現(xiàn)代結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)建筑振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

1、現(xiàn)代結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)作業(yè)三某建筑振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)方案設(shè)計(jì) 學(xué) 校： 廣州大學(xué) 學(xué) 院： 土木工程學(xué)院 專(zhuān) 業(yè) 班 級(jí)： 結(jié)構(gòu)工程專(zhuān)業(yè)13級(jí) 學(xué) 生 姓 名： 蔡江紅 學(xué) 號(hào)： 2111316009 指 導(dǎo) 教 師： 徐 麗 冼巧玲二一四年六月一、振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)方案1試驗(yàn)方案1.1工程概況本工程塔樓結(jié)構(gòu)體系為“三維巨型空間框架鋼筋混凝土核心筒”結(jié)構(gòu)體系，主要由4個(gè)核心筒、鋼骨混凝土（src）外框架、3個(gè)避難層聯(lián)系桁架三部分構(gòu)成，圖1-2、圖1-3分別是b塔結(jié)構(gòu)體系構(gòu)成示意圖和建筑效果圖。特別指出的是本工程在14、24樓層的聯(lián)系桁架的腹桿以及32、48樓層的斜撐為防屈曲支撐（ubb）構(gòu)件。設(shè)計(jì)指標(biāo)為小震不屈服，大震

2、屈服耗能。具體位置示意見(jiàn)圖1-4。本工程的自振周期約為6.44秒，超過(guò)了建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(gb-50011-2001)設(shè)計(jì)反應(yīng)譜長(zhǎng)為6秒的規(guī)定。本工程存在5個(gè)一般不規(guī)則和2個(gè)特別不規(guī)則類(lèi)型，5個(gè)一般不規(guī)則類(lèi)型分別是扭轉(zhuǎn)不規(guī)則、凹凸不規(guī)則、剛度突變、構(gòu)件間斷和承載力突變。2個(gè)特別不規(guī)則是高位轉(zhuǎn)換和復(fù)雜連接。1.2 模擬方案1、模擬方案選擇動(dòng)力試驗(yàn)用的結(jié)構(gòu)模型必須根據(jù)相似律進(jìn)行設(shè)計(jì)，模型動(dòng)力相似律的建立以結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方程為基礎(chǔ)，選擇若干主要控制參數(shù)作為模擬控制的對(duì)象，依據(jù)buckingham的定理，經(jīng)無(wú)量綱分析導(dǎo)出控制參數(shù)的無(wú)量綱積，據(jù)此確定各控制參數(shù)的相似比率。結(jié)構(gòu)動(dòng)力試驗(yàn)的相似模型大致分為四種：（

3、1）彈塑性模型 理論上可以重現(xiàn)結(jié)構(gòu)反應(yīng)的時(shí)間過(guò)程，使模型和原型的應(yīng)力分布一致，并可模擬結(jié)構(gòu)的破壞。由于要嚴(yán)格考慮重力加速度對(duì)應(yīng)力反應(yīng)的影響，必須滿足sa=sg=1（sa=模型加速度/原型加速度，sg為重力加速度相似系數(shù)，各相似系數(shù)之間的關(guān)系見(jiàn)表1），即模型加速度反應(yīng)與原型加速度反應(yīng)一致，這一要求大大限制模型材料的選擇。因?yàn)樵诳s尺模型中，幾何比（sl）很小，在sa=sg=1的條件下，要滿足sa=se/sls=1，即sl=se/s，必須使模型材料的彈模很小或材料密度很大，彈模小導(dǎo)致模型澆筑困難，容易損壞；密度大則要求在模型材料中加入大量鉛粉之類(lèi)容重大的摻合物。這對(duì)大型建筑動(dòng)力試驗(yàn)?zāi)Ｐ褪请y以辦到的。

