結構檢驗 結構抗震實驗方法 第三章

1、第三章第三章 地震模擬振動臺實驗方法地震模擬振動臺實驗方法 趙均海趙均海 教授教授 3.1 3.1 引引 言言 地震模擬振動臺可以很好的再現(xiàn)地震過 程和進行人工地震的實驗，它是實驗室 中研究結構地震反應和破壞機理的最直 接方法 (視頻) 這種設備還可以用于研究結構動力特性、設 備抗震性能以及檢驗結構措施等內容，是目 前抗震研究中的重要手段之一。振動臺有一 維 、 二 維 和 三 維 的 ， 臺 面 尺 寸 從 0.8m0.5m16m16m不等，頻率范圍根 據用途不同可以從01000Hz不等。 3.2 3.2 地震模擬振動臺的發(fā)展狀況地震模擬振動臺的發(fā)展狀況 地震模擬振動臺始建于20世紀60年代

2、末的 美國Berkley加州大學，它6.1m6.1m的水 平、垂直兩向振動臺。隨后日本國立防災 科學技術中心建成了當時世界上最大的 15m15m水平或垂直單獨工作的地震模 擬振動臺。 到目前為止，根據文獻1，2和最近有關 資料的不完全統(tǒng)計，國際上已經建成了近 百座地震模擬振動臺(見表3-13-4)，主 要分布在日本、中國和美國三個國家，其 中日本擁有的振動臺規(guī)模最大、數量最多。 中國的地震模擬振動臺規(guī)模和數量也相當 可觀。 其余的一部分地震模擬振動臺分布在其它 有地震的國家，如墨西哥、加拿大、法國、 英國、葡萄牙、伊朗、前南斯拉夫、前蘇 聯(lián)、意大利、羅馬尼亞、希臘和德國等。 根據地震模擬振動臺

3、的承載能力和臺面尺 寸，振動臺基本可以分成三種規(guī)模，既小 型的承載能力為10t以下，臺面尺寸在 2m2m之內；中型的一般承載力在20t左 右，臺面尺寸在6m6m之內；而大型地 震模擬振動臺的承載力可達數百噸以上。 目前國際上正在建造的最大振動臺臺面尺 寸為15m25m，我國正在建造的最大振 動臺臺面為6m6m或者更大。 從表3-13-4可以看到，多數地震模擬振動 臺的規(guī)模是屬于中型的，既臺面尺寸在 2m2m6m6m之間，建造這樣規(guī)模的 地震模擬振動臺從投資、日常維護和能源 消耗三方面考慮都是比較合理的。 從驅動方式來看，大部分模擬振動臺都采 用電液伺服方式，即采用高壓液壓油作為 驅動源，這種方

4、式具有出力大、位移行程 大、設備重量輕等特點。一部分小型振動 臺采用電動式的。 從激振方向來看單項和雙向的較多，但是 隨著科學技術的發(fā)展和抗震研究水平的提 高，三向模擬振動臺不斷增多。其中一部 分是將原有的單向或雙向振動臺改造成三 向振動臺。關于地震模擬振動臺的使用頻 率一般是050Hz，個別有特殊要求的震動 臺可達100Hz以上。 振動臺的位移幅值一般在100mm以內， 速度在80cm/s之內，加速度可達2g。從模 擬控制方式分主要有兩種，一種是以位移 控制為基礎的PID控制方式，另一種是以位 移、速度和加速度組成的三參量反饋控制 方式。 地震模擬振動臺的數控方式主要還是采用 開環(huán)迭代進行臺

5、面的地震波再現(xiàn)。目前新 的自適應控制方式已經在電液伺服控制中 有所應用，對于地震模擬振動臺主要有三 種方式：一種是在PID控制基礎上進行的 連續(xù)矯正PID5,6；另外兩種是在三參量反 饋控制的基礎上建立的自適應逆控制方法 和聯(lián)機迭代法7。 模擬地震振動臺作為抗震研究的重要實驗 設備已經經歷了四、五十年的發(fā)展，在承 載能力、運動參數、控制自由度、控制技 術、實時波形再現(xiàn)以及數據的采集及數據 處理方面都得到了長足的進步。 目前我們應用的地震模擬振動臺主要有以 下特點： (1)載重和臺面尺寸越來越大，一般都具有 三向振動、六個自由度控制。為了能應用 于原子能設施的抗震試驗，其運動參數， 如加速度、速

