第5篇 建筑结构抗震试验.pdf

第五篇建筑结构抗震试验 第一章地震 第一节地震的概念 地震是一种突发式的自然灾害。它是一种自然现象， 是地壳不断运动中的一种特殊 表现。大量事实说明， 地壳并不是静止不动的， 而是在地球的内力和外力作用下， 在漫长 的地质年代中连续地、 缓慢地变动着， 广大地区或在上升、 或在下沉、 或在倾斜， 使岩层处 在复杂的地应力作用之下， 随着地壳运动的连续变化， 地应力逐渐积累、 不断增大。当超 过某处岩层的强度极限时， 就要突然断裂和猛烈错动， 释放出大量的能量， 引起地壳的震 动， 这种震动以波的形式传到地表引起地面的颠簸和摇晃， 这就是地震。上述这种地震叫 做构造地震。局部岩层的塌陷或火山的喷发也引起地震， 则叫做陷落地震或火山地震， 这 两种地震不如构造地震造成的破坏大影响面广。据统计 “以上的地震属于构造地震。 一、 震源 地震的发源处称为震源。震源到地面的垂直距离称为震源深度， 如图 ， 震级每增加一级能量则增大 0 倍左右。一个 2 级地震释放出来的能量， 约相当于长 7056， 厚 8056 的岩层发生断裂、 错动释放出来的 能量。目前世界上纪录到的最高震级为 21“ 级 （“ 年日本） 。 级左右的称为有感地 震。 级以上就要引起不同程度的破坏， 统称为破坏性地震。’,） 的概念， 前者相应于在罕见的大地震中 能保障核电站的安全、 避免事故发生的抗震设计水平， 后者则是保证在发生频度较高的中 等地震影响下核电站能正常运行的设计地震动参数。在高层建筑和其它重要工程项目中 也有类似的标准， 但在概念上有些不同， 常用的有最大可信地震， 抗震安全评定地震和工 “ 建筑结构试验检测技术与鉴定加固修复实用手册 程抗震设计地震或工程分析地震。下面对这些概念分别作些说明。 （一） 最大可信地震 最大可信地震动通常被定义在工程场地周围地质构造环境中可以合理估计的最大地 震地面运动。这样大的地震在某些地区可能相应于几百年的重现期， 而在另外一些地区 也可能相应于几万年的重现期。一般情况下应该考虑几千年的重现期。最大可信地震的 确定包含着相当多的专家判断， 但是这些判断仅限于在地震地质和地震学家之间进行， 通 常他们是不考虑工程本身以及社会经济影响方面的问题的。 （二） 抗震安全评定地震 抗震安全评定地震是结构应该妮经受的最大地震。在活动性很强的地震区， 特别是 当工程场地离发震断层很近时抗震安全评定烈度应等于最大可信地震， 在一般情况下则 可以低于最大可信地震。在确定抗震安全评定地震时， 特别是当需要选择比最大可信地 震低的地震动水平作为抗震安全评定地需时需要考虑如下几个因素。 “ 在结构使用期内地震发生的频度和震级； “ 在不同地段发生不同频度和震级的地震影响下场区内的一般地震危险性； “ 与拟建工程有关的附加地震危险性， 失事和过渡破坏的后果以及补救能力； “ 社会及其代表人物能够接受的危险性水平； “ 结构的强度和延性变化， 特别是当暂态应力超过结构构件和单元强度时的后果； “ 第五篇建筑结构抗震试验 “ 可按受的破坏程度。 从上面所列举的因素中可以明显地看出应用于工程分析中的工程抗震设计地震动的 确定要求有强震地面运动的应， 材料特性， 分析方法， 设计方法等各方面的知识， 更重要的 还需具有不同类型结构在实际地震中的性状和设计指标的经验。为圆满地解决这方面的 问题， 地震专家和结构工程师的密切合作是必不可少的。 在某些情况下， 例如在用基于现场观测的经验方法估计液化势时， 工程抗震设计地震 应该与地震安全评定地震在数值上相一致， 因为这种方法本身就是从给定地震动水平的 现场调查经验中得来的； 反之， 当用弹性反应谱分析方法设计短周期钢筋混凝土结构时， 以上两种地震可以有很大的差别。这种差别决定于有经验的工程师小组的判断。事实 上， 即使是对同一个工程项目， 对具有不同的材料和结构形式的结构也可以分别采用不同 的设计地震。 工程抗震设计地震与抗震安全评定地震的差别还决定于采用什么样的抗震设计方 法。通常所用的方法愈先进， 两种水平的地震动就愈接近。当选择拟静力方法进行设计 时， 工程抗震设计地震往往可用侧力系数来表示， 其取值可以比由抗震安全评定地震确定 的值小得多。此法往往采用 “ “ “ ’ 疲劳试验机控制加载。 