1、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)偽靜力試齡的加載設(shè) 備和裝置及試驗(yàn)方法作了說明，具體闡述了擬動(dòng)力試驗(yàn)的基木方法和等效單口山度體系的擬 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引言我國處在歐亞地震帶和環(huán)太平洋地震帶的包

2、圍之屮，“512”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)人民牛命和財(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。概述在長期抵御地震災(zāi)害的過程中,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)重耍途徑和方法。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)很人

3、程度上是簡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。各人屮城市 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 能和類型越來越復(fù)雜，結(jié)構(gòu)體系口趨多樣化。比較冇代表性的高層建筑冇上海錦江飯店，它 是一屎現(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)展屮 心大廈43層高165. 3m,加上天線的高度共185. 3m,這是我國笫一幢大型高層鋼結(jié)構(gòu)建筑。 進(jìn)入90年代我國高層建筑結(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)

4、多樣化而且在高度上長幅很人有一個(gè)飛躍。深圳于1995年6月封頂?shù)牡赝跞藦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)國家經(jīng)濟(jì)與建設(shè)的時(shí)代水平，乂反映了各個(gè)國家的具體抗震實(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)范小的條文 有的被列為強(qiáng)制性條文，有的條文屮用了 “嚴(yán)禁，不得，不

5、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)抗壓靜力試驗(yàn)是以靜力的方式模擬地is作用的試驗(yàn)。結(jié)構(gòu)抗震試驗(yàn)乂分為偽靜力試 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,成木低。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。1佃手動(dòng)加載口動(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

6、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力便對(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) 屮所必需的。目前常川的反力裝置主要有反力墻、反力支屎、門式鋼架、反力架和相應(yīng)的各 種組合載荷架。從加載方向來看，有豎向反力裝置和水平單向反力裝置，而后者乂包括同定式 反力墻、移動(dòng)式反丿J墻和移動(dòng)式反力支架。4.2單向偽靜力加載試驗(yàn)421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

7、加載就是在加載過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，幅值有從小到人變化的，也冇恒定的，當(dāng)然也有大小混合的。3）位移控制加載。力一位移混合控制加載: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)變得簡單。電液伺服試驗(yàn)系統(tǒng)主要 由以下兒個(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)換器町以釆川匯編語言、C語言或者是Basic語言編

8、寫;對(duì)于 結(jié)構(gòu)工程研究人員來說，整個(gè)過程采用高級(jí)語言編寫軟件進(jìn)行控制比較簡單。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。D前的恢復(fù)力模型有兩人類：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微分方程的形式來表示各個(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)

9、地震對(duì)結(jié)構(gòu)的作川不是試驗(yàn)屮那么單方向的，其實(shí)是多方向的，而且有很人的不確定性, 人暈的地震災(zāi)害調(diào)杳表明,水平雙向地震比單向地震對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的破壞作用要人很 多。這是因?yàn)椋粋€(gè)方向的損傷直接導(dǎo)致了另一個(gè)方向上構(gòu)件抗層性能的下降。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慧義的。由于結(jié)構(gòu)的彈鴉性變形特性與加載 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。山于大多加 載過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)算過程。對(duì)于一個(gè)離散的多口由度

10、結(jié)構(gòu)，其動(dòng)力方程可以寫成：Mx-Cx + Kx = -Mxs(1)其中,M,C,K分別為質(zhì)量矩陣、阻尼矩陣和剛度矩陣；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；血為地震時(shí)地而的加速度向量。為了能對(duì)式進(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)間步長為并只令恢復(fù)力P=Kx,地壓力 向量F=-M，方程(1)在某一時(shí)刻右的離散吋間動(dòng)力方程為：Mxi + CXj + 耳=Fj(2)擬動(dòng)力試驗(yàn)小一-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：2Ar(3)文產(chǎn)和一 2形+GAZ2程(2),經(jīng)整理得：(5)將式(3),式(4)代入離散

11、動(dòng)力方X/+1 = (M 4- y C)2Mxi + (y C - M )x/_1 -tPl-Fi)顯然式(5)中求第i+1步的位移反應(yīng)兀中只與恢復(fù)力Pj冇關(guān)，所以式的右端都是已知魚因此 中央差分法是一種顯式的方法。不過,在試驗(yàn)開始吋，結(jié)構(gòu)的反應(yīng)很小,最初的試驗(yàn)尚無結(jié)構(gòu)實(shí)測(cè)值，恢復(fù)力可釆用結(jié)構(gòu)的剛 度按P=Kx來計(jì)算。因此，試驗(yàn)的初始階段適合采川線性加速度法求解動(dòng)力方程，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，再使川試驗(yàn)實(shí)測(cè)恢復(fù)力Po線性加速度法是假定在厶和心之間，加速度按線性規(guī)律變化，經(jīng)過整理后，得出以下計(jì)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+竽叫為單位矩陣;卽弋+竽滬K：A,=M-xCtM-KA,=M-xK。5.2等效單自由度體系的擬動(dòng)力試驗(yàn)等效單自山度體系的擬動(dòng)力試驗(yàn)是対多自山度結(jié)構(gòu)體系的一種簡化試驗(yàn)方法，最初是山 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。這種方法主耍是基于如F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人時(shí)，剛度矩陣屮的主元素?cái)?shù)值可能達(dá)到 103kN/mm104kN/mm,而試驗(yàn)中位移測(cè)量設(shè)備的精度僅為103mm102mm,因此即使將位 移精確地控制在精度范圍里，載荷也將有1 kN10 kN的誤差;另外的原因是，多口由度結(jié)構(gòu)的 內(nèi)力分布很復(fù)雜且隨著時(shí)間

13、呈隨機(jī)變化，而且山于當(dāng)時(shí)加載器的性能有限，以及有關(guān)誤差的控 制方法還沒有建立，因此多口由度結(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,在這種悄況下，人們想到了用等效單自由度來代替進(jìn)行試驗(yàn)。該方法基于一個(gè)事實(shí):剛度 人的結(jié)構(gòu)體系在振動(dòng)過程小基本處于第一振型振動(dòng)狀態(tài)，所以等效單H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)在地震的作用卜將產(chǎn)牛破壞，但是破壞往往只是發(fā)牛在結(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)或者基木完好狀態(tài)，所以將容易破壞的具有復(fù)朵非線性特性的這個(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

14、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)幣體結(jié)構(gòu)動(dòng)力方程屮得到統(tǒng)一。這樣解決的問題是:1)人人地 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，它的最人特點(diǎn)是設(shè)備比較簡單，在逐 步加載屮可以讓試驗(yàn)人員有機(jī)會(huì)看清破壞的過程。對(duì)丁那些耍求不高的結(jié)構(gòu)來說，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。滲考文獻(xiàn)1朱伯龍結(jié)構(gòu)抗震試驗(yàn)M.北京:地襄出版& 1989.2姚謙峰.陳平.土木工程結(jié)構(gòu)試驗(yàn)M.北京:中國建筑工業(yè)出版社,2001:7. 陳們望，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):67-694王徳才擬動(dòng)力試驗(yàn)數(shù)值積分方法及子結(jié)構(gòu)擬動(dòng)力試驗(yàn)研究D.合肥:合肥工業(yè)人學(xué),2005.