6、度、行程位移都有所增大， 為此泵源動力大大提高。 (2)控制方式以散參量閉環(huán)多自由度控制為 基本控制方式，但在控制中增加了自適應 去諧波控制(ACH)自適應反函數控制(AIC) 和實時迭代控制(OLI)，使控制的波形更 好，波形迭代更快，效率更高。 (3)計算機系統(tǒng)CPU采用大量生產的Intel- Pentium處理器，計算機系統(tǒng)由原來的小 型機種改為商用的PC機，其他外部設備也 采用通用配置?？偟膩碚f，硬件成本大幅 度下降。 (4)以窗口操作系統(tǒng)支持的地震試驗和數據 采集，分析軟件包是試驗數據能夠容易、 快捷輸到其它存儲媒體上，以便在廣泛使 用的PC機上進行各種分析操作。地震波的 波形和諧的

7、再現(xiàn)由采用迭代修正輸入波形 的離線迭代方式，發(fā)展為實時修正控制回 路的一個補償濾波器硬件，使得期望的地 震波形和反應譜能夠在線的得以實現(xiàn)。 3.3 地震模擬振動臺的設計和建造地震模擬振動臺的設計和建造 地震模擬振動臺是一項復雜的高技術產品， 它的設計和建造涉及到土建、機械、液壓 傳動、電子技術、自動控制和計算機技術 等。 地震模擬振動臺作為一個復雜的系統(tǒng)主要 由如下幾個部分組成：臺面和基礎，高壓 油源和管路系統(tǒng)，電液伺服作動器，模擬 控制系統(tǒng)，計算機控制系統(tǒng)和相應的數據 采集處理系統(tǒng)。圖3-1為地震模擬振動臺 系統(tǒng)的示意圖，圖3-2為地震模擬振動臺 各組成部分。 圖圖 3-1 地震模擬振動臺系

8、統(tǒng)示意圖地震模擬振動臺系統(tǒng)示意圖 (a)臺面和基礎(b)高壓油源和管路系統(tǒng) (c)電液伺服作動器(d)控制系統(tǒng)和數據 采集處理系統(tǒng) 圖圖3-2 地震模擬振動臺各組成部分地震模擬振動臺各組成部分 3.3.1 振動臺的主要技術參數振動臺的主要技術參數 振動臺最主要的技術參數是激振力和使用 頻率范圍，這些參數在很大程度上取決于 作動器的工作性能。合理地選擇這兩個參 數使地震模擬振動臺既滿足實驗要求，又 能節(jié)省投資是十分重要的。 建筑結構的原材料特性和構造要求決定了 其模型實驗時的幾何相似比Se不宜過小，一 般不小于l/10，當實驗研究內容進入到彈塑 性范圍時，這個相似比還應大一些(否則尺 寸效應的影

9、響可能非常嚴重)。 根據結構模型的相似要求，振動臺的再現(xiàn) 加速度和實際加速度之比為Sa=1。按照目 前國家抗震設計規(guī)范規(guī)定；度地震區(qū)的 最大加速度為0.4g，因此振動臺能在最大 荷載下達到3倍最大加速度(1.2g)就具有較 大的加速度裕量了， 據此可以算出作動器的最大激振力(等于 加速度與整個運動質量的乘積)。而振動 臺的頻率上限是由伺服閥特性和系統(tǒng)流量 控制的，從模型方面考慮，多數情況下模 型的頻率相似比 ，可見如果模型的幾何相 似比為l/10，那么振動臺在滿載時上限頻 率不應低于33Hz。 所以使用頻率的選擇必須適當，過高地 要求上限頻率就必須加大伺服閥和油泵 的流量，從而導致投資增加；目

10、前多數 振動臺的使用頻率范圍是050Hz。 能夠綜合反映地震模擬振動臺激振力和頻 率特征的是最大功能曲線，如圖3-3所示。 圖圖3-3 作動器最大功能曲線（作動器最大功能曲線（A表示空載、表示空載、 B表示半載、表示半載、C表示滿載表示滿載） (該曲線為哈爾濱建筑大學3m4m地震模擬 振動臺作動器的最大能曲線)。最大功能曲線 全面反映了位移、速度、加速度、頻率和荷 載之間的關系。當臺面負荷減小時（C-A）， 則可以提高輸入加速度；當要提高振動臺的 頻率時，則臺面的位移幅值就要減?。煌瑯?在低頻情況下要想獲得較大的加速度也不現(xiàn) 實，除非增加投資采用能力更大的作動器。 3.3.2 臺面與基礎臺面與

11、基礎 振動臺的臺面需要有足夠的剛度和承載力， 以便臺面的自振頻率能夠避開振動臺的使 用頻率范圍，不至于造成系統(tǒng)的共振。一 般要求臺面的一階彎曲頻率高于 倍的使用 頻率上限，這樣基本可以保證臺面自身的 動力特性不影響振動臺的波形再現(xiàn)精度。 振動臺的臺面應當盡可能地輕，這樣可以 獲得更大的臺面承載力或者說獲得更大的 激振加速度。當然臺面的自重減小會造成 試件動力特性對振動臺系統(tǒng)特性影響更加 敏感，這個問題目前可以通過模控和數控 技術進行補償來解決。 另外，從理論上講，當臺面滿載時，臺面 的自振頻率會降低，但根據使用經驗證實， 由于臺面和模型之間幾乎是剛性聯(lián)接，試 件和臺面組成了一個整體，所以此時臺

