试验数据处理

附录2　村镇砌体结构抗震性能试验研究

2.1　砌体结构墙体抗震性能试验研究

关于砌体结构墙体抗震性能的研究，现阶段主要采用的是低周反复荷载试验的方法。墙体低周反复荷载试验主要是研究墙体在受到模拟地震作用的低周反复荷载后的力学性能和破坏机理，其结果通常是由描述荷载－变形关系的滞回曲线以及相关参数来表达，它们是研究墙体抗震性能的基本数据，可用以进行墙体抗震性能的评定。同时，通过这些指标的综合评定，可以相对比较各种构造和加固措施的抗震能力，建立和完善抗震设计理论，提出合适的抗震设计方法。通过低周反复荷载试验可以获得墙体的承载能力、刚度、滞回曲线、骨架曲线、延性系数、退化率以及能量耗散等多方面的指标和一系列具体参数，通过对这些量值的对比分析，可以判断结构抗震性能的优劣并做出适当的评价。

2.1.1　试验装置

墙体低周反复荷载试验加载装置如附图2.1所示。该装置可以通过两个串联的同步千斤顶施加竖向荷载，并保证在试验过程中竖向荷载值稳定，通过水平电液伺服加载装置进行低周反复荷载试验。

附图2.1　试验加载装置示意图

2.1.2　加载制度

参照《建筑抗震试验方法规程》（JGJ 101—96），本次试验加载按照荷载—位移双控的方法进行，具体加载程序为：

1）施加竖向荷载

竖向荷载采用多点加载，千斤顶通过钢梁和质量块将竖向压力传递至顶梁。千斤顶固定在滑动小车下面，可与墙体同步进行水平移动。为了保证实验过程安全，钢梁、千斤顶和滑动小车都通过钢丝绳拴在反力架上，避免在实验过程中掉落至地面。在施加水平荷载之前，先通过千斤顶分两级施加竖向荷载至预定值，保持5min，测取初始读数，然后保持竖向荷载在整个试验过程中恒定不变。

2）施加水平荷载

试验采用作动器来施加水平方向的低周反复荷载。在正式加载之前，预先施加30 k N的水平荷载，正负往返两次，检查试验装置和测量仪器能否正常工作以及固定装置是否牢靠，确定一切正常后，卸去将水平荷载，开始正式加载。

试验采用力—位移双控的加载方式，即在墙体开裂之前按力控制逐级施加水平力，每级水平力施加一次（即推、拉方向上各加载、卸载一次），级差为50 k N。墙体开裂后改为位移控制进行加载，取墙体初裂时的正、负位移平均值作为位移控制量，将该位移平均值的倍数作为级差进行位移控制加载，每级位移循环三次，当荷载下降为极限承载能力的85%后试验结束。加载制度如附图2.2所示。

附图2.2　试验加载制度

2.1.3　试验数据处理

试件的荷载及变形试验资料整理应按下列规定进行：

（1）开裂荷载及变形应取试件受拉区出现第一条裂缝时相应的荷载和相应变形；

（2）对钢筋屈服的试件，屈服荷载及变形应取受拉区主筋达到屈服应变时相应的荷载和相应变形；

（3）试件承受的最大荷载和变形应取试件承受荷载最大时相应的荷载和相应变形；

（4）破坏荷载及相应变形应取试件在最大荷载出现之后随变形增加而荷载下降至最大荷载的85%时的相应荷载和相应变形。

试体的刚度可用割线刚度来表示，割线刚度K i应按照下式计算：

式中　P i——第i次正向水平荷载峰值；

　　　－P i——第i次负向水平荷载峰值；

　　　Δ i——第i次正向水平荷载峰值所对应的墙顶位移；

　　　－Δ i——第i次负向水平荷载峰值所对应的墙顶位移。

试件的延性采用破坏位移与屈服位移的比值μ来表示：

式中　Δu.d——破坏位移，取承载力下降至试件极限荷载的85%

时所对应的墙顶位移；Δy——屈服位移。

试件的耗能能力采用等效黏滞阻尼系数ξc来表示，等效黏滞阻尼系数ξc按照下式计算：

式中　A BAC——附图2.3中所示BAC的面积；

　　　A BDC——附图2.3中所示BDC的面积；

　　　A FDO——附图2.3中所示FDO的面积；

　　　A EAO——附图2.3中所示EAO的面积。

附图2.3　等效黏滞阻尼系数计算方法

2.2　砌体结构房屋振动台试验研究

2.2.1　试验装置

当试验要求高精度模拟地震波输入时，宜选用能对地震波具有迭代功能的有数控装置的模拟地震振动台。模拟地震振动台应根据试体的尺寸质量以及试验要求并结合振动台的台面尺寸频响特性和动力性能等参数选择使用对于大缩比的试体模型应选用高频小位移的振动台对足尺或小缩比的试体模型应选用低频大位移的振动台［4］。

在试体安装之前，应检查振动台各部分及控制系统，确认处于正常的工作状态。试体与台面之间宜铺设找平垫层，试体起吊下降安装时应防止受损。试体就位后，应采用高强螺栓按底梁或底盘上的预留孔位置与台面螺栓孔连接。并宜采用特制的限位压板和支撑装置固定试体，在试验过程中应随时检查，防止螺栓松动。

