拟动力试验
钢框架结构拟动力模型试验与原型对比的研究
钢框架结构拟动力模型试验与原型对比的研究一、绪论A. 研究背景和意义B. 国内外研究现状及存在的问题C. 研究目的和内容二、钢框架结构拟动力模型试验A. 模型设计和制作B. 试验装置和测试仪器C. 拟动力荷载设计和试验方案D. 试验结果分析和评价三、钢框架结构原型建造与结构分析A. 原型建造和实测数据采集B. 结构参数分析和确定C. 结构静载荷试验和分析D. 结构动力响应预测和模拟四、模型试验与原型对比分析A. 对比分析基础和方法B. 对比结果分析和评价C. 试验与模拟误差及其原因分析D. 结构抗震性能评估五、结论与展望A. 研究结论总结B. 研究意义和发展建议一、绪论A. 研究背景和意义随着经济的发展和城市化进程的加速，高层建筑和大型工业厂房的建设不断增加。
这些大型建筑结构往往面临着严峻的自然灾害和人为因素带来的挑战。
其中，地震作为一种具有破坏性的自然灾害，会对建筑物结构造成巨大的破坏，甚至可能导致生命财产损失。
因此，建筑物抗震设计和抗震性能评估成为当前结构工程研究的重点之一。
随着计算机科学和数值模拟技术的不断发展，越来越多的结构工程研究开始借助于数值模拟来进行室内试验和场外试验，以及静态和动态试验等。
然而，由于模拟的精度和真实环境存在较大差距，因此模拟结果的可靠性和适用性仍然需要通过与实际结构的试验数据进行对比验证。
本研究将调查比较钢结构物在振动时受自然力的情况，并使用钢框架结构拟动力模型试验与原型进行了对比分析，目的是在保证模型可靠性的前提下，分析模型使用中的优缺点以及可以改进的地方，从而更好地评估大型建筑结构的抗震性能，实现更好的结构工程研究。
B. 国内外研究现状及存在的问题近年来，国内外学者和工程师在结构工程领域进行抗震研究，提出了众多的理论和实践经验。
其中，许多研究关注结构振动动态特性，以及结构在地震荷载下的响应特性。
在实验方法方面，许多学者使用真实原型进行试验，在更真实的情况下进行抗震能力评估。
结构快速拟动力试验方法研究
图 １外 部 命令 控 制 的拟 动 力试 验 系统
１ ２ 外部 位移控制方法 ．
外部位移控 制方 法一 种硬 件控 制方 法 ， 原理 是 在拟 其 动力试验 中， 由试件连接的 Ｌ Ｄ Ｖ Ｔ位移传感器来代替 作动器 内部的位移传感 器 ， 样作 动器 指令 和试 件反 馈 的误 差补 这 偿过程就 由作动器 内部的 闭环控制来 完成 。与外部命 令控
到， 导致作动 器会 出现 连续 的抖 动 现象。虽 然最 后作 动器 会 因为超 出保 护 限值而 停止 运 动 ， 是 这种 连续 的 冲击 已 但 经对作动器 和试 件 产生 了一 定 的破坏 作用 ， 严重 影 响试 将
来 完成的闭环控制 。
一 … … … … 一 １
的部 分可 以用数 值模 拟代 替 物理试 验 ， 仅有 效 地减 少 了 不
地震模 拟振动 台试验进行 比例模 型试验 带来 的 比例 效应 问
题， 也在一定 程 度上 降低 了试 验 费用。 国际上 首个 结 构拟
动力试 验 由 日本 学者 Ｔ ｋｎｓｉ…完 成 。近 年 来拟 动 力试 ａａ ａｈ 验在概 念 、 验方法 、 试 加载 技术和 试验设 备等很 多方 面都 与 最初 的有了较大改进 。但 是拟动 力试验 的缺 点在 于较低 的
拟 动力试 验 方 法 是传 统 的 三大 结 构 抗震 试 验 方 法之
一
制器的 Ａ （ ｎ ｌ ｐ ｔ通道 ， 由 Ａ Ａ ａｏ ｕ ｕ） ＩＡ ａ ｇＩ ｕ） ｏ ｎ 再 Ｏ（ ｎｌｇＯ ｔ ｔ通道 ｐ 输出， 经过低 通滤波器后 进 入 Ａ Ｄ采集卡 。通过 拟动力 试 ／
。
相 比拟静力 试验 方法 ， 动力 试验 通 过一 种慢 速 加载 拟
拟动力试验名词解释
拟动力试验名词解释
拟动力试验是指在模拟真实工况下对某种设备、系统或材料进行测试和评估的试验。