12、面 的頻率不僅不降低，反而有所提高。 圖3-4 振動臺臺面 從材料方面來考慮，振動臺的臺面應當重 量輕、剛度大，鋁材料可能是最適合的材 料，因為鋁材密度小，局部剛度也很高。 但是從經濟性來考慮鋼結構的臺面是最廣 泛應用的。大多數的振動臺臺面是采用鋼 板焊接而成的格柵結構，如圖3-4所示 地震模擬振動臺的基礎設計處理是十分重 要的，如果設置不合理會對人身和建筑物 造成嚴重影響，這方面的例子是有的。目 前基礎設計的主要依據是根據基礎振動對 人、建筑物影響的定量分區(qū)曲線進行的。 研究結果表明，振動臺低頻段的激振力主 要由土壤抵抗，而20Hz以上的較高頻率激 振力主要由基礎的質量作用抵消， 基礎與臺面

13、的加速度比值恰好等于臺面(包 括試件在內)質量與基礎質量的比值。如果 基礎的最大加速度為0.005g，則基礎的最 小重量應等于20倍的最大激振力。通常是 選擇最大臺面重量(包括試件)的2050倍 作為基礎的重量?；A越大則振動臺的相 對運動越小，振動臺的性能就越好。 在共振區(qū)基礎的振幅較大，為了減小振幅， 只有提高基礎的阻尼比，然而土壤能夠提 供給基礎的阻尼是非常有限的，所以合理 地選擇基礎的幾何形狀，增大基礎的幾何 阻尼是一條有效的途徑。采用淺而大的基 礎將可以有效地增大幾何阻尼。 另一個問題是地震模擬振動臺的工作頻率 范圍比較寬，基礎的自振頻率一般都處于 振動臺的工作頻率范圍內，這是基礎設

14、計 無法避免的。當振動臺輸入隨機波時問題 不大，當進行周期振動或掃頻實驗時，可 能產生較嚴重的共振問題。 3.3.3 液壓源及管路液壓源及管路 如果按照地震波的最大速度值來設計液壓 泵站的流量，那么需要采用較大流量的液 壓泵站。地震過程是一個短時間的脈沖過 程，而較大流量的液壓泵站將會造成很大 的能源浪費，這樣作既不經濟也不合理。 目前的做法是采用較小的液壓泵站(見圖3- 2(b)，利用大型蓄能器來提供給作動器瞬 時所需的巨大能量10。一般的地震波持時 是在lmin之內，這樣就為采用大型蓄能器 進行壓力補償提供了可能，在容許的壓力 下降范圍內，蓄能器提供大的流量，而液 壓泵站可以是小流量的，這

15、種供油方法是 地震模擬振動臺比較經濟的供油方式。 液壓管路主要用于將油泵與作動器聯(lián)系起 來,為作動器提供高壓油，一般是用鋼管(見 圖3-2(b)將高壓油引到作動器附近，再用 軟管與作動器聯(lián)接起來；需要注意的是軟 管不宜太長，否則在實驗過程中軟管可能 產生振動，嚴重時將造成管路損壞。 3.3.4 振動臺的技術指標振動臺的技術指標 評價振動臺的性能有許多技術指標11，對 于單水平向的地震模擬振動臺應著重考慮 的是如下幾項：加速度波形失真度，加速 度豎向分量，臺面主震方向的加速度不均 勻度，橫向加速度分量，背景噪聲和地震 波再現(xiàn)能力。表3-5為一單水平向3m4m 地震模擬振動臺的實測結果12。 表表

16、3-5 振動臺技術指標測試結果振動臺技術指標測試結果 關于主震方向的加速度不均勻度國內一般規(guī) 定在20%以內，美國要求小于10%，而日本 則要求小于5%(避開局部共振)。對于橫向加 速度分量國內規(guī)定是小于20%，一些振動臺 的實測結果也是在15%左右。美國MTS公司、 日本三維振動設施委員會和德國SCHENCK 公司均要求橫向加速度分量小于5%，但是 實現(xiàn)這個數值還是有一定困難的。 背景噪聲定義為振動臺輸入信號為零時，由 于油源振動以及電路噪聲等造成的臺面加速 度反應，一般是用信噪比來表示。國內一般 要求信噪比大于50dB，而美國MTS公司和 日本規(guī)定背景噪聲指標應小于最大功能的 l%，德國S