4、即使彈?；蛎芏葷M足了相似條件，材料的其他性質(zhì)如泊松比和阻尼等也難以滿足相似關(guān)系，所以全相似模型只是一種理想化的模型，在實(shí)際工程中很難采用。（2）用人工質(zhì)量模擬的彈塑性模型 使用原型材料或其他替代材料制作時(shí)，se自然等于1或接近于1，若要滿足sa=sg=1的條件，材料密度需要加大，故采用人工質(zhì)量。人工質(zhì)量可以產(chǎn)生適當(dāng)?shù)闹亓π?yīng)和慣性作用，但不影響結(jié)構(gòu)的剛度、強(qiáng)度和阻尼特性。人工質(zhì)量若布置得當(dāng)，可以模擬幾何非線性。因此人工質(zhì)量模型在地震模擬實(shí)驗(yàn)中獲得廣泛應(yīng)用，但對(duì)于大型建筑物，模型幾何比（sl）很小，人工質(zhì)量將大大超過(guò)模型本身的質(zhì)量，而模型各層空間有限，國(guó)內(nèi)外的絕大多數(shù)振動(dòng)臺(tái)設(shè)備承載能力均難以滿足

5、這一要求。因而在模型設(shè)計(jì)中常加以改進(jìn)。（3）忽略重力效應(yīng)的彈性模型 放棄sa=sg=1的條件，忽略重力效應(yīng)，會(huì)使模型反應(yīng)失真。在一般情況下，重力引起的結(jié)構(gòu)效應(yīng)與水平地震作用效應(yīng)相比是較為次要的，特別是在結(jié)構(gòu)反應(yīng)處于小變形階段不發(fā)生明顯幾何非線性的情況下，忽略重力效應(yīng)不會(huì)造成大的誤差。由于忽略重力效應(yīng)的模型中相似比sa1，即振動(dòng)臺(tái)要有較大的出力，而模型的頻率則較高，加載和量測(cè)設(shè)備要在高頻狀態(tài)下工作。這種模型對(duì)研究彈性狀態(tài)下的性能比較合適，但本項(xiàng)試驗(yàn)要求模擬結(jié)構(gòu)在7度大震作用下的反應(yīng)，結(jié)構(gòu)有可能進(jìn)入非彈性階段并產(chǎn)生較大位移。因此不宜采用忽略重力效應(yīng)的模型。（4）混合相似模型 使用微?；炷敛牧希?/p>

6、用一定的人工質(zhì)量盡量減少忽略重力效應(yīng)的影響。微?；炷敛牧系膹椖］^原型材料小，而泊松比和阻尼等特性與原型材料相近。2、模擬方案確定本試驗(yàn)選用混合相似模型的設(shè)計(jì)方案是較為理想的。由前述分析可知，結(jié)構(gòu)模型振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)的相似關(guān)系是根據(jù)運(yùn)動(dòng)基本方程建立的，相似關(guān)系應(yīng)滿足質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)平衡方程式相似、邊界條件相似和運(yùn)動(dòng)初始條件相似。相似關(guān)系可采用量綱分析法求得。對(duì)于結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)問(wèn)題，可表述為如下函數(shù)關(guān)系：式中：為結(jié)構(gòu)反應(yīng)應(yīng)力，為結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸，為構(gòu)件的彈性模量，為構(gòu)件的質(zhì)量密度，為時(shí)間，為結(jié)構(gòu)反應(yīng)變位，為結(jié)構(gòu)反應(yīng)速度，為結(jié)構(gòu)反應(yīng)加速度，為重力加速度，為結(jié)構(gòu)自振圓頻率。取,三者為基本量，其余各量均可以此為基礎(chǔ)按照

7、量綱分析的原理表示為,的冪次單項(xiàng)式。定義a在原型結(jié)構(gòu)中的數(shù)值為，在模型中的數(shù)值為，那么在模型設(shè)計(jì)中量a的相似比為。若使模型試驗(yàn)?zāi)苣M原型結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，各量的相似比必須滿足表1-1中的公式條件。一般情況下，振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)是模型試驗(yàn)，要做到所有物理量完全相似是十分困難的，甚至是不可能的。因此在實(shí)際試驗(yàn)中只能要求保證主要的物理量相似，不能要求所有的物理量都嚴(yán)格相似。根據(jù)表1-1（模型/原形=1/35）模型與原型的相似關(guān)系，根據(jù)振動(dòng)臺(tái)的承載能力，同時(shí)估算模型重量后，對(duì)模型配重進(jìn)行初步驗(yàn)算。其中彈性模量的相似關(guān)系需根據(jù)模型材料試塊的測(cè)試結(jié)果加以調(diào)整。 表1-1 模型與原型的相似關(guān)系（幾何比：模型/原型=1