它可以模拟实际工作环境中的各种力、压力、温度、湿度等因素，以验证设备、系统或材料在不同工况下的性能和可靠性。
拟动力试验通常包括以下几个方面的内容：
1. 力学试验：模拟设备或系统在实际工作中所受到的各种力的作用，如静载、动载、振动等。
通过施加不同的力，评估设备或系统的结构强度、稳定性和耐久性。
2. 温度试验：模拟设备或系统在实际工作环境中所受到的不同温度条件。
通过控制温度变化，评估设备或系统在不同温度下的性能和可靠性，如热膨胀、热稳定性等。
3. 湿度试验：模拟设备或系统在实际工作环境中所受到的不同湿度条件。
通过控制湿度变化，评估设备或系统在不同湿度下的性能和可靠性，如防潮性、防锈性等。
4. 光照试验：模拟设备或系统在实际工作环境中所受到的不同光照条件。
通过控制光照强度和光谱，评估设备或系统在不同光照条件下的性能和可靠性，如耐光性、光衰减等。
5. 其他试验：根据具体的需求，还可以进行其他类型的拟动力试验，如电磁场试验、压力试验、化学试验等，以评估设备、系统或材料在不同工况下的适应性和性能表现。
拟动力试验的目的是为了确保设备、系统或材料在实际工作环境中的可靠性和稳定性，以提高其使用寿命和性能。
通过拟动力试验的结果，可以对产品进行改进和优化，从而满足用户的需求和要求。
自考建筑结构试验历年名词解释汇总
1.预埋拔出法：在浇筑混凝土前，于混凝土表层以下一定距离预先埋入一金属锚固件，待混凝土硬化以后，通过拔出仪对锚固件施加拔力，使混凝土沿着一个与轴线成2α角度的圆锥面破袭而被拔出，根据专用的测强曲线，由拔出力推定混凝土的抗压强度，称为预埋拔出法。
2控制测点：结构物的最大挠度和最大应力等数据，通常是设计和试验工作者最感兴趣的数据，因此在这些最大值出现的部位上必须布置测量点位，称之为控制测点。
3.几何相似：结构模型和原型满足几何相似，模型和原型结构之间所有对应部分尺寸成比例。
4.测量仪器的量程：仪器可以测量的最大范围。
5.测量仪器的线性度：仪器校准曲线对理想拟合直线的接近程度。
可用校准曲线与拟合直线的最大偏差作为评定指标，并用最大偏差与满量程输出的百分比来表示。
6.延性系数：结构、构件或构件的某个截面从屈服开始到达最大承载能力或到达屈服点以后模型还没有明显变形的能力，即为延性。
在抗震设计中，延性是一个重要的指标，通常用延性系数来表示。
7.荷载相似：荷载或力相似要求模型和原型在对应部位所受的荷载大小成比例8.电阻应变计的灵敏系数：单位应变引起的应变计相对于电阻值的变化9.测量仪器的最小分度值：仪器的指示部分或显示部分的最小测量值，即指每一最小刻度所表示的被测量的数值10.测量仪器的频率响应：动测仪输出信号的幅值和相位随输入信号的频率而变化的特性。
常用幅频特性和相频特性曲线来表示，分别说明仪器输出信号与输入信号间的幅值比和相位角偏差与输入信号频率的关系。
11．结构静力试验的数据处理：结构静力试验后（有时在试验中）对采集到的数据进行整理、换算、统计分析和归纳演绎，以得到代表结构性能的公式、图像、表格、数学模型和数值，这就是数据处理。
12．加载制度：试验加载制度指的是试验进行期间荷载的大小和方向与时间的关系。
它包括加载速度的快慢、加载时间间歇的长短、分级荷载的大小和加载卸载循环的次数。
13．质量相似：在结构的动力问题中，要求结构的质量分布相似，即模型与原型结构对应部分的质量成比例。
拟动力试验和实时拟动力试验
实时子结构拟动力试验
产生背景 常规拟动力和子结构拟动力试验为准静态加载过程，仅是慢速再现地震破会全过 程，无法考虑加载速率对试件的影响和试验加载的实时性。 结构控制技术的发展，橡胶隔震器、粘滞阻尼器等一些新的元件的运用使结构具 有明显的速度依赖特征。 试验子结构 （复杂非线性部分）
n
F
x、
和恢复力
n
Байду номын сангаас和恢复力
连续对结构进行试验加载，直到输入地震加速度时程指定的时刻
F
2
2016春季，桥梁抗震试验
n
拟动力试验试验原理