17、CHENCK公司提出小于0.015g。 但是這些規(guī)定均存在一些問題，一般抗震實 驗中使用的地震波最大加速度在0.3g左右， 如果按這個數值考慮則信噪比的數值就較小， 噪聲對實驗的影響增大了。 地震波的再現(xiàn)能力是振動臺的一項重要 技術指標，但它在概念上比較籠統(tǒng)，沒有具 體的標準，一般是通過臺面再現(xiàn)的波形和期 望的波形進行比較來判斷。 3. 4 控制系統(tǒng)與控制方法控制系統(tǒng)與控制方法 3.4.1 模擬控制模擬控制 地震模擬振動臺的控制系統(tǒng)主要由兩部分 組成，一部分是模擬控制部分，另一部分 是數控部分。 也有設備公司新開發(fā)了一種控制軟件，即在 期望信號的基礎上生成一個具有給定誤差的 上下波形包絡，當再

18、現(xiàn)信號位于包絡之中時 即認為波形再現(xiàn)滿足要求；這種方法對于小 型振動臺可以使包絡與期望加速度波形的誤 差小于3%。 模擬控制的方法目前主要有兩種：一種是 采用位移反饋控制的PID控制方法，同時利 用壓差反饋作為提高系統(tǒng)穩(wěn)定的補償，德 國SCHENCK公司就是采用這種方法；另一 種方法是將位移、速度和加速度共同進行 反饋的三參量反饋控制方法，美國MTS公 司就是采用這種控制方法。 圖3-5是采用PID控制方式的單作動器驅動 的振動臺系統(tǒng)框圖，文獻13對這種控制方 式下的單向地震模擬振動臺進行過較詳細 的分析討論。圖3-6是采用三參量反饋控制 的單作動器振動臺系統(tǒng)。 圖3-5和圖3-6只是用于單向

19、振動臺的單作動 器控制回路，對于一般的三向地震模擬振 動臺，其模擬控制系統(tǒng)是相當復雜的，既 要考慮到兩個水平方向X和Y的獨立控制， 又要能夠解決交叉耦合的影響，對于垂直 方向z也存在相同的問題。 圖圖3-5 PID控制方式的振動臺系統(tǒng)控制方式的振動臺系統(tǒng) 圖圖3-6 三參量控制方法的振動臺系統(tǒng)三參量控制方法的振動臺系統(tǒng) 多數情況下每個水平方向都是用兩個作動 器驅動的；與單個作動器相比，雙作動器 驅動主要是二者的同步問題，目前主要采 用兩種方法來控制雙作動器，一種稱為大 閉環(huán)反饋法，另一種稱為單獨閉環(huán)反饋法， 如圖3-7所示。 圖圖3-7 雙作動器的兩種同步控制方法雙作動器的兩種同步控制方法 大

20、閉環(huán)控制方法的優(yōu)點是調整方便，因為 形式上雙作動器的控制相當于一個單獨的 作動器；而單獨閉環(huán)控制方法的優(yōu)點是兩 個作動器相互之間的影響較小，但調整起 來比較麻煩。與第二章中雙水平向周期性 加載實驗的情形相類似，振動臺在兩個水 平方向也存在著耦合問題，所以在振動臺 的兩個水平方向控制中要將耦合影響盡可 能地消除掉。 根據第二章的式(2-11)和式(2-12)，可以在 控制系統(tǒng)中采用補償的方法來消除耦合的 影響，其原理如圖3-8所示；從圖中可見， 只要將X方向的命令信號平方之后與Y方向 的命令信號疊加作為Y方向的系統(tǒng)輸入即 可消除X方向在Y方向造成的影響，反之將 Y方向命令信號補償到X方向則可以消

21、除Y 方向運動在X方向造成的影響。 圖圖3-8 雙作動器交叉耦合的補償方法雙作動器交叉耦合的補償方法 三向地震模擬振動臺控制中最復雜的部分 是垂直方向的控制，因為四個豎向作動器 所受外荷載最為復雜，不僅有臺面和試件 的重力荷載，而且還有傾復力矩、偏心力 矩等。四個作動器不僅要控制其平移，而 且要控制其傾斜和搖擺，同時也要考慮消 除與水平運動方向的交叉耦合影響。 一般情況下四個作動器的豎向平移控制與 圖3-7所示的同步控制方式類似，只是將兩 個作動器擴展到四個作動器；而傾斜和搖 擺控制則是根據四個作動器的位置將其信 號進行相關的加、減組合作為反饋信號對 每個作動器進行適當的控制補償。 文獻14提

