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第五章 结构抗震试验第五章 结构抗震试验结构抗震实验是研究材料、构件、结构体系抗震相关性能及其影响因素的试验。结构抗震试验广泛用于各类房屋、土体以及反应堆、大坝、桥梁、海洋平台等重大工程和各类设备的抗震研究，是获得地震工程知识的基本途径之一；其实施涉及多学科知识的综合运用，其中主要包括结构力学和结构动力学、土木工程、机械工程、传感器和信号处理技术、量纲分析和模型相似律等。抗震试验的目标抗震试验的目标（1）测定结构体系的自振频率、振型和振型阻尼比等模态参数；（2）测定结构构件的恢复力特性，即力-变形滞回曲线，确定刚度、强度、延性和耗能能力；（3）研究结构体系的地震反应、破坏机理和破坏特征，如地震反应的大小和分布、破坏形态和结构体系的薄弱环节等；（4）验证抗震构造体系、抗震构造措施、抗震鉴定加固方法和振动控制体系的可行性和有效性；（5）验证抗震理论、结构地震反应分析方法、结构振动控制算法等的可靠性和适用性。结构抗震试验的实施程序结构抗震试验的实施程序（1）确定研究目标和试验方法，含试验目的、试验设备和试件的采用、需要测量的物理量等；（2）荷载施加，含与试验设备相关的荷载施加方式和加载规则等；（3）测点布置和数据采集，含各类传感器和数采设备的采用、测点数量的选择；（4）数据分析，含测试数据的常规处理和特殊分析。主要试验方法的比较主要试验方法的比较项目自由振动试验强迫振动试验脉动试验伪静力试验伪动力试验振动台试验输入初位移或脉冲谐波等环境振动往复荷载地震动地震动等地震动模拟不能不能不能不能能能模态参数测定能能能不能一般不能能滞回曲线测定不能一般不能不能能能一般不能地震反应测定不能不能不能不能一般不能能试验设备较简单较复杂最简单较复杂复杂最复杂试验费用低低最低较高最高最高伪静力试验伪静力试验伪静力试验是以预先设定的荷载或位移控制模式对试体进行低频往复加载，旨在获得试体的荷载-变形特性（本构关系）的结构抗震试验。伪静力试验亦称拟静力试验、往复加载试验或恢复力特性试验，是结构或构件抗震性能研究中应用最广泛的一种准静力试验方法。滞回曲线滞回曲线滞回曲线反映了试件的刚度、强度、变形及耗能特性，是确定结构本构关系和进行结构地震反应分析的依据。滞回曲线是伪静力试验得到的结构、构件或材料试件的荷载-变形曲线，又称恢复力曲线。滞回曲线中的荷载可以是弯矩或力，相应变形则为转角和位移。骨架曲线开裂荷载Fc 屈服荷载Fy极限荷载Fu 破坏荷载割线刚度Ki 延性系数能量耗散系数EABCDEFFi-FiKiOXi-XiG位移荷载自由振动试验自由振动试验试验结构拉伸缆绳突然剪断(a)试验结构火箭筒(b)突然抽出千斤顶试验隔震房屋(c)试验结构重锤(d)自由衰减振动曲线自由衰减振动曲线1()ln 2()A tA tT=+幅值0时间tAe-tT A(t)A(t+T)强迫振动试验强迫振动试验强迫振动试验是持续扰动作用下结构体系的振动试验。地震工程中广义的强迫振动试验包括谐波激振试验、结构脉动测试试验、地震动输入试验和连续爆破试验等；本节所述强迫振动试验属于狭义范畴，意指使用机械式偏心起振机、电磁式激振器或液压伺服装置等激振设备、对试验结构施加简谐扰动的试验。此类试验广泛应用于各类房屋和高塔、储罐、水坝、桥梁、码头、海洋平台等构筑物，旨在检测结构的动力特性；在激振设备出力甚大时，亦可检测结构极限承载能力、抗震性能以及破坏模式等。