由于联机加载过程中用逐步积分求解运动方程的时间间隔取值一般 为0.005~0.01秒，而整个联机试验每一加载步长大致要持续几秒， 加载过程完全可以看成是静态的，为此可以忽略方程式中与速度有 关的阻尼力，运动方程可以简化为：
给定加速度记录，由计算机 作非线性动力分析，计算得 到位移反应曲线，将位移反 应曲线作为输入，控制加载。 这种方案要去事先假定结构 的恢复力模型，问题这种恢 复力模型是否符合实际？
2016春季，桥梁抗震试验
简介
方案2：
将计算机及计算技术直接应 用与控制实验加载，不需要 事先假定结构的恢复力模型， 恢复力可以直接从作用于试 件的加载器测得，由计算机 完成非线性地震反应微分方 程的求解。 《建筑抗震试验方法规程》定义
1
n
结构施加与位移x
相应的荷载。 1
4.由电液伺服加载器上的荷载及位移传感器，直接量测结构的恢复力F 和加活
n
塞的行程位移反应值
1
x
n
F
. 5
n
再生混凝土框架拟动力试验研究分析
１．４ ９１ｍｍ， 最大 水平 荷 载 为 １ ５８ Ｎ。卸载 时 变 ６ ．ｋ
形 能够恢 复 ， 框架 基本 处 于弹性 工作 状 态 。
当地 震 波加 速度 幅值 到 达 ６ ４ ａ工 况 时 ， ×３ｇ ｌ 框架 一 、 二层 的位 移增 幅 的速度 突然 变大 ， 框架 二 层顶 部 正 向加载最 大 位 移达 ２． ０ ６９ ｍｍ， 向加 载 反
第 １ 卷 第３ ９ 期
２１ ０ １年 ６月
安 徽 建 筑 工 业 学 院 学报 （ 然科学 自 版）
Ｊ ｕｎ ｌ ｆ ｈ ｉｎｔ ｕｅ ｆ ｒｈｔｃｕｅ＆ Ｉｄ ｓｒ ｏ ｒａ ｏ ｕ Ｉｓ ｔｔ ｏ ｃ ｉ ｔｒ Ａｎ ｉ Ａ ｅ ｎ ｕｔｙ
Ｖ ｏ． ９Ｎｏ ３ １１ ．
框架抗震实验 ， 研究在拟动力作用下， 再生混凝土
框架 的受力特点、 变形性 能和耗能能力等抗震性
能指 标 。 Ｊ
目前国内外对于再生混凝土的力学性能和单 独构件 的研究相对较多 ， 整体结构性 能的研究还
收稿 １期 ：０ １０ —０ ３ ２ １ —３３
作者简介： 健 （９ ５ ， ， 陈 １ ８ 一） 男 硕士 ， 主要研究方 向为结构动力分析及 工程结构抗震 。
框架 受力 特点 、 变形性能和耗能能力等抗震性能 。试验表 明 ， 再生 混凝土框架 在小震作用下 具有足够 的强度 和刚度 ， 加载至层间位移角达 １２ ０时 ， 架处 于弹性工作状 态 ， ／１ 框 可满足 中震弹性 的要求 。加载至层间位移角 达 １ １ ０时 ， ／２ 框架呈现塑性性能 ， 卸载后 变形能够基 本恢 复 ， 研究表 明再生混凝土框架具有 良好 的抗震性能 。
Ｃ Ｎ ｉｎ Ｃ ＨＥ Ｊａ ， ＨＥ Ｌ—ｕ ， Ｌ Ｕ ｉｇｋ ｎ ， Ｚ Ｎ ｉ ａ ｈ Ｉ Ｂｎ －ａ ｇ ＨＯＵ Ａｎ
自考建筑结构试验历年名词解释汇总
1.预埋拔出法：在浇筑混凝土前，于混凝土表层以下一定距离预先埋入一金属锚固件，待混凝土硬化以后，通过拔出仪对锚固件施加拔力，使混凝土沿着一个与轴线成2α角度的圆锥面破袭而被拔出，根据专用的测强曲线，由拔出力推定混凝土的抗压强度，称为预埋拔出法。
2控制测点：结构物的最大挠度和最大应力等数据，通常是设计和试验工作者最感兴趣的数据，因此在这些最大值出现的部位上必须布置测量点位，称之为控制测点。
3.几何相似：结构模型和原型满足几何相似，模型和原型结构之间所有对应部分尺寸成比例。
4.测量仪器的量程：仪器可以测量的最大范围。
5.测量仪器的线性度：仪器校准曲线对理想拟合直线的接近程度。
可用校准曲线与拟合直线的最大偏差作为评定指标，并用最大偏差与满量程输出的百分比来表示。
6.延性系数：结构、构件或构件的某个截面从屈服开始到达最大承载能力或到达屈服点以后模型还没有明显变形的能力，即为延性。
在抗震设计中，延性是一个重要的指标，通常用延性系数来表示。
