度共185.3m，這是我國(guó)第一幢大型高層鋼結(jié)構(gòu)建筑。進(jìn)入90年代我國(guó)高層建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與施工技術(shù)進(jìn)入了新的階段。不僅結(jié)構(gòu)體系及建筑材料出現(xiàn)多樣化而且在高度上長(zhǎng)幅很大有一個(gè)飛躍。深圳于1995年6月封頂?shù)牡赝醮髲B，81層高，385.95m為鋼結(jié)構(gòu)，它居目前世界建筑的第四位。

建筑結(jié)構(gòu)抗震規(guī)范實(shí)際上是各國(guó)建筑抗震經(jīng)驗(yàn)帶有權(quán)威性的總結(jié)，是指導(dǎo)建筑抗震設(shè)計(jì)(包括結(jié)構(gòu)動(dòng)力計(jì)算，結(jié)構(gòu)抗震措施以及地基抗震分析等主要內(nèi)容)的法定性文件它既反映了各個(gè)國(guó)家經(jīng)濟(jì)與建設(shè)的時(shí)代水平，又反映了各個(gè)國(guó)家的具體抗震實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。它雖然受抗震有關(guān)科學(xué)理論的引導(dǎo)，向技術(shù)經(jīng)濟(jì)合理性的方向發(fā)展，但它更要有堅(jiān)定的工程實(shí)踐基礎(chǔ)，把建筑工程的安全性放在首位，容不得半點(diǎn)冒險(xiǎn)和不實(shí)。正是基于這種認(rèn)識(shí)，現(xiàn)代規(guī)范中的條文有的被列為強(qiáng)制性條文，有的條文中用了“嚴(yán)禁，不得，不許，不宜”等體現(xiàn)不同程度限制性和“必須，應(yīng)該，宜于，可以”等體現(xiàn)不同程度靈活性的用詞。

3結(jié)構(gòu)抗震靜力實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)抗震靜力試驗(yàn)是以靜力的方式模擬地震作用的試驗(yàn)。結(jié)構(gòu)抗震試驗(yàn)又分為偽靜力試驗(yàn)和擬動(dòng)力試驗(yàn)。結(jié)構(gòu)抗震靜力試驗(yàn)優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備要求不高,成本低。但是,抗震靜力試驗(yàn)最本質(zhì)的缺點(diǎn)是不能反映地震時(shí)材料應(yīng)變速率的影響。4偽靜力實(shí)驗(yàn)4.1加載設(shè)備和裝置4.1.1加載設(shè)備結(jié)構(gòu)偽靜力試驗(yàn)加載設(shè)備有很多種,以前一般采用手動(dòng)加載的方法,實(shí)驗(yàn)室里主要采用機(jī)械式千斤頂或是液壓式千斤頂。而手動(dòng)加載自動(dòng)化程度太低,也不容易提高試驗(yàn)數(shù)據(jù)的精度。目前,隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,實(shí)驗(yàn)室里主要采用的是電液伺服加載系統(tǒng)。4.1.2加載的反力裝置電液伺服加載器一方面和試件相連,另一方面和反力裝置相連,方便對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行加載作用。當(dāng)然,試件也需要固定并模擬實(shí)際邊界條件,所以反力裝置與傳力裝置是偽靜力加載試驗(yàn)中所必需的。目前常用的反力裝置主要有反力墻、反力支座、門(mén)式鋼架、反力架和相應(yīng)的各種組合載荷架。從加載方向來(lái)看,有豎向反力裝置和水平單向反力裝置,而后者又包括固定式反力墻、移動(dòng)式反力墻和移動(dòng)式反力支架。4.2單向偽靜力加載試驗(yàn)4.2.1加載規(guī)則1)力控制加載。力控制加載方式就是以每次循環(huán)的力的幅度作為控制量進(jìn)行加載的一種方法。由于試件在屈服后很難控制加載的力,所以試驗(yàn)加載中很少單獨(dú)采用這種方法。2)位移控制加載。位移控制加載就是在加載過(guò)程中以位移作為控制量,按照一定的位移增幅進(jìn)行循環(huán)的加載,幅值有從小到大變化的,也有恒定的,當(dāng)然也有大小混合的。3)位移控制加載。力—位移混合控制加載:這種方法首先以力的控制進(jìn)行加載,當(dāng)試件達(dá)到屈服狀態(tài),則改用位移控制。在《建筑抗震試驗(yàn)方法規(guī)程》中有明確的規(guī)定。