测试仪器应根据试体的动力特性、动力反应、模拟地震振动台的性能以及所需的测试参数来选择，被选用的各种测试仪器均应在试验前进行系统标定。测试仪器的使用频率范围，其下限应低于试验用地震记录最低主要频率分量的1／10，上限应大于最高有用频率分量值。测试仪器动态范围应大于60 db，测量讯号分辨率应小于最小有用振动幅值的1／10。试验数据的记录宜采用磁带记录器或计算机数据采集系统采集和记录。量测用的传感器应具有良好的机械抗冲击性能，重量和体积要小，且便于安装和拆卸。量测用的传感器的连接导线，应采用屏蔽电缆。量测仪器的输出阻抗和输出电平应与记录仪器或数据采集系统匹配。

2.2.2　加载方法

振动台试验加载时，台面输入的地面运动加速度时程曲线应按下列条件进行设计：

（1）设计和选择台面输入加速度时程曲线时，应考虑试验结构的周期、拟建场地类别、地震烈度和震中距离的影响；

（2）加速度时程曲线可直接选用强震记录的地震数据曲线，也可按结构拟建场地类别的反应谱特性拟合的人工地震波，选用人工合成地震波时持续时间不宜小于20 s。

（3）输入加速度时程曲线的加速度幅值和持续时间应按模型设计的比例所确定的相似常数进行修正。

模拟地震振动台模型试体的试验，宜在加载前采用正弦频率扫描法或白噪声激振法测定试体的动力特性：

（1）正弦频率扫描法是采用单向等振幅加速度的变频连续正弦波，台面输入对试体进行正弦扫描，扫描速率可采用每分钟一个倍频程，加速度值为0.05m／s2。当振动台的噪声电平极低时，也可选用更小的加速度幅值；

（2）白噪声激振法是采用单向白噪声对试体激振，白噪声的频段应能覆盖试体的自振频率，加速度值为0.5～0.8m／s2。

模拟地震振动台试验，宜采用多次分级加载方法，加载可按下列步骤进行：

（1）依据按试体模型理论计算的弹性和非弹性地震反应，估计逐次输入台面加速度幅值。

（2）弹性阶段试验。输入某一幅值的地震地面运动加速度时程曲线，量测试体的动力反应、放大系数和弹性性能。

（3）非弹性阶段试验。逐级加大台面输入加速度幅值，使试体逐步发展到中等程度的开裂，除了采集测试的数据外，尚应观测试体各部位的开裂或破坏情况。

（4）破坏阶段试验继续。加大台面输入加速度幅值，或在某一最大的峰值下反复输入，使试体变为机动体系，直到试体整体破坏，检验结构的极限抗震能力。

2.2.3　试验的观测和动态反应量测

振动台试验时应按需要量测试体的加速度、速度、位移和应变等主要参数的动态反应。

对于框架、墙体等试体，加速度和位移测点宜优先布置在加速度和变形反应最大的部位。对于混凝土试体尚宜在试体受力和变形最大的部位布置测点量测钢筋和混凝土的应变和动态反应。

对于整体结构模型试体宜在模型屋盖和每层楼面高度位置布置加速度和位移传感器，量测模型的层间位移与加速度反应。对于钢筋混凝土模型试体或有构造柱的砌体结构模型试体，应量测钢筋和混凝土的应变反应。

在试体的底梁或底盘上，宜布置测试试体底部相对于台面的位移和加速度反应的测点。

当采用接触式位移计量测试体变形时，安装位移计的仪表架固定于台面或基坑外的地面上，仪表架本身必须有足够的刚度。

传感器与被测试体间应使用绝缘垫隔离，隔离垫谐振频率要远大于被测试体的频率。

传感器的连接导线应牢固固定在被测试体上，宜从物体运动较小的方向引出。

对于钢筋混凝土及砌体结构的试体在试验逐级加载的间隙中，应观测裂缝出现和扩展情况，量测裂缝宽度，将裂缝出现的次序和扩展情况按输入地震波过程在试体上描绘并作出记录。

试验的全过程宜以录像作动态记录，对于试体主要部位的开裂、失稳屈服及破坏情况，宜拍摄照片和作写实记录。

2.2.4　试验数据处理

试验数据采样频率应符合一般波谱信号数值处理的要求。试验数据分析前，对数据必须进行下列处理：

（1）根据传感器的标定值及应变计的灵敏系数等对试验数据进行修正。

（2）根据试验情况和分析需要，采用滤波处理、零均值化、消除趋势项等减小量测误差的措施。

（3）根据处理后的试验数据，应提取测试数据的最大值及其相对应的时间、时程反应曲线以及结构的自振频率、振型和阻尼比等数据。

（4）当采用白噪声确定试体自振频率和阻尼比时，宜采用自功率谱或传递函数分析求得。试体的振型宜用互功率谱或传递函数分析确定。

（5）需用加速度反应值计算位移值时，可用积分法计算，但应消除趋势项和进行滤波处理。