7.荷载相似：荷载或力相似要求模型和原型在对应部位所受的荷载大小成比例8.电阻应变计的灵敏系数：单位应变引起的应变计相对于电阻值的变化9.测量仪器的最小分度值：仪器的指示部分或显示部分的最小测量值，即指每一最小刻度所表示的被测量的数值10.测量仪器的频率响应：动测仪输出信号的幅值和相位随输入信号的频率而变化的特性。
常用幅频特性和相频特性曲线来表示，分别说明仪器输出信号与输入信号间的幅值比和相位角偏差与输入信号频率的关系。
11．结构静力试验的数据处理：结构静力试验后（有时在试验中）对采集到的数据进行整理、换算、统计分析和归纳演绎，以得到代表结构性能的公式、图像、表格、数学模型和数值，这就是数据处理。
12．加载制度：试验加载制度指的是试验进行期间荷载的大小和方向与时间的关系。
它包括加载速度的快慢、加载时间间歇的长短、分级荷载的大小和加载卸载循环的次数。
13．质量相似：在结构的动力问题中，要求结构的质量分布相似，即模型与原型结构对应部分的质量成比例。
拟动力试验
02
试验设备与材料
加载设备
01
02
03
液压伺服作动器
能够提供高精度、高频率 的往复运动，模拟地震等 动力荷载。
加载控制系统
实现荷载的精确控制和调 整，以满足试验需求。
辅助加载设备
如重力加载装置、惯性质 量等，用于模拟结构自重 和惯性力。
测量设备
位移传感器
测量试件的位移响应，通 常采用高精度位移计或激 光位移计。
3
环境因素
如温度、湿度等环境因素会对材料的性能和结构 的响应产生一定的影响。
06
试验应用与展望
在工程领域的应用价值
结构性能评估
新材料研究
拟动力试验可用于评估结构的抗震、抗风 等性能，为工程设计提供重要依据。
通过拟动力试验，可以研究新材料的力学 性能及其在结构中的表现，推动材料科学 的进步。
施工质量控制
照片和视频记录
使用相机或摄像机对试验过程进行拍照或录像， 以便后续分析和研究。
04
试验结果分析
数据处理与统计
数据清洗
去除异常值、噪声数据，确保数据质量。
数据转换
对数据进行归一化、标准化等处理，以便于后续分析。
统计描述
计算数据的均值、标准差、变异系数等统计量，初步了解数据分布特 征。
结果可视化展示
趋势分析
通过对试验数据的趋势分析，探讨不 同因素对试验结果的影响程度及规律 。
假设检验
采用假设检验的方法，对试验结果的 显著性进行检验，判断试验结果是否 具有统计学意义。
结果讨论
结合试验目的和背景知识，对试验结 果进行深入讨论和分析，提出可能的 解释和改进建议。
05
试验影响因素探讨
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X1(0)
2 t 2
X1(1)
1 t 2
X 1 (2)
X&&2 (1)
1 t 2
X 2 (0)
2 t 2
X 2 (1)
1 t 2
X
2
(2)
代入初始条件后，得
X&&1 (1)
2 t 2
X1(1)
1 t 2
X 1 (2)
X&&2 (1)
2 t 2
X 2 (1)
1 t 2
X
2
(2)
计算得到第（2）步的位移响应
• 试体在静力试验台上实时模拟地震动力 反应的试验。
第二节 拟动力试验设备和加载 制度
试验系统
• 试体 • 试验台 • 反力墙 • 加载设备 • 计算机 • 数据采集仪器仪表
拟动力试验装置
立面
平面
• 垂直伺服作动器结构
水平伺服作动器结构
装有垂直恒载伺服作动器的框架结构 试体拟动力试验装置
加载制度和加载工作流程
• 按指令位移X n1 对结构施加荷载。
加载制度和加载工作流程
• 量测结构的恢复 力 Fn1 和加载器 的位移值 。 X n1
加载制度和加载工作流程
• 重复上述步骤， 按输入第n＋1步 的地面运动加速 度 X&&0n1求位移 X n2 和恢复力Fn2 ， 继续进行加载试 验。
加载制度和加载工作流程
• 整个试验加载连 续循环进行，全 部由计算机自动 控制操作执行。
运动方程的简化
MX&&n Fn MX&&0n
第三节 拟动力试验数值计算方法
两个自由度结构地震反应的联机试验