机械式偏心起振机大坝(c)拍波试验拍波试验拍波试验 是输入正弦拍波进行的结构强迫振动试验。正弦拍波是调制的正弦波，其频率应为试验结构的自振频率，以期产生共振效应，其幅值A被一个长周期正弦波所调制。拍波的每个拍中，一般包含510个同频循环；每次试验中一般接续输入5个拍，各拍之间应有足够的时间间隔（至少2 s），总持续时间可达100 s左右。正弦扫描试验正弦扫描试验正弦扫描试验是输入频率接续变化的多段等幅正弦波进行的结构强迫振动试验。当某段扫描波的频率与结构自振频率相同时，将激起结构的共振，故正弦扫描试验又称共振频率试验或扫频试验，其目的是测定结构自振频率及相应的振型阻尼比。基于正弦扫描试验得出的结构强迫振动反应时间过程，可计算相应的谱曲线，由谱曲线可确定结构的自振频率和阻尼比。机械起振机机械起振机oommeFFP电磁激振器电磁激振器顶杆弹簧片永久磁铁芯杆动圈接线插头弹簧片振幅频率曲线振幅频率曲线振幅p1p3p2扰力频率p第一共振峰第二共振峰半功率点法半功率点法21r2=脉动试验脉动试验应用高灵敏度振动测量仪器在微弱环境扰动（风、海浪、车辆等随机干扰）作用下测试场地或结构的动力特性的抗震试验。脉动试验应在无重大环境干扰（如重载车辆行驶、机械振动等）的条件下进行，应有足够长的采样时间（至少要持续几分钟），并对测量数据进行多段平均处理分析。在测试结构脉动响应的试验中，传感器应置于结构主体受力构件上，并避开低阶振型的节点；在测试场地地脉动信号时，传感器应直接置于土层上。人工地震试验人工地震试验利用人工激发地震动进行的现场试验。山体开挖、采矿、化学爆破、地下核爆等均可引起地震动；锤击地面、重载车辆行驶或使用可控震源设备（如移动震源车、便携式可控震源、起振机和气枪等）亦可激发地震波。在科学技术探测中，化学爆炸和可控震源是产生人工地震的常用手段，后者是非破坏性的人工震源。人工地震试验常用于地震断层探测、地壳结构探测、地震动衰减研究和地震监测台网的检测，在工程地质勘察、探矿和人工振动采油技术研究中亦有应用。振动台试验振动台试验振动台试验是利用振动台装置进行的结构强迫振动试验，是地震工程研究中最重要的实验手段之一。输入正弦谐波和随机波的振动台试验起源于20世纪40年代，用于测试结构的动力特性；60年代地震模拟振动台试验开始实施，可输入强地震动记录、人造地震动时间过程、正弦波、正弦拍波、正弦扫描波和随机波（如白噪声和过滤白噪声）等。地震模拟振动台试验的试体含各类建筑物和构筑物（如房屋、桥梁、大坝、核反应堆安全壳等）以及设备的原型或模型。通过地震模拟试验，可以测定结构的动力特性，研究结构震害机理，验证地震反应分析方法、结构本构模型、结构抗震加固技术、结构振动控制技术和控制算法、健康诊断技术系统以及模型相似理论；可以检验实际工程和设备的抗震能力，为地震工程、结构控制、健康诊断的理论发展和工程应用提供科学的试验数据。试验步骤试验步骤（1）试件准备和安装。根据试验目的和振动台设备的能力选用或制作试件。试件应适应振动台的尺寸、频响特性、出力和承载能力，并满足试验目标和相关技术标准的要求。（2）测点布置和数据采集。根据试验目标选择所需各类传感器，如加速度计、位移计、应变计等，传感器在试验前应进行标定，技术指标应满足试验要求。（3）试验加载。