结构动力特性分析

第七章 结构动力特性分析
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 第六节 结构抗震试验方法简介 动力性能的一般特性 基本构件的动力特性 整体结构的动力性能 恢复力曲线模型 系统识别理论
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第一节 结构抗震试验方法简介
结构抗震试验的主要任务是构件或结构的动 力破坏机理与破坏特征， 力破坏机理与破坏特征，确定结构的动力特 为结构的动力理论模型提供基础。 性，为结构的动力理论模型提供基础。 结构试验主要类型有：自振特性试验、 结构试验主要类型有：自振特性试验、周期 性反复静力加载试验、 性反复静力加载试验、振动台试验和拟动力 试验。 试验。
2、共振法（振动荷载法）
功率 放大器 信号 发生器 拾振器
激振器 试 件 频率仪
放大器 放大器 放大器 放大器
记录仪 相位计
共振法测量原理框图
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参数测定
共振时的 振动图形和共振曲线 衰减系数：
η =
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ω1 − ω 2
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由共振曲线 求阻尼系数和阻尼比 阻尼比：
实用的方法通常有三种： 实用的方法通常有三种： 1、自由振动法 2、共振法 3、脉动法。 脉动法。
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动力特性测定
1、自由振动法
自由振动法利用阻尼振动衰减原理求取自振 特性。 特性。 该法借助一定的张拉释放装置或反冲激振器 使结构在一定的初位移（或初速度） 使结构在一定的初位移（或初速度）状态下 开始自由衰减振动，通过记录振动衰减曲线， 开始自由衰减振动，通过记录振动衰减曲线， 便可利用动力学理论求出自振周期。 便可利用动力学理论求出自振周期。 自振衰减曲线上两个相邻波峰之间即等于结 构自振周期。 构自振周期。
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二、周期性反复静力加载试验
拟静力试验： 拟静力试验：周期性加载是指按一定的力或位移 周期性地反复或重复加载。 周期性地反复或重复加载。 拟静力试验始于50年代后期、 50年代后期 拟静力试验始于50年代后期、为确定构件和结构 的恢复力模型进行的。 的恢复力模型进行的。根据试验所得的荷载位移 关系曲线反映结构耗能能力的强弱， 关系曲线反映结构耗能能力的强弱，观察并研究 结构破坏机理。 结构破坏机理。 拟静力试验加载试验装置的基本组成部分为：反 拟静力试验加载试验装置的基本组成部分为： 加载试验装置的基本组成部分为 力装置,加载器,试验台座。 力装置,加载器,试验台座。
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三、振动台试验
60年代末，先后在日本、 60年代末，先后在日本、美国开展振动台的 年代末 研制和试验。我国在60 70年代 60～ 年代， 研制和试验。我国在60～70年代，建造部分 侧重于进行正弦波振动试验的振动台，80年 侧重于进行正弦波振动试验的振动台，80年 代建造了一批大、 代建造了一批大、中型地震模拟振动台 试验目的：了解结构抗震性能、破坏机制、 试验目的：了解结构抗震性能、破坏机制、 验证计算模型的正确性 振动台组成：台体、激振器、控制系统、测 振动台组成：台体、激振器、控制系统、 量记录系统、数据处理系统等部分。 量记录系统、数据处理系统等部分。
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四、拟动力试验
地震模拟振动台试验由于台面尺寸和承载能力的限制， 地震模拟振动台试验由于台面尺寸和承载能力的限制，只能 进行小比例模型的试验，且彼此配重不足， 进行小比例模型的试验，且彼此配重不足，不能很好满足相 似条件，特别是进入弹塑性阶段工作时，更不可能满足相似 似条件，特别是进入弹塑性阶段工作时， 条件，导致地震作用破坏形态失真； 条件，导致地震作用破坏形态失真；拟静力试验只能得到构 件或结构在反复荷载作用下的恢复力滞回特性， 件或结构在反复荷载作用下的恢复力滞回特性，不能得到结 构地震反应全过程； 构地震反应全过程；而拟动力试验则是加载试验技术与计算 机技术相结合的当代先进的抗震试验方法， 机技术相结合的当代先进的抗震试验方法，可以进行大比例 模型或足尺结构抗震试验， 模型或足尺结构抗震试验，可慢速再现结构在地震作用下的 弹性一弹塑性一倒塌全过程反应， 弹性一弹塑性一倒塌全过程反应，这是具有广泛发展前途的 抗震试验方法。 抗震试验方法。
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三、振动台试验