其中屈服狀態(tài)的確定是個(gè)很不精確的概念,需要特別注意。4.2.2實(shí)驗(yàn)控制方法電液伺服結(jié)構(gòu)試驗(yàn)設(shè)備的發(fā)展使得結(jié)構(gòu)的偽靜力試驗(yàn)變得簡(jiǎn)單。電液伺服試驗(yàn)系統(tǒng)主要由以下幾個(gè)部分組成:計(jì)算機(jī)、A/D和D/A轉(zhuǎn)換器、模擬控制器、電液伺服加載器、傳感器和有關(guān)的輔助設(shè)備。A/D,D/A轉(zhuǎn)換器可以采用匯編語(yǔ)言、C語(yǔ)言或者是Basic語(yǔ)言編寫(xiě);對(duì)于結(jié)構(gòu)工程研究人員來(lái)說(shuō),整個(gè)過(guò)程采用高級(jí)語(yǔ)言編寫(xiě)軟件進(jìn)行控制比較簡(jiǎn)單。4.2.3恢復(fù)力模型、損傷模型以及參數(shù)確定構(gòu)件的恢復(fù)力模型以及參數(shù)的確定是分析結(jié)構(gòu)彈塑性地震反應(yīng)的基礎(chǔ),只有合理地建立起基本構(gòu)件的恢復(fù)力模型并且準(zhǔn)確地確定模型參數(shù),理論計(jì)算結(jié)果才能反映實(shí)際結(jié)構(gòu)的真實(shí)特性。目前的恢復(fù)力模型有兩大類:1)折線型;2)光滑型。折線型的恢復(fù)力模型主要有雙線性模型、三線性模型和滑移滯回模型等,在這個(gè)基礎(chǔ)之上,進(jìn)一步考慮強(qiáng)度退化和剛度退化將得到更為復(fù)雜的恢復(fù)力模型;光滑型模型主要是通過(guò)微分方程的形式來(lái)表示各個(gè)不同受力狀態(tài)的構(gòu)件恢復(fù)力滯回曲線和承載力、剛度退化效應(yīng)。4.3雙向偽靜力加載試驗(yàn)地震對(duì)結(jié)構(gòu)的作用不是試驗(yàn)中那么單方向的,其實(shí)是多方向的,而且有很大的不確定性,大量的地震災(zāi)害調(diào)查表明,水平雙向地震比單向地震對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的破壞作用要大很多。這是因?yàn)?一個(gè)方向的損傷直接導(dǎo)致了另一個(gè)方向上構(gòu)件抗震性能的下降。因此研究結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在雙向受力狀態(tài)下的抗震性能是非常有意義的。由于結(jié)構(gòu)的彈塑性變形特性與加載路徑有關(guān)系,所以根據(jù)研究的目的和方法的不同,雙向加載規(guī)則也有許多種形式。由于大多加載過(guò)程中采用的是位移控制規(guī)則,所以使用電液伺服加載試驗(yàn)設(shè)備是比較容易實(shí)現(xiàn)的。5擬動(dòng)力實(shí)驗(yàn)5.1擬動(dòng)力試驗(yàn)的基本方法擬動(dòng)力試驗(yàn)的基本思想是基于結(jié)構(gòu)動(dòng)力方程的數(shù)值計(jì)算過(guò)程。對(duì)于一個(gè)離散的多自由度結(jié)構(gòu),其動(dòng)力方程可以寫(xiě)成:(1)其中,M,C,K分別為質(zhì)量矩陣、阻尼矩陣和剛度矩陣;,,x分別為結(jié)構(gòu)相對(duì)于地面的加速度向量、速度向量和位移向量;為地震時(shí)地面的加速度向量。為了能對(duì)式(1)進(jìn)行數(shù)值求解,需要將上式的微分方程變成差分方程的形式,設(shè)時(shí)間步長(zhǎng)為Δt,并且令恢復(fù)力P=Kx,地震力向量F=-M,方程(1)在某一時(shí)刻的離散時(shí)間動(dòng)力方程為:(2)擬動(dòng)力試驗(yàn)中一般采用中央差分法對(duì)動(dòng)力方程(2)進(jìn)行求解。中央差分法采用了以下的速度和加速度假定,即:(3)(4)將式(3),式(4)代入離散動(dòng)力方程(2),經(jīng)整理得:(5)顯然式(5)中求第i+1步的位移反應(yīng)只與恢復(fù)力有關(guān),所以式(5)的右端都是已知量,因此中央差分法是一種顯式的方法。不過(guò),在試驗(yàn)開(kāi)始時(shí),結(jié)構(gòu)的反應(yīng)很小,最初的試驗(yàn)尚無(wú)結(jié)構(gòu)實(shí)測(cè)值,恢復(fù)力可采用結(jié)構(gòu)的剛度按P=Kx來(lái)計(jì)算。