• 单跨双层钢筋混凝土框架 • 模型尺寸为实物结构的1／4 • 抗侧力试验台座 • 电液伺服加载器加载
• 在拟动力试验中，恢复力是实测的还是 预先给定的？
（Ⅳ）计算第（2）
步即
t 2t
时的位移响应
X1(2)、X2(2) 。
t t 时刻恢复力的矩阵形式
F1(t F2 (t
t) t)
K11 (t K 21 (t
t) t)
K12 K22
(t (t
t ) t)
X1(t X 2 (t
t) t)
中心差分法
X&&1 (1)
1 t 2
拟动力试验
• 计算机－加载器联机试验
加载制度和加载工作流程
• 在计算 机系统 中输入 某一确 定性的 地震地 面运动 加速度。
加载制度和加载工作流程
• 以单自由度为例， 由计算机按输入 第n步的地面运 动加速度 求X&&0n 得第n+1步的指 令位移 。 X n1
运动方程
MX&&n CX&n Fn MX&&0n
6 t 2
K22 )
X 2 (1)
(m1K21 m2 K11
K12
K
21
(m1
6 t 2
m1m2
6 t 2
) X&&0
K11 )(m2
6 t 2
K
22
)
（Ⅲ）由两台电 液伺服加载器 分别将位移响 应X1(1)、X2(1) 施加于框架第 一、二两层梁 的跨中，并测 得相应的恢复 力为F1(1)和 F2(1)。
t)
（Ⅰ）当t＝0 时，结构的 位移、速度、 加速度均为 零。
（Ⅱ）计算第 (1)步的位移 响应，即计 算
t t
时的地震位 移。
结构的刚度矩阵表达式
F1 F2
K11 K21
K12 K22
X1(1) X2 (1)
用线性加速度法得到加速度响应
X&&1 (1)
6 t 2
结构的运动方程 m1X&&1 F1 m1X&&0 m2 X&&2 F2 m2 X&&am&(t
t)
6 t 2
X (t)
6 t
X&(t) 2X&&(t)
6 t 2
X (t t)
中心差分法
X&&(t)
1 t 2
X (t
t)
2 t 2
X (t)
1 t 2
X (t
X 1 (1)
X&&2 (1)
6 t 2
X 2 (1)
代入结构的运动方程 m1X&&1 F1 m1X&&0 m2 X&&2 F2 m2 X&&0
计算得到第（1）步的位移响应
X 1 (1)
(m1K22
K12 K21
(m1
m2 K12
6 t 2
m1m2
6 t 2
) X&&0
K11 )(m2
第一节 概 述
理想的加载制度
• 反映结构非周期性变形的特点 • 按确定性的地震反应制定加载制度
加载制度实例
非周期性抗震静力试验方案一
• 由给定的输入地震加速度记录通过计算 机进行非线性动力分析，将计算得到的 位移反应时程曲线作为输入数据进行控 制并施加在试验的结构对象上
计算机数值分析控制试验加载
（Ⅵ）重复 （Ⅲ）～ （Ⅴ）
的试验步骤， 直至输入地面 运动加速度的 指定时刻。
从上述试验步骤说明
• 在多自由度结构体系的联机试验中，第 一个数值积分计算步骤可以用线性加速 度法，以后均采用中心差分法进行。
思考题
• 拟动力试验与低周反复荷载试验的相同 点与不同点各有哪些？
• 写出地震作用下两自由度体系的非线性 动力方程（画出动力模型图并写出动力 方程）。
X1(2) X 2 (2)
2X1(1) 2X 2 (1)
t 2 m1 t 2 m2
F1
(1)
t
2
X&&0
F2 (1) t2 X&&0
（Ⅴ）重复步骤
（Ⅲ），按 X1(2)、X2(2)控 制位移施加荷
载，测出恢复 力F1(2)和F2(2)， 然后计算第（3） 步位移响应 X1(3)、X2(3) 。
模结需 型构要 。的在
恢试 复验 力前 特假 性定
非周期性抗震静力试验方案二： 拟动力试验
• 计算机－加载器联机加载系统 • 不需要事先假定结构的恢复力特性
拟动力试验原理
恢复力可 以直接从试验 对象所作用的 加载器的荷载 值得到，从而 计算机可以完 成非线性地震 反应微分方程 的求解。
《建筑抗震试验方法规程》定义