应根据试验要求和相关技术标准选择相应的振动台输入方式。地震模拟试验前一般应采用正弦扫描试验、白噪声激振试验等测试试体的模态参数。拍波试验的输入应根据试体自振频率做成。地震模拟试验中的地震动输入要根据试验要求和模型相似率进行加速度峰值和频率的调整。（4）试验观测和资料处理。目视观测是试验中的重要环节。试体裂缝的出现、裂缝的形态和数量是判别结构抗震薄弱环节、破坏模式和破坏程度的重要标志，应由经验丰富的试验人员进行观察并以摄影或摄像方式予以纪录。试验观测还应关注试验是否正常进行，试体、传感器是否发生异常或故障；实测数据是试验的重要成果和进行后续深入分析的基础，应根据技术标准进行试验数据的常规处理。振动台试验的局限性振动台试验的局限性受振动台尺寸和承载能力的限制，只有少数结构能进行原型试验或足尺模型试验。缩尺模型试验难以严格满足相似律的要求，尤其在采用小比例尺模型（如小于1:5）的情况下，因模型材料、施工工艺和尺寸效应的影响，模型性态可能与原型有较大差异。另外，振动台试验中试件与台面的连接也难以模拟实际结构的真实边界条件，涉及地基的液化和土结相互作用的模拟是难以实现的。地震模拟振动台试验中进行强度逐步增加的多次加载，在试体发生非弹性性状后将产生损伤累积效应；此时，最终高强度地震动作用下的试件性态，将与试件一次经受该强度地震动的性态存在差异。上述问题有待解决，至少应在试验结果的解释中予以考虑。电液伺服地震模拟振动台电液伺服地震模拟振动台液液压压振振动动台台工作原理工作原理伪动力试验伪动力试验伪动力试验是往复加载试验和结构地震反应逐步积分方法在线结合的结构抗震试验，亦称拟动力试验、杂交试验或联机试验。伪动力试验可用于原型结构、模型结构、子结构和构件的抗震性能试验，确定试件的力-变形滞回曲线，亦可近似模拟在给定的地震输入下结构或构件的地震反应，研究和验证结构地震破坏机理、破坏特征、抗震能力和抗震薄弱环节。伪动力试验技术流程框图伪动力试验技术流程框图伪动力试验步骤伪动力试验步骤确定试验对象和试验目的；设计能够反映试验对象动力性能和满足试验目的的试件；制作并安装试件，模拟实际结构的静荷载和边界条件，缩尺模型应满足相似律；根据试验要求建立试件的计算模型，输入特定地震动积分运动方程，对试件加载；观察并记录试件性态，如试件相对变形与损伤；评价试件抗震性能和抗震能力，当接续输入由小到大多次地震动时，应考虑累积损伤效应；分析设计施工方法、构造体系、材料、结构动力特性、地震动特性和场地条件等因素对结构抗震能力的影响，得出涉及试验目的的结论。伪动力试验装置伪动力试验装置土动力试验土动力试验土动力试验是利用专门仪器测量土在动荷载作用下的变形特性、耗能特性、孔隙水压力特性及强度特性的实验。土动力试验结果可定性和定量揭示土的动力性能，是研究土的动力性能和测试土的动力学特性指标的主要手段，是建立土动力模型的基础。常规的土动力试验设备有动三轴仪和共振柱试验仪。此外还有动剪切仪和动扭剪仪等。土工离心机振动台是振动台与离心机相结合的土动力试验装置。土动力试验仪器的组成部分土动力试验仪器的组成部分（1）试样室或试样盒。安置试样的压力室或压力盒，在土样的顶面装有试样帽或顶盖。（2）静荷载系统。在动荷作用之前对土样施加指定大小静荷载的气压或油压装置，使土样在指定静应力下固结。（3）动荷载系统。可以产生指定幅值、频率、作用次数的动荷载的装置，有气动式、液压伺服式、电磁式三种类型。（4）测量系统。