22、出了一種用動態(tài)激振系統(tǒng)與靜力 平衡系統(tǒng)為一體的豎向振動控制結構方案， 通過三參量反饋控制的方法，可以有效地 改善系統(tǒng)的動態(tài)特性，提高系統(tǒng)的頻寬， 同時該系統(tǒng)具有很強的抗干擾能力和跟蹤 能力。 3.4.2 數字控制數字控制 地震模擬振動臺實驗面對的試件多種多樣， 地震模擬振動臺所要控制的是一個非常復 雜的對象，而且這個對象是無法用數字模 型來準確描述的，它不僅與模擬控制系統(tǒng)、 作動器、臺面有關，而且與試件的特性也 有關系， 尤其是被試結構模型在實驗過程中不斷出 現(xiàn)彈性塑性的變化直至整個結構破壞，所 以整個振動臺系統(tǒng)在實驗過程中特性變化 很大。在這種情況下，只采用模擬控制方 法是遠遠不夠的，需要采

23、用數字控制技術， 而且要實現(xiàn)準確控制振動臺的目的則必須 采用自適應控制方法才行，這在目前還很 難做到，一是技術復雜，二是投資太大。 所以目前地震模擬振動臺的數字控制基本 都是采用數字迭代方法。 地震模擬振動臺的數字迭代法是一種開環(huán) 控制方法，圖3-9為數字控制系統(tǒng)模型。數 字迭代控制方法是每次驅動振動臺之后， 將臺面再現(xiàn)結果與期望信號進行比較，根 據二者的差異對驅動信號進行修正后再次 驅動振動臺，再比較臺面再現(xiàn)結果與期望 信號，直到臺面再現(xiàn)結果滿足要求為止。 這個過程具體可以通過三個步驟來完成： 首先：通過輸入輸出信號建立系統(tǒng)的傳遞 函數； 其次：由期望信號和傳遞函數重新計算輸 入信號； 第三

24、：重新檢驗臺面的再現(xiàn)情況。 圖圖3-9 數字控制系統(tǒng)模型數字控制系統(tǒng)模型 根據圖3-9，設x(t)為輸入信號，y(t)為臺面 再現(xiàn)加速度反應，x0(t)為臺面的期望信號， 則系統(tǒng)傳遞函數為 () () () Y j H j X j (3-1) 傳遞函數H(jw)是一個求得的實驗結果，根 據臺面期望信號x0(t)的傅里葉譜X0(jw)，則 驅動信號由下式求出： 0 () () () Xj X j H j (3-2) 系統(tǒng)中存在著控制誤差、測量誤差和非線 性誤差等，所以降低這類誤差的影響需要 采用多次迭代修正輸入信號的方法。圖3- 10和圖3-11給出的是兩種常用的迭代程序 框圖15 一種稱為直接

25、迭代法，即每次驅動振動臺 之后直接采用輸入輸出信號求取傳遞函數； 第二種稱為修正迭代法，它是通過計算臺 面反應值和期望值的差值來修正輸入信號 的。上述兩種方法在實際中都是比較有效 的，理論上第二種方法迭代精度更高，但 是第一種方法簡單適用、處理速度快。 圖圖 3-10 直接迭代法程序框圖直接迭代法程序框圖 圖圖3-11 修正迭代法程序框圖修正迭代法程序框圖 關于波形再現(xiàn)精度問題是很復雜的，在具 體應用過程中往往是通過臺面上的再現(xiàn)信 號和期望信號的圖形比較來判斷再現(xiàn)精度 的，一般是較大峰值處兩者的差值小于5% 就可以接受，而在零線附近的小峰值處誤 差可能大一些，圖3-12是一個經過三次迭 代后臺

26、面再現(xiàn)的地震波(上)與期望地震波 (下)的比較，兩者雖然在小幅值處有一些 差別，但是整個波形吻合得非常好。 圖圖3-12 臺面再現(xiàn)波形臺面再現(xiàn)波形(上上)與期望波形與期望波形(下下)的比較的比較 劉永昌等人16提出了一種地震模擬振動臺 波形再現(xiàn)的定量判別方法，該方法首先將期 望信號和臺面響應信號的誤差能量定義為： 2 1 2 21 1 () N nn n N Qxay NN (3-3) 式中：xn是期望信號，yn是響應信號，N1 和N2分別為信號序列的起點和終點，是一 個待定參數 根據Q取最小值的原則可以求得值為： 2 1 2 1 2 N nn n N N n n N x y y (3-4)

27、將式(3-4)帶入式(3-3)可得： 2 2 1 2 1 1 2 2 212 1 1 N nn N n N n N n N n n N x y Qx NN y (3-5) 定義相對誤差為： 2 1 2 2 12 1 1 1 xy N n n N Q K x NN (3-6) 式中： 2 1 22 11 1/2 22 N nn n N xy NN nn n Nn N x y K xy (3-7) 顯然|Kxy|l，當Kxy趨近于l時相對誤差趨近 于0，所以Kxy可以作為期望信號xn和響應信 號yn相似的一種度量。文獻16的應用結果 表明，當取Kxy0.95時，響應信號yn和期望 信號xn已經非常