8、/35）相似系數(shù)符號(hào)公式比值（模型/原型）尺寸sl模型l/原型l1/35彈性模量se模型e/原型e1/4.0加速度sasa= se sl2/ sm2.245質(zhì)量待添加的隱藏文字內(nèi)容3sm模型m/原型m1/11000時(shí)間stst =0.1128頻率sfsf=1/ st8.8641速度svsv =0.2533位移susu =1/35應(yīng)力1/4.0應(yīng)變1剛度sk0.0071阻尼sc0.000811.3模型設(shè)計(jì)及模型材料模型比例選用1/35，依據(jù)相似理論進(jìn)行模型設(shè)計(jì)。在模型設(shè)計(jì)、制作過(guò)程中與甲方和設(shè)計(jì)單位進(jìn)行34次討論和確認(rèn)。1）模型混凝土模型用微?；炷林谱?，材料為水泥沙漿。水泥為425r號(hào)硅酸鹽水

9、泥，骨料為粗砂和細(xì)砂。選用不同配合比使微?；炷吝_(dá)到不同的強(qiáng)度等級(jí)和彈性模量，以模擬原型c30c60混凝土。在模型制作過(guò)程中同時(shí)澆注規(guī)定數(shù)量的砂漿立方體試塊和棱柱體試塊以測(cè)定微?；炷敛牧系膹?qiáng)度和彈性模量。試塊和模型同時(shí)養(yǎng)護(hù)。材料性能試驗(yàn)在廣州大學(xué)廣東省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（教育部、科技部共建重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）進(jìn)行。彈性模量的測(cè)定是將棱柱體試塊（尺寸70.7mm70.7mm240mm）置于10t標(biāo)準(zhǔn)壓力試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行重復(fù)加載。使用荷載傳感器、千分表測(cè)荷載和變形，然后繪出應(yīng)力變形曲線，重復(fù)進(jìn)行加載和卸載，直到曲線的殘余變形不再增長(zhǎng)為止，加載和量測(cè)按照混凝土結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)（gb5015-92）的要求進(jìn)行。2）模型

10、鋼筋模型鋼筋采用回火鍍鋅鐵絲。根據(jù)剛度條件選用直徑為228等多種規(guī)格的回火鍍鋅鐵絲。根據(jù)模型和原型配筋率相似的原則進(jìn)行模型配筋，并滿足構(gòu)造要求。3）模型型鋼對(duì)型鋼的模擬采用剛度相似原則，梁柱型鋼、型鋼混凝土內(nèi)型鋼及支撐型鋼（包括工字型、十字型和箱型）用不同厚度的薄鋼板（或紫銅）焊接而成，模擬實(shí)際工程中不同截面的型鋼。4）模型鋼結(jié)構(gòu)對(duì)模型內(nèi)連桿、梁、柱等鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件，采用剛度相似的原則設(shè)計(jì)，選用成品鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件（或紫銅構(gòu)件）加工成形。5）模型鋼管混凝土模型鋼管混凝土采用鋼管（或紫銅管）微?；炷羴?lái)制作。鋼管（或紫銅管）內(nèi)灌注微?；炷?，微?；炷林屑尤肱蛎泟┮苑乐逛摴埽ɑ蜃香~管）與混凝土之間離析。根

11、據(jù)鋼管（或紫銅管）混凝土構(gòu)件整體剛度相似原則，盡量兼顧模型的強(qiáng)度相似，選擇不同壁厚和直徑的鋼管（或紫銅管）和不同配合比的微?；炷?。在模型制作前，先進(jìn)行小比例的構(gòu)件試驗(yàn)，確定材料的剛度和強(qiáng)度。6） 防屈曲支撐模擬防屈曲支撐（ubb）初步擬定小震作用下按剛度相似來(lái)模擬，大震時(shí)考慮換一批ubb，按阻尼相似模擬。具體模擬方案還要與設(shè)計(jì)方及制作方溝通協(xié)商確認(rèn)。1.4 測(cè)點(diǎn)布置測(cè)點(diǎn)的布置主要考慮測(cè)試模型的動(dòng)力特性、結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)以及關(guān)鍵部位的受力情況和彈塑性變形情況。因此，需要在適當(dāng)部位布設(shè)加速度傳感器、位移傳感器及應(yīng)變片。1.4.1測(cè)點(diǎn)布置原則1）模型動(dòng)力特性的測(cè)試由于在振型分析中只需加速度數(shù)據(jù)，在測(cè)