交通银行大厦 振动台试验
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三、振动台试验
试验四个过程：结构自振特性的标定、 试验四个过程：结构自振特性的标定、线性 阶段的试验、 阶段的试验、非线性阶段的试验和极限破坏 试验。 试验。 技术难点在于如何处理试验模型与原型的相 似关系问题。 似关系问题。 一般采取增加附加质量的方法来满足密度相 似要求。 似要求。
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动力特性测定
1、自由振动法
器 结 构 物 盒 器 放大器 桥 器
自由振动衰减量测系统
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有阻尼自由振动的运动方程：
x (t ) = x m e −η t sin( ω t + ϕ )
时 间 历 程 曲 线
αn αn 1 ln = η T ； η = ln ； α n +1 T α n +1 η —衰减系数 ζ —阻尼比
图8-2 控制位移的等幅加载制度图
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图8-3 控制位移的变幅等幅混合加载制度
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二、周期性反复静力加载试验
2）控制作用力加载法 控制作用力的加载制度如图8 1(b)所示 所示。 控制作用力的加载制度如图8-1(b)所示。 3）控制作用力和控制位移的混合加载法 混合加载法是先控制作用力，一直加到屈服荷载， 混合加载法是先控制作用力，一直加到屈服荷载，再用位 移控制。从转变为控制位移加载起，即按屈服位移值的倍数μ 移控制。从转变为控制位移加载起，即按屈服位移值的倍数μ 值控制，直到结构破坏。 值控制，直到结构破坏。
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二、周期性反复静力加载试验
大型结构试验反力墙设备
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二、周期性反复静力加载试验
1．静力试验加载制度的分类 ． （1）单向反复加载 ） 1）控制位移加载法 ） 又可分为变幅加载、等幅加载和变幅等幅混合加载等方法。 又可分为变幅加载、等幅加载和变幅等幅混合加载等方法。 a．变幅加载 ． 控制位移的变幅加载如图8-1(a)所示。 所示。 控制位移的变幅加载如图 所示
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四、裂面效应与包兴格效应
循环往复加荷荷载变位曲线的另一特点是屈 服后反向加载时应力可能明显降低， 服后反向加载时应力可能明显降低，这一现 象称之为包兴格效应。 象称之为包兴格效应。
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四、拟动力试验
输入地面运动加速度，计算下 一步的位移值，位移值的转换， 量测恢复力及位移值，由数据 采集系统进行数据处理和反应 分析。整个试验工作的流程是 连续循环进行的，全部由计算 机自动控制操作。拟动力试验 具有以下特点：拟动力试验在 整个数值分析过程中不需要对 结构的恢复力特性作任何假设， 这对于分析非线性的系统性能 特别有利。
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（a）控制位移 ） （b）控制作用力 ） 图8-1 伪静力试验低周反复加载制度
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二、周期性反复静力加载试验
b．等幅加载 ． 控制位移的等幅加载如图8-2所示 所示： 控制位移的等幅加载如图 所示： c．变幅等幅混合加载 ． 混合加载制度是将变幅、等幅两种加载制度结合起来， 混合加载制度是将变幅、等幅两种加载制度结合起来，如 所示。 图8-3所示。 所示
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自 由 振 动
αn 1 η = ln ζ = ω 2π α n +1
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自振频率：即基本周期的倒数。
2、共振法
共振法采用能产生稳态简谐振动的起振机或激振 器作为振源。 器作为振源。 实验时，把激振器安装在结构适当位置， 实验时，把激振器安装在结构适当位置，当逐渐 加大激振器的输出力量时 量时， 加大激振器的输出力量时，可以迫使结构产生周 期性的强迫振动。 期性的强迫振动。 在一定输出力量下，逐渐改变激振器的激振频率， 在一定输出力量下，逐渐改变激振器的激振频率， 则可促成结构的共振反应。 则可促成结构的共振反应。 通过测量结构振动反应的幅值， 通过测量结构振动反应的幅值，可以得到共振曲 线和振型曲线。 线和振型曲线。 通过对共振曲线的分析， 通过对共振曲线的分析，可以获得结构的自振频 2011-11-18 8 率和振型阻尼比