图 “ “ , * 预应力锚具产品质量， 在重复荷载作用下进行预应力钢绞线锚具 组合件的疲劳性能试验。 “ 建筑结构试验检测技术与鉴定加固修复实用手册 一、 试件设计 预应力钢绞线锚具组合试件选用型号为 “ 3， 相应荷载值为 145 ’**67， 取试验应力下限为 4 就是采用此方法 进行拟动力实验的。具体过程是由 “时刻的测量位移和测量力计算刚度 1， 然后由式 （ * * 5） 计算出位移增量， 再由式 （ * * ） 、（ * * ） 求出加速度增量 ） 计算。从式 （. 7 /7） 和 （. 7 /） 可以看到， 实验子结构的位移 4 0 1是显式的， 而计算 子结构的位移 4“ 0 1是隐式的， 上述这种方法称为 “ ’* 方法。 直接从 ’* 法出发也可以导出一种隐 显式组合的数值积分方法。首先 将整体结构动力方程写成形式 0 10 “ 0 10 0 10 3“4 0 10 0 15 6 0 1（. 7 /） 式中 5 “0 ， 3 5 3“0 3 根据 ’* 法的位移和速度表达式， 经过进一步分解重组后可以得到表达式 4 0 15 40920 / /（1 / ） （. 7 /） “ 第五篇建筑结构抗震试验 “ ““ （ “ ） （’ *） “ “ ““, “ （’ ） “ “ “““ “ （’ ,） 因为式 （’ ,-） 和 （’ *） 是预测位移和预测速度， 而式 （’ ） 和 （’ ,） 是校正位移和速度， 是在每一个时间离散点的最后数值， 所以将这种方法称为预测 校正 ./0123 （45 ./0123） 法。如果按式 （’ ） 考虑进行拟动力实验， 由于它是隐式 的， 仍无法使用； 但是如果按式 （’ ,） 考虑进行拟动力实验则是可行的， 即认为预测 位移就是拟动力实验中试件所需达到的目标位移， 而校正位移只用于下一步的预测位移 计算。假设第 步的数值已经得到， 实验过程是先由式 （’ ,-） 计算出预测位移 “ ， 然后将 “ 中与实验子结构对应的位移量 6 “ 在试件上实现， 同时测量试件的恢复力形 成 2 “ ， 再由式 （’ ,7） 、 （’ *） 、（’ ） 和 （’ ,） 计算出 “ 、 “ 、 “ 和 “ ， 为下一步实验计算提供数值。所以， 预测值是用于实验的， 而校正值只是用 于计算的。这种预测 校正 ./0123 法的实验流程图示于图 ’ ,,。 图 ’ ,,预测 校正 ./0123 法拟动力实验算法流程图 三、 多维拟动力实验方法 （一） 多维地震问题 就象多维拟静力加载实验方法一样， 多维拟动力实验方法的重要意义是不言而喻的。 首先， 实际的地震动是多维的， 不仅存在平动分量， 而且也存在转动分量； 其次， 大量的震 害调查和实验结果也表明， 结构在多维地震作用下的破坏比一维地震作用的破坏更严重， “ 建筑结构试验检测技术与鉴定加固修复实用手册 受力状态也更复杂。到目前为止还没有很好地建立起多维地震动下结构非线性反应的动 力分析方法以及恢复力模型。即使在双水平向地震作用下， 一个方向的地震作用也直接 影响到结构另一个方向的变形和受力特征。因此， 即使在结构完全对称情况下， 双向地震 作用也可能造成结构的扭转振动， 这种复杂的受力特征加速了结构的变形， 并会进一步导 致结构的失稳和倒塌。也正是由于这些复杂问题的存在， 实验这种作为人们展示物理规 律的最直接手段才显得更为重要。 与地震模拟振动台相比， 多维拟动力实验设备的地震模拟能力还有一定的差距， 目前 的地震模拟振动台已经具有可以进行空间六个自由度方向的地震模拟能力， 而拟动力实 验只达到了水平双向的能力， 国内外开发和进行的多维拟动力实验目前都是限于水平双 向的。当然， 由于拟动力实验可以进行大型结构地震模拟实验的优势仍是其它方法无法 比拟的， 这也是它获得发展的重要原因。 （二） 实验方法与控制原理 双向拟动力实验方法与一维拟动力实验方法在原理上是类似的， 但由于是双向加载， 所以存在着两个方向的加载作动器的同步加载以及协调、 稳定等问题， 因此在控制方法上 也较为复杂一些。 设多质点结构体系在 和 “ 两个水平方向受到地震动 和 的作用， 结构的动力 方程可以写成 “ ’ “ （* ,,） “ - - ’ “ - （* ,） 式中， “ 为质量矩阵， 和 为 和 “ 方向的阻尼矩阵， ’和 ’为 和 “ 方向的 恢复力向量。