12、點(diǎn)布置上可僅布置加速度傳感器。測(cè)點(diǎn)主要分布在結(jié)構(gòu)模型兩個(gè)水平主振型方向上，中間點(diǎn)（a點(diǎn)）主要用于單方向主振型的測(cè)試，外圍點(diǎn)（f點(diǎn)）主要用于空間扭轉(zhuǎn)振型的測(cè)試。2）模型結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的測(cè)試為了解結(jié)構(gòu)模型在x、y、z三個(gè)方向上的地震反應(yīng)情況，加速度傳感器和位移傳感器沿結(jié)構(gòu)的三個(gè)方向布置。在a點(diǎn)布置加速度傳感器及位移傳感器。同時(shí)為了考慮結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，在f點(diǎn)布置位移傳感器。加速度傳感器及位移傳感器沿結(jié)構(gòu)高度布置，測(cè)點(diǎn)的豎向分布間距以反映結(jié)構(gòu)模型的整體情況為原則。3）應(yīng)變測(cè)點(diǎn)的布置應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置在重點(diǎn)觀測(cè)的柱、梁的桿件上，具體布置根據(jù)計(jì)算結(jié)果，并與設(shè)計(jì)方商討確定，監(jiān)測(cè)重點(diǎn)部位的受力情況和彈塑性變形情況。1

13、.4.2測(cè)點(diǎn)布置方案結(jié)構(gòu)測(cè)點(diǎn)的平面及豎向布置圖見(jiàn)圖1-6、1-7。模態(tài)測(cè)試及地震反應(yīng)測(cè)試用加速度傳感器測(cè)點(diǎn)布置方案見(jiàn)表1-2，共有74個(gè)通道。應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置在結(jié)構(gòu)復(fù)雜連接、轉(zhuǎn)換桁架、主要受力構(gòu)件、以及防屈曲支撐構(gòu)件等處。具體布置方案將根據(jù)計(jì)算結(jié)果與設(shè)計(jì)方商討后確定。1.5 試驗(yàn)工況及順序在進(jìn)行結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)試驗(yàn)之前，先進(jìn)行結(jié)構(gòu)的模態(tài)測(cè)試，分別在x、y、z三個(gè)方向輸入白噪聲，測(cè)定結(jié)構(gòu)震前的動(dòng)力特性，為了保證模型在彈性變形范圍內(nèi)，白噪聲的加速度幅值采用0. 05g。模態(tài)測(cè)試工況見(jiàn)表1-3。表1-3 模態(tài)測(cè)定試驗(yàn)工況試驗(yàn)序號(hào)輸入地震波輸入方向輸入加速度峰值(g)1白噪聲（0.140hz）x0.052白噪

14、聲（0.140hz）y0.053白噪聲（0.140hz）z0.05在每個(gè)地震水準(zhǔn)試驗(yàn)前后，各輸入一次白噪聲用以測(cè)定結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的變化情況。在多遇地震作用下，分別按甲方提供的人工波1、天然波1、天然波2三個(gè)地震波進(jìn)行x向、y向和z向的單向輸入，以便用來(lái)與按建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范彈性計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行比較和驗(yàn)證。然后再進(jìn)行最危險(xiǎn)方向74度方向輸入和x+y+z三向輸入。模型試驗(yàn)工況及順序見(jiàn)表1-4。在設(shè)防烈度地震作用下，分別進(jìn)行x向和y向單向輸入，以便與結(jié)構(gòu)動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析結(jié)果進(jìn)行比較。然后進(jìn)行x+y+z三向輸入。模型試驗(yàn)工況及順序見(jiàn)表1-5。在罕遇地震作用下，根據(jù)前面的實(shí)驗(yàn)選用最不利地震波，分別進(jìn)行x向和y向單向輸入和x+y+z三向輸入，以便與結(jié)構(gòu)動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析結(jié)果進(jìn)行比較。模型試驗(yàn)工況及順序見(jiàn)表。表1-2 多遇地震試驗(yàn)工況及順序試驗(yàn)序號(hào)輸入地震波輸入方向輸入加速度峰值（g）4人工波1x0.065天然波1x0.066天然波2x0.067人工波1y0.068天然波1y0.069天然波2y0.0610人工波1z0.0611天然波1z0.0612天然波2z0.0613白噪聲（0.1