因此,試驗(yàn)的初始階段適合采用線性加速度法求解動(dòng)力方程(2),當(dāng)結(jié)構(gòu)反應(yīng)逐漸增加,實(shí)測(cè)恢復(fù)力足夠精確后,再使用試驗(yàn)實(shí)測(cè)恢復(fù)力P。線性加速度法是假定在和之間,加速度按線性規(guī)律變化,經(jīng)過(guò)整理后,得出以下計(jì)算公式:(6)(7)(8)其中,,I為單位矩陣;；。5.2等效單自由度體系的擬動(dòng)力試驗(yàn)等效單自由度體系的擬動(dòng)力試驗(yàn)是對(duì)多自由度結(jié)構(gòu)體系的一種簡(jiǎn)化試驗(yàn)方法,最初是由美日合作研究足尺七層鋼架混凝土結(jié)構(gòu)試驗(yàn)時(shí)提出的。這種方法主要是基于如下的幾個(gè)理由:當(dāng)被試驗(yàn)結(jié)構(gòu)的自由度很多而且剛度很大時(shí),剛度矩陣中的主元素?cái)?shù)值可能達(dá)到103kN/mm~104kN/mm,而試驗(yàn)中位移測(cè)量設(shè)備的精度僅為10-3mm~10-2mm,因此即使將位移精確地控制在精度范圍里,載荷也將有1kN~10kN的誤差;另外的原因是,多自由度結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布很復(fù)雜且隨著時(shí)間呈隨機(jī)變化,而且由于當(dāng)時(shí)加載器的性能有限,以及有關(guān)誤差的控制方法還沒(méi)有建立,因此多自由度結(jié)構(gòu)體系的擬動(dòng)力試驗(yàn)控制算法的建立和試驗(yàn)都有很大的難度,在這種情況下,人們想到了用等效單自由度來(lái)代替進(jìn)行試驗(yàn)。該方法基于一個(gè)事實(shí):剛度大的結(jié)構(gòu)體系在振動(dòng)過(guò)程中基本處于第一振型振動(dòng)狀態(tài),所以等效單自由度體系的試驗(yàn)是以第一振型為主,結(jié)構(gòu)各層的地震作用按倒三角分布。5.3子結(jié)構(gòu)技術(shù)結(jié)構(gòu)在地震的作用下將產(chǎn)生破壞,但是破壞往往只是發(fā)生在結(jié)構(gòu)的某些部位或者構(gòu)件上,其他部分處于完好的狀態(tài)或者基本完好狀態(tài),所以將容易破壞的具有復(fù)雜非線性特性的這個(gè)部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行試驗(yàn),而其余處于線彈性狀態(tài)的結(jié)構(gòu)部分用計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算模擬,被試驗(yàn)的結(jié)構(gòu)部分和計(jì)算機(jī)模擬部分在一個(gè)整體結(jié)構(gòu)動(dòng)力方程中得到統(tǒng)一。這樣解決的問(wèn)題是:1)大大地降低了試件的尺寸和規(guī)模,降低費(fèi)用;2)對(duì)于那些大而復(fù)雜的結(jié)構(gòu)進(jìn)行擬動(dòng)力試驗(yàn),這一方法可以大大地降低加載器和反力裝置。6結(jié)論結(jié)構(gòu)抗震靜力試驗(yàn)是結(jié)構(gòu)抗震試驗(yàn)的重要組成部分,它的最大特點(diǎn)是設(shè)備比較簡(jiǎn)單,在逐步加載中可以讓試驗(yàn)人員有機(jī)會(huì)看清破壞的過(guò)程。對(duì)于那些要求不高的結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō),結(jié)構(gòu)抗震靜力試驗(yàn)已經(jīng)能夠達(dá)到所要的精度。在很長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi),結(jié)構(gòu)抗震靜力試驗(yàn)還是人們研究結(jié)構(gòu)抗震性能的主要試驗(yàn)手段。[參考文獻(xiàn)][1]朱伯龍.結(jié)構(gòu)抗震試驗(yàn)[M].北京:地震出版社,1989.[2]姚謙峰,陳平.土木工程結(jié)構(gòu)試驗(yàn)[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2001:7.[3]陳伯望,王海波.結(jié)構(gòu)擬動(dòng)力試驗(yàn)方法綜述[J].湖南城市學(xué)院學(xué)報(bào),2004(12):67-.69[4]王德才.擬