28、吻合。 從另一個角度來看，地震波本身也是隨機信 號，完全精確地再現(xiàn)期望信號也沒有多大的 實際意義。而針對于實驗模型進行理論計算 時，采用的輸入地震動可以直接應用臺面再 現(xiàn)的時程記錄，這樣可以保證理論計算結果 和實驗結果是采用了完全相同的地震記錄 3.4.3 數據采集和處理數據采集和處理 振動臺實驗中采集數據需要許多傳感器和 測試儀器，不同的試件由于實驗目的、試 件特征等內容都相差很大，所以使用的儀 器儀表在種類和數量上也不盡相同：常用 的測試傳感器有加速度計(用于測量加速度 響應)、位移傳感器(用于測量試件的相對位 移或絕對位移)、應變片(主要用于測量試件 不同部位的應變響應) 這些傳感器及相

29、關儀器的選擇在建筑抗 震試驗方法規(guī)程中已經給出了一些具體 原則17，對于一般的結構模型進行振動臺 實驗，按照這些原則選擇測量儀器設備就 可以了；對于特殊的試件(例如剛度非常大 的試件)，那么在測量儀器方面還要根據實 驗情況作適當的考慮。 目前振動臺實驗的數據采集都實現(xiàn)了計算 機采集和存貯，即在實驗過程中將所有 的測試信號由計算機同步地采集到計算機 中，這樣不僅有利于實驗數據的保存，而 且為下一步的實驗數據處理提供了先決條 件。 3.5 地震模擬振動臺的實際應用地震模擬振動臺的實際應用 地震模擬振動臺的應用范圍非常廣泛，涉 及的領域很多。試件的形式除了最為常見 的建筑結構和構件之外，其它方面的實

30、驗 應用也非常多，例如橋梁結構、塔桅結構、 水工結構、離岸結構、核電結構、基礎工 程、巖土工程、城市管道、電力設備、化 工設備、通訊設備、室內裝飾與家具、人 體工程與地震心理等等。 振動臺實驗數據的處理工作比較容易進行， 因為目前振動信號處理的軟件比較多，用 這些軟件可以非常方便地得到試件響應的 頻譜、均值、方差等內容。然后可以將這 些分析結果或圖形打印輸出。 在過去的幾十年中，地震模擬振動臺實驗 在抗震研究和工程實際中取得了重要成果， 幾屆世界地震工程大會都有大量的實驗與 應用的文章；另外，國內外與地震工程和 結構工程相關的雜志每年都有大量的振動 臺實驗文章發(fā)表。 為了比較全面詳細地介紹地震

31、模擬振動臺 實驗過程，這里以一個具體實驗為例進行 介紹。文獻27中提出了一種耗能-隔震柔 性底層框架結構體系，分析表明這種隔震 和耗能減震方法是很有效的。為了研究這 種采用耗能-隔震柔性底層之后結構的隔震 性能、損傷情況以及與傳統(tǒng)的鋼筋混凝土 框架進行對比，針對三種不同類型的1:4模 型試件進行了不同工況下的振動臺實驗28 3.5.1 實驗模型的設計和制作實驗模型的設計和制作 為了進行比較，試件制作考慮了三種類型， 如圖3-13所示；圖中(a)為傳統(tǒng)的鋼筋混凝 土框架結構，(b)為不加橡膠隔震器的耗能 -隔震柔性底層結構，(c)為加入橡膠隔震 器的耗能-隔震柔性底層結構。 三種試件均為三層結構

32、模型，實驗著重研 究耗能-隔震柔性底層框架結構的抗震性能 和減震效果，并與傳統(tǒng)的鋼筋混凝土結構 的實驗結果進行比較，研究兩種結構體系 在地震作用下的耗能分布、損傷分布以及 整體結構的損傷情況。 圖圖3-13 三種結構類型的試件三種結構類型的試件 原型結構的設計工況為7度抗震設防、2類 場地條件、近震。鋼筋混凝土框架為剪切 型的，按我國現(xiàn)行抗震設計規(guī)范設計29， 結構每層重量為40t，總重量為120t，三層 柱子的尺寸和配筋等完全相同，柱截面為 正方形，尺寸為bh=240240mm，保護 層a=40mm，混凝土采用C30 鋼筋為4 20，配筋率=1.25，最大軸壓 比為n0=N/(Rabh0)=

33、0.24(Ra=25 MPa)，柱高 H=3000mm，箍筋選用 8200，柱端箍筋 局部加密到間隔s=100mm。鋼管混凝土耗 能-隔震柔性底層框架的上部兩層為鋼筋 混凝土框架，與圖3-13(a)所示框架完全相 同 鋼管混凝土柱采用普通的A3鋼管，外徑 D=159mm，壁厚t=6mm，柱高也為 3000mm橡膠隔震器在設計中采用廠家生 產的標準產品，但在模型實驗中由于沒有 合適型號的標準橡膠隔震器，采用了自制 的橡膠隔震器，具體參數是通過實驗測定 的 根據地震模擬振動臺的承載能力和尺寸要 求，以及模型制作和安裝等方面的考慮， 模型的相似比選定為1:4，模型的各相似常 數列于表3-6中 表表3