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第二节 动力性能的一般特性 一、动力弹性模量与动力极限强度 二、恢复力曲线 三、强度退化与刚度退化 四、裂面效应与包兴格效应
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一、动力弹性模量与动力极限强度
结构材料承受动荷载时的性能与承受静荷载时 的性能往往有较大的差别。 的性能往往有较大的差别。 动力弹性模量高于静力弹性模量。 动力弹性模量高于静力弹性模量。 动力极限强度也高于静力极限强度。 动力极限强度也高于静力极限强度。
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四、拟动力试验
拟动力试验（ 又称为伪动力试验或计算机拟动力试验 （ 又称为伪动力试验或计算机 加载器联机试验） 加载器联机试验），即是指计算机与试验机 联机对试件进行加载试验。 联机对试件进行加载试验。 拟动力试验：把电液伺服试验装置与计算机 拟动力试验： 控制系统结合起来， 控制系统结合起来，利用加载试验给出结构 恢复力的实际数据， 恢复力的实际数据，利用计算机数值分析技 术给出加载试验的逐步控制数据， 术给出加载试验的逐步控制数据，为原型结 构模拟地震试验。 构模拟地震试验。
ζ = η ω0
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用共振法测建筑物振型
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3、脉动法
脉动：由于人为活动和自然环境的影响，建筑物 在一般情况下都经常产生微幅振动（振动以微米 计）。这种微幅振动称之为建筑物的脉动。 脉动法：是通过测量建筑物的脉动反应波形来确 定建筑物的动力特性。 脉动信号的功率谱峰值对应着结构的固有频率。
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源自文库 二、恢复力曲线
滞回曲线： 滞回曲线 ： 结构或构件在 力循环往复作用下得到的 --变形曲线 变形曲线。 力--变形曲线。 骨架曲线： 骨架曲线 ： 滞回曲线的外 包络线。 多数情况中， 包络线 。 多数情况中 ， 骨 架曲线与单调加载的力－ 架曲线与单调加载的力 － 变形曲线基本一致。 变形曲线基本一致。 恢复力曲线： 恢复力曲线 ： 滞回曲线与 骨架曲线合称为恢复力曲 线 ， 它表示构件或结构的 变形履历过程。 变形履历过程。
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四、裂面效应与包兴格效应
裂面效应即裂面接触效应， 裂面效应即裂面接触效应 ， 也就是在反复荷载下的钢 混材料， 开裂的砼再受压 混材料 ， 时 ， 具有裂面局部接触以 传递压力的效应。 传递压力的效应。 造成裂面效应的根本原因 是在裂面重新受压时， 是在裂面重新受压时 ， 骨 料咬合作用使裂缝在完全 闭合之前就已传递较大的 压力。 试验指出， 压力 。 试验指出 ， 裂缝越 裂面接触效应越显著。 宽 ， 裂面接触效应越显著 。
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第一节 结构抗震试验方法简介（续一） 结构抗震试验方法简介（续一） 一、自振特性试验 二、周期性反复静力加载试验 三、振动台试验 四、拟动力试验
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一、自振特性试验
自振特性试验以获取或确定结构的 自振周期、振型和阻尼为目的。 自振周期、振型和阻尼为目的。
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三、强度退化与刚度退化
在循环往复荷载作用 下 ， 当保持相同的峰 点位移时， 点位移时 ， 常常出现 峰值荷载随循环次数 增多而降低的现象， 增多而降低的现象 ， 称作强度退化。 称作强度退化。
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三、强度退化与刚度退化
当保持相同的峰值荷载 时，峰点位移往往随循 环次数增加而增加， 环次数增加而增加，称 作刚度退化。 作刚度退化。 退化性质反映结构累积 损伤的影响， 损伤的影响，是结构动 力性能的重要特性之一。 力性能的重要特性之一。
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二、恢复力曲线
恢复力代表构件或结构 在外荷载去除后恢复原 来形状的能力。 来形状的能力。 循环往复加载：正向加 载 -- 卸 载 -- 反 向 加 载 -反向卸载---再正向加载 反向卸载--再正向加载 重复加载： 加载-- 卸载--卸载 重复加载 ： 加载 -- 卸载 -再加载