测量系统由传感元件、放大器、数字采集装置、计算机、绘图仪和打印机组成。传感元件把测量的物理量转变成模拟的电量，放大器放大模拟电信号，数字采集装置将模拟的电信号转变成数字信息、并输入计算机，数字信号在计算机中存储，并可由绘图仪和打印机输出。动三轴试验动三轴试验动三轴试验是利用动三轴仪进行的土动力实验。动三轴试验的土试样为圆柱形，直径通常为40mm，高为80mm。土样承受的剪应变幅值范围约为10E-4至10E-2，可测试中等变形到大变形阶段的动模量、阻尼比和动强度。331133ad+1ad+1共振柱试验共振柱试验共振柱试验是利用共振柱仪进行的土动力实验。共振柱试验的土试样为圆柱形，共振柱仪的静荷系统在土样的轴向和侧向施加静荷载。土样底部固定、顶端设有可施加动扭矩的电磁式驱动器，土试样和驱动器构成扭转振动体系。土试样剪应变 的幅值范围一般为10E-6至10E-4，适用于测试小变形到中等变形开始阶段的动剪切模量及阻尼比。3333LZ土工离心机土工离心机振动台试验振动台试验土工离心机振动台试验是利用土工离心机振动台设备进行的岩土试样的动力试验。岩土体和岩土工程体积庞大，一般振动台很难模拟其缩尺模型的重力效应。土工离心机振动台可利用离心机旋臂的高速旋转产生强大的离心作用模拟试体原型的重力场。联网试验联网试验联网试验是通过互联网组合不同机构的设备、人力资源共同进行的抗震试验，是地震工程试验联网的简称。旨在实现资源和数据共享。联网试验可突破单一机构进行复杂结构抗震试验的人力和设备限制，共同推进试验技术和地震工程的进展，这一设想引起了国际地震工程界的广泛关注。相似模型相似模型相似模型是与结构原型几何相似、可反映同一物理过程且某一位置的物理量与原型相应位置的同名物理量具有固定比值的模型，通常为缩尺模型。在进行结构模型设计时，将结构所遵循的物理方程无量纲化且令方程在原型和模型中对应的无量纲项相等，即可得到相似模型所应满足的相似关系。理论上，相似模型应满足全部相似关系，但在实际应用中难以作到。在结构工程相关的模型试验中，可根据具体情况对相对次要的相似关系放松要求。相似模型分类相似模型分类依相似关系的满足程度，通常可将相似模型分为三类：（1）真实模型：满足全部相似关系的模型。（2）主参量相似模型：满足主要相似关系，忽略次要相似关系的模型。例如，在研究刚性节点的框架结构变形问题时，轴力和剪力的影响相对弯矩通常是次要的，故应保证构件截面惯性矩相似而放松截面面积的相似要求。（3）畸变模型：至少有一个主要的相似关系没有满足的模型。地震模拟试验相似关系律地震模拟试验相似关系律 畸变模型（忽略重力模型）物理量 真实模型 人工质量模型 使用原型材料 使用非原型材料 长度 rl rl rl rl 弹性模量 r1E=rE r1E=rE 材料密度 rr1 l=rrrEl=r1=r 应力 rr1E=rrE=rrE=rrE=时间 0.5rrtl=0.5rrtl=rrtl=0.50.5rrrrtEl=变位 rrrl=rrrl=rrrl=rrrl=速度 0.5rrvl=0.5rrvl=r1v=0.50.5rrrvE=加速度 r1a=r1a=1rral=11rrrraEl=重力加速度 rg1=rg1=频率 0.5rrl=0.5rrl=1rrl=10.50.5rrrrl E=(人工质量)2ar rpmmE l mm=振动信号的采集和处理振动信号的采集和处理抗震试验获取的试验数据大多为时间序列信号（如振动时间过程），测试信号的采样和处理是得出正确试验结果的关键环节之一。