采用比较简单的中央差分法， 在 和 “ 方向分别有 . / . / （* ,*） . . / （* ,0） - - . /- - . / （* ,1） - - . - . / （* ,2） 将式 （* ,*） 3 （* ,2） 分别代入式 （* ,,） 和 （* ,） ， 整理可得 .“ / . /“ / “ ./ （’ “ [] ） （* ,4） - .“ / . /“- / “ - ./ （’ “ - [] ） （* ） 根据式 （* ,4） 和 （* ） 可以建立双向拟动力实验的控制流程图 （图 * /, 所 “ 第五篇建筑结构抗震试验 示） 。 图 “ “ 双向拟动力实验流程框图 双向拟动力实验由于存在两个方向的互相耦合问题， 所以也存在类似多维拟静力加 载实验的修正问题； 由于位移直接从试件测量得到， 所以位移只是单一方向的分量； 而恢 复力由加载作动器上的力传感器测得， 存在着另一方向的耦合分量， 那么可以用第二章的 公式进行修正。一般情况下由于加载位移比较小， 恢复力可以不作修正直接使用。另外， 子结构技术在双向拟动力实验中仍可以应用， 其方法与前述子结构拟动力实验的应用是 完全相同的。 （三） 考虑扭转情况的拟动力实验方法 结构在地震作用下不仅发生平动， 而且还会发生转动。引起结构扭转振动的主要原 因有两个 一是地面运动本身就存在转动分量； 另一个原因是结构自身的质量中心与刚度 中心不重合， 存在偏心。通常情况下由于扭转振动的存在， 结构的地震破坏可能加重。这 里仅仅考虑结构存在偏心， 输入的地震波仍然是两个水平方向的。 考虑扭转情况的拟动力实验比双向拟动力实验要复杂一些， 设多层结构的楼层刚度 很大可视为刚片， 则每一层楼板具有两个平动和一个转动共计三个自由度， 整体结构的动 力方程可以写成 ’ “’ *“ “ ’ , （ “ “ -） . . * “ . , （ “ “ ） / 0 , （ “ “ ） 中央差分法对于扭转情况仍然可以应用， 为了方便起见， 下面以图 “ “ 所示的 “ 建筑结构试验检测技术与鉴定加固修复实用手册 单层框架结构为例说明具体实验过程。 图 “ “ 多维拟动力实验的试件变形 根据图 “ “ 中试件变形的几何关系， 质心位移和转角与加载点的位移之间的关 系为 “ “’ “ （ “ “ ） （ “ “ ） “’ “ （ “ “ ） “ （ “ “ *） 试件在 和 两个水平方向受到的力和扭矩为 ’“ ’“’ ’“（ “ “ ） ’ ’ ’ （ “ “ ,） （’“’“ ’“ ） （’ “ ’ ） “ （ “ “ -） 计算中控制的变量是质心位移 “ 、 和转角， 而实际加载过程控制的是位移 “’、 “ 、 和 。实验过程是由方程 （ “ “ ’） . （ “ “ ） 计算出结构的质心位移 “、 和转角， 然后由式 （ “ “ ） . （ “ “ ） 求出位移 “’ 、 “ 、 和 ， 接着在试 件上实现位移 “’ 、 “ 、 和 ， 最后通过式 （ “ “ ） . （ “ “ -） 可以得到结构的 恢复力和扭矩。 最后通过式 （ “ “ ） . （ “ “ -） 可以得到结构的恢复力和扭矩。 “ 第五篇建筑结构抗震试验 第六节天然地震结构动力试验 一、 试验所需技术资料 在地震频繁地区或高烈度地震区， 结合房屋结构加固， 有目的地采取多种方案的加固 措施， 当发生地震时， 可以根据震害分析了解不同加固方案的效果。这时， 虽然在结构上 不设置任何仪表， 但由于量大面广， 所以也是很有意义的。此外， 也可结合新建工程， 有意 图地采取多种抗震措施和构造， 以便发生地震时可以进行震害分析。应该指出， 作为天然 地震结构动力试验的房屋结构， 尚须具备必要的技术资料， 具体如下 “ 场地土的土层钻探资料； “ 试验结构的原始资料， 包括竣工图纸、 材料强度、 施工记录； “ 房屋结构历年检查及加固改建的全部资料， 包括结构是否开裂、 裂缝发展情况等； “ 本地区的地震记录。 自从唐山地震以来， 我国一些研究机构已在若干地震高烈度区有目的地建造了一些 房屋， 作为天然地震结构动力试验的对象。 