34、-6 框架實驗模型的相似常數框架實驗模型的相似常數 根據表3-6中給出的相似常數，模型試件 的有關尺寸列于表3-7 表表3-7 實驗模型的參數實驗模型的參數 圖3-14為三層鋼筋混凝土框架模型和耗能- 隔震柔性底層框架模型的配筋圖，為了保 證框架為剪切型的，橫梁的截面設計得較 大，縱筋為4 14螺紋鋼，箍筋為 6l00， 混凝土強度與柱的相同,經驗算梁的線剛度 大于柱的線剛度5倍以上，可以保證框架 模型為剪切型 圖圖3-14 三層實驗模型的配筋圖三層實驗模型的配筋圖 由于實驗模型的尺寸較小，整體制作比較 困難，所以每個試件按單榀制作，然后將 兩榀框架組合在一起形成一個完整的試件。 三層的單榀鋼

35、筋混凝土框架制作了兩個， 用于組裝成一座三層鋼筋混凝土框架試件； 二層的單榀鋼筋混凝土框架制作了四個， 與八根鋼管混凝土柱一起組成二座三層的 耗能-隔震柔性底層框架試件 在每榀框架上放置了相應的預埋件，用于 將兩榀框架組裝成完整的試件；每根鋼管 混凝土柱與鋼筋混凝土框架之間采用四根 M10的螺栓進行連接，其強度大于鋼管混 凝土柱的強度，可以保證聯(lián)接件不產生破 壞。鋼筋混凝土框架中梁、柱的縱筋和箍 筋的力學性能以及鋼管混凝土的鋼管性能 列于表3-8中 表表3-8 鋼筋和鋼管的力學性能鋼筋和鋼管的力學性能(N/mm2) 由于框架模型是剪切型的，其研究的重點主 要放在框架結構的柱子上，所以在保證實驗

36、 結構模型是剪切型的前提下，根據相似比， 實驗模型框架柱采用了微?；炷?，配合比 為 水 泥 ： 水 ： 細 骨 料 ： 粗 骨 料 l:0.25:1.25:2.5，水泥為425號普通的硅酸鹽 水泥，細骨料為最大粒徑小于2.5mm的砂料， 粗骨料是最大粒徑在2.5-5.0mm之間的砂料 框架梁采用了普通的混凝土澆注。有關立方 強度列于表3-9，鋼管混凝土柱中填充的混 凝土與鋼筋混凝土柱是完全一樣的，也是微 ?；炷?，而且是同時進行澆注的 表表3-9 混凝土立方體強度混凝土立方體強度(N/mm2) 3.5.2 鋼筋混凝土框架模型的振動臺實驗鋼筋混凝土框架模型的振動臺實驗 (1)實驗步驟和量測內容

37、 三層剪切型鋼筋混凝土框架模型是在 3m4m地震模擬振動臺上進行的，試件 每層的配重2t，共計6t，實驗簡圖如圖3- 15所示 圖圖3-15 三層鋼筋混凝土框架的振動臺實驗簡圖三層鋼筋混凝土框架的振動臺實驗簡圖 對于鋼筋混凝土框架模型的振動臺實驗，圖 中的隔震器是沒有的，隔震器是在進行耗能 -隔震柔性底層框架模型實驗時才安裝的。 實驗輸入的地震波為EL-Centro(S-N)波； 根據模型的相似比，將輸入地震波的持時進 行了壓縮處理。輸入的地震波峰值首先調整 為0.05g進行了輸入。 采用小幅值輸入，一方面是為了得到結構在 彈性范圍的動力特性，另一方面是為了將振 動臺的臺面反應進行迭代，以期達

38、到理想的 效果。此后將輸入地震波的加速度峰值加大 到0.5g，進一步研究結構模型在強震作用下 的破壞情況。實驗過程中直接測量的結構反 應信號是位移和加速度，采用的是位移傳感 器和加速度傳感器，測點布置在結構的梁端 上，如圖3-l5所示。 考慮到可能出現(xiàn)的扭轉效應，在兩榀框架的 2層和3層均布置了位移和加速度傳感器，以 備后期數據處理時用于修正。圖3-15中a0 a5代表加速度傳感器，d0d5代表位移傳感 器。位移和加速度信號均由計算機自動采集 存貯于磁盤中。 (2)實驗結果。 鋼筋混凝土三層框架模型經過小震過程(輸 入0.05g)和強震過程后(輸入0.5g)，根據模型 的地震反應記錄可以得到其