模拟信号的数字化和数字信号处理是现代物理试验的重要技术方法。信号采样信号采样信号采样是将模拟信号形成一系列离散值的过程，采样可在时域或频域进行。采样定理采样定理采样定理是模拟信号离散化采样应遵循的基本规律，又称取样定理或抽样定理。该定理于1928年由H.奈奎斯特提出，1933年由V.A.科捷尔尼科夫给出了严格的公式表述，并于1948年由C.E.香农做出明确解释，故称为奈奎斯特-科捷尔尼科夫采样定理或香农-科捷尔尼科夫采样定理。采样定理是信息论的重要基本结论，在数字通信、信息处理、振动信号分析中具有极其广泛的应用。若原始时域模拟信号)(tx的带宽有限且最高频率为maxf，那么使用等时间间隔tmax1(2)f的脉冲序列对原始模拟信号进行采样，所得离散信号)(tny可唯一地重构原始信号，n是采样点的序号。换言之，只有当采样频率max2 ffs时（tfs=/1），才能使离散信号无失真地恢复为原始信号。在傅立叶分析中，若给定时间序列的采样间隔t，则从采样后的离散信号中所能分辨出的最高频率c1(2)ft=。当t满足采样定理要求时，cf称为奈奎斯特频率（Nyquist frequency）Nf，亦称折叠 频 率(folding frequency)；此 时 的 采 样 频 率（1/t）称为奈奎斯特采样率Rf；奈奎斯特频率Nf为奈奎斯特采样率Rf的 1/2。频率混叠频率混叠使用任意频率1/sft=对未知频率含量的信号进行采样，并不意味着 可 滤 除 原 始 信 号 中 高 于c1(2)ft=的频率成分；相反，高于cf的频率成分将会叠加到低于cf的信号中，这一现象谓之频率混叠。实际问题中得到的连续信号不会是严格有限带宽的，且可能含有频率未知的高频成分；由于采样频率不可能无限提高，故信号离散采样造成的频率混叠是不能绝对避免的，只能根据具体问题尽量减小频率混叠带来的误差。减小频率混叠的方法是是在采样前对模拟信号进行低通滤波，再根据采样定理选取适当小的等间距采样间隔，或利用不等间距采样、使采样点对应原始信号中的所有峰值。量化和栅栏效应量化和栅栏效应采样后的信号在时间（或频率）上被离散化，但信号幅度仍是连续取值的。为获得数字化信号，应将信号幅值转换为数字信号，即将信号的幅值离散化，这一过程称为量化。量化是对信号幅度的分级（或分层）处理。给定量化的间隔之后可采用四舍五入法、舍去法或补足法确定信号幅度的离散值。这一过程显然要引入不可恢复的误差，该误差可用量化噪声表示。数字信号处理数字信号处理研究用数字方法对信号进行分析、变换、滤波、检测、调制、解调以及实现快速算法的技术。数字信号处理涉及数字滤波器、谱分析和快速富立叶变换（FFT）等。滤波器滤波器滤波器是振动信号处理中，可选择通过或抑制消除某些频率成分的装置或算法。在时间序列信号获取和传输过程中，不可避免要包含各种复杂因素引起的噪声，为最大限度消除噪声的干扰，应使用滤波器对原始信号进行处理，提取其中的有用信息。平滑滤波平滑滤波为消除时间序列信号中的随机噪声所进行的平滑处理。平滑滤波可采用时域平均、频域平均、指数平均和峰值平均等方法实现。时域平滑滤波采用的加权移动平均算法为：=+=mmikiimmiikxWWy1 式中：x、y分别为滤波前后的离散时间信号；iW为对称的加权函数的加权系数，例如，5 点平滑的加权系数为-3、12、17、12、-3。