一次破坏性的地震乃是一次大规模的真型结构动力试验， 最重要的是应该做好地震 前的准备工作和地震后的研究工作， 以便取得尽可能多的资料。 地震发生时， 以仪器 （强震仪） 为观测手段， 观测地面运动的过程和建筑物的动力反 应， 以获得第一性资料的工作， 称为强震观测。 强震观测的任务如下 （） 取得地震时地面运动过程的记录 地震波， 为研究地震影响场和烈度分布规律 提供科学资料； （） 取得建筑物在强地震作用下振动过程的记录， 为结构抗震的理论分析与试验研究 以及设计方法提供客观的工程数据。 天然地震结构试验的仪器最好布置在结构的地下室或地基上， 测量地震时的地面运 动， 同时在结构上部安置一些仪器以测量结构的反应。 二、 天然地震试验场 天然地震试验场是为了观测结构受地震作用的反应而建造的专门试验场地， 在场地 上建造试验房屋， 这样可以运用一切现代化的手段取得结构在天然地震中的各种反应。 日本东京大学生产技术研究所在千叶的试验基地建成了世界第一个 “弱结构地震反 应观测体系” 。 整个设施由四个弱结构模型和一个观察塔组成。所谓 “弱结构” 模型只有梁、 板、 在组 成， 而无围护结构， 它的强度只有通常房屋的一半， 只要发生中等烈度的地震， 模型即可能 产生相当的震害而破坏。 观察塔是一坚固的钢筋混凝土八角形塔状建筑 （见图 ’ ’ ） ， 其直径为 ， 地上 “ 建筑结构试验检测技术与鉴定加固修复实用手册 图 “ “ 观察塔的结构平面及剖面图 部分高 ’， 地下部分深度为 ’。观察塔位于试验场的中央， 四周有许多观测窗， 在 塔的第二和第四层设有录像和照相装置， 当地面运动加速度达到一定量级时， 即可触发启 动测试装置， 使它们进入工作状态， 从而获得在观察塔周围弱结构模型的实际地震响应和 破坏情况。在观察塔基础下安装了 个压力计， 用以测量结构与土壤接触面上的应力和 变形， 在观察塔每一层楼板上安装了 个加速度计。此外， 在建塔前对基础下的地基土 的动力特性进行了实测， 这样， 在地震发生后可以研究塔和地基土在地震时的共同作用。 在第三层安装了一台三向减震装置， 用以研究对精密仪器的减震效果。 四个弱结构模型是两个五层钢筋混凝土结构和两个三层钢结构。 （*） 强梁弱柱型（） 强柱弱梁型 图 “ “ ,钢筋混凝土框架模型 钢筋混凝土框架模型为五层单跨单开间的梁板柱结构， 层高仅 ， 大体为实际结构 的 - . -。模型有两种 强梁弱柱和强柱弱梁 （图 “ “ , （*） ，（） ） 。强梁弱柱型 梁 “ 第五篇建筑结构抗震试验 的截面为 ““ ““， 上下各配 “ 主筋； 柱的截面为 ““ ““， 配有 ’ 主筋。强柱弱梁型 梁的截面为 ““ “， 上下各配 ’ 主筋； 柱的截面为 “ “， 配有 “ 主筋。混凝土强度为 * ， 主筋强度为 ““,-.。 钢结构框架模型也分为两类 一类是无支撑的钢框架模型 （图 / / 0） ， 这类模型 的混凝土楼板厚度为 ““， 柱为 1 / ’2 3 的型钢， 梁为 1 / ““ ““ 2 4； 另一类是有 5 型支撑的钢框架模型 （图 / / 4） ， 它的混凝土楼板厚度为 ““， 柱为 1 / ““ “ 0， 梁为 1 / “ 0 ’ ’， 支撑为 -6 / ’ “。所有钢 材的强度为 “ * 。 图 / / 0无支撑钢框架模型 图 / / 4有支撑钢框架模型 在上述模型中各层都设置了三向加速度计和双向水平位移计， 在型钢和混凝土内的 主筋上都贴有应变计， 用 ’ 通道的磁带记录仪记录。因此， 整个天然地震试验场约有 ““ 个测点的数据在地震时输送信息给中央处理机。 “ 建筑结构试验检测技术与鉴定加固修复实用手册 由于东京经常有小震发生， 平均每两周有一次。当地下 “ 深处有超 “’的加 速度时， 整套设备就开始工作。几年来， 已经收到了大量的数据。到 * 年底， 最大的一 次地面运动加速度峰值约为 *“’。 东京大学千叶试验基地尚有一化工设备天然地震试验场， 试验对象是罐体实物， 建于 , 年。在陆续经受地震考验中， 取得了不少数据。,, 年 月的地震， 加速度峰值 ““’， 曾使罐体的薄钢壁发生压屈， 为化工设备的抗震提供了实测的地震反应资料。 “ 第五篇建筑结构抗震试验