窗函数窗函数截取有限长度信号形同设置一个窗口。对有限长度信号进行傅立叶分析通常会产生频率泄漏，频率泄漏可采用窗函数予以抑制。时域上的窗函数通称时窗，时窗函数对称分布，呈矩形或山丘型；时窗函数的频谱称为谱窗，亦为对称分布，呈接续的花瓣形。时窗函数与原时序信号相乘等价于相应的谱窗函数与原信号频谱的褶积（加权平均）；相反，谱窗函数与原信号频谱相乘等价于相应的时窗函数与原时序信号的褶积。谱窗中具有最大峰值的瓣称为主瓣，两侧接续的瓣称为旁瓣，对信号有衰减和阻塞作用的频率范围称为阻带。褶积运算中，主瓣范围内原信号的频谱被平滑，若原信号频谱存在尖峰、平滑后将产生较大差异，故主瓣宽度越窄越好。窗函数旁瓣作用于原信号频谱将造成能量泄漏，故旁瓣的幅值（能量）越小越好。主瓣带宽、旁瓣峰值和阻带最小衰减是表征窗函数性能的主要参数。几种窗函数的主要性能几种窗函数的主要性能 窗函数 主瓣宽度 旁瓣峰值(最高旁瓣量级)（dB）阻带最小衰减（fs/2 旁瓣值）（dB）矩形窗 4/N-13-21 三角窗 8/N-25-25 汉宁窗 8/N-32-44 海明窗 8/N-42-53 布莱克曼窗 12/N-57-74 凯塞窗 12/N-57-94 注：fs为阻带边缘频率；N 为窗函数的阶数，即时窗内采样点数目；凯塞窗的主瓣宽度除与 N 有关外，尚可由宽度参数调整。矩形窗具有较高的频率识别精度，但抑制频率泄漏的效果不佳；布莱克曼窗具有较高的幅值识别精度，可有效抑制频率泄漏，但频率识别精度较低。通常，当信号在远频段包含强干扰时，宜选用阻带衰减较高的窗函数；当信号在有用频率附近包含强干扰时，宜使用旁瓣幅值低的窗函数；当需要在某一频率附近分离多个信号时，宜选择主瓣窄的窗函数；当信号幅值比频率更重要时，可选择宽主瓣的窗函数；当信号频带甚宽时，可使用主、旁瓣均衡的窗函数或不使用窗函数；对冲击和瞬态过程信号，应使用矩形窗。汉宁窗在多数情况下都很有效，故对于随机信号和周期信号、或在不了解信号的特征时，加窗函数可首选汉宁窗。频谱分析仪频谱分析仪是采集存贮时间序列信号、并对信号进行处理和时频域分析的设备，亦称频域示波器、跟踪示波器、分析示波器、谐波分析器、频率特性分析仪或傅立叶分析仪等，是一种多用途的电子测量仪器。此类仪器除可进行信号的时频域分析之外，尚有滤波、显示、模态参数分析和信号发生等功能，可检测信号的失真度、调制度、谱纯度、频率稳定度和交调失真。频谱分析仪的主要技术指标频谱分析仪的主要技术指标（1）频率范围。频谱分析仪正常工作的频率区间。（2）分辨力。又称分辨率，是频谱分析仪在显示器上区分相邻两条谱线间频率间隔的能力；能分辨的频率间隔越小则分辨力越高，是频谱分析仪最重要的技术指标。（3）分析谱宽。又称频率跨度，是频谱分析仪在一次测量分析中能显示的频率范围。分析频宽等于或小于仪器的频率范围，通常是可调的。（4）分析时间。完成一次频谱分析所需的时间，它与分析谱宽和分辨力有密切关系。（5）扫频速度。分析谱宽与分析时间之比，即扫频本振频率的变化速率。（6）灵敏度。频谱分析仪显示微弱信号的能力，灵敏度越高越好。动态范围是显示器上可同时观测的最强信号与最弱信号之比。（7）显示方式。频谱分析仪显示的幅度与输入信号幅度之间的关系。通常有线性显示、平方律显示和对数显示三种方式。（8）假响应。显示器上出现的不应有的谱线。