39、頻譜特性如圖3- 16所示，表3-10進一步給出了兩種地震工況 后模型各階頻率的具體數值。 圖圖3-16 兩種峰值加速度下實驗模型反應的頻譜圖兩種峰值加速度下實驗模型反應的頻譜圖 表表 3-10 實驗模型的各階頻率實驗模型的各階頻率(Hz) 振動臺輸入0.5g的EL-Centro地震波后，實驗模 型各層的位移反應和加速度反應示于圖3-17中。 圖中各層的位移為相對于地面的位移，加速度 為絕對加速度。 圖圖3-17 三層三層RC框架模型結構的地震反應框架模型結構的地震反應(EL-Centro波波0.5g) 由于振動臺實驗中無法直接測量試件的層間 剪力，為了得到試件各層的滯回曲線和滯回 耗能，需根

40、據結構各層測得的數據間接求出。 由于實驗數據是數字化的結果，所以試件各 層的剪力由下式計算： ( )( ) n kikki k r tm x t (3-8) 式中：下標k代表層號， 為第k層在ti時刻的 絕對加速度值，mk為第k層的質量 實驗模型在地震作用下的層間滯回耗能可由 下式計算： 11 1 1 2 m hkkikikiki i Ertrtxtxt (3-9) 式中：為第k層的層間位移，求和上限m為振 動持時下的采樣點總數。圖3-18給出了試件 在地震作用下的層間滯回曲線，圖3-19給出 了各層的累積滯回耗能隨時間的變化。 圖圖3-18 三層三層RC框架模型在地震作用下的層間滯回曲線框架

41、模型在地震作用下的層間滯回曲線 圖圖3-19 三層三層RC框架模型在地震作用下的層間累積滯回耗能框架模型在地震作用下的層間累積滯回耗能 為了進一步評價三層鋼筋混凝土框架模型的 地震損傷，采用Y.J.Park和A.H.S.Ang提出的 鋼筋混凝土結構雙參數損傷模型30,31，基于 實驗數據并經計算得到三層鋼筋混凝土框架 模型在EL-Centro(S-N)地震波作用下的損傷 指數，峰值加速度為0.5g，計算結果列于表 3-11。 表表 3-11 三層三層RC框架的地震損傷框架的地震損傷 表中的損傷結果與試件的物理破壞特征相 比較，與文獻31中描述的情況吻合良好， 底層柱子根部水平裂縫貫穿整個截面，

42、二 層和三層柱根的水乎裂縫也達到三分之一 的截面尺寸。 3.5.3 耗能耗能-隔震柔性底層框架模型的振動臺實隔震柔性底層框架模型的振動臺實 驗驗 (1)耗能-隔震柔性底層結構的有關問題 對于耗能-隔震柔性底層結構體系，其構 造和設計上主要有兩個問題： 一是鋼管混凝土柱與橡膠隔震器的重 力分配問題，因為在應用過程中需要隔震 器承擔一定的重量，使隔震器和柱子合理 地分擔上部結構的重量； 另一個問題是底層的失穩(wěn)問題，由于 底層是柔性的，地震作用下底層變形較大， 所以失穩(wěn)問題是必須考慮的。 耗能-隔震柔性底層主要由鋼管混凝土柱 和隔震器組成，所以它的失穩(wěn)問題可從鋼 管混凝土柱和隔震器兩方面來考慮。對于

43、 鋼管混凝土柱，它在結構中屬壓彎構件， 可按有關的計算方法和規(guī)程設計計算32,33。 根據鋼管混凝土柱在耗能-隔震柔性底層 結構中的作用，如果沒有隔震器的承重作 用，則按一般結構的倒塌定義， 當鋼管混凝土柱在水平地震力下超過極限 位移，且承載力下降到最大承載力的80% 時即認為結構倒塌。正是由于隔震器的承 重作用，并具有很強的水平變形能力，所 以耗能-隔震柔性底層的水平位移超過鋼 管混凝土柱的破壞位移后仍保證結構不倒 塌，因此隔震器是否失穩(wěn)將成為關鍵 對于橡膠隔震器，當豎向荷載保持恒定時， 根據有關實驗結果34，在一定范圍內水平 荷載與水平位移呈線性關系，最大剪切變 形由疊層橡膠的幾何尺寸與材

44、料特性所決 定。疊層橡膠隔震器的破斷剪切變形率(即 破斷水平位移/橡膠的總厚度ntr)大約為3.7 甚至更高，取安全系數1.5 則橡膠隔震器的最大允許水平位移為： 2.5 Hr nt(3-10) 式中：n為橡膠的層數，tr為每層橡膠的厚 度。由于隔震器在耗能-隔震柔性底層結構 中起承重作用，所以上式可作為底層不失 穩(wěn)的允許最大變形。 (2)實驗步驟和測量內容。 耗能-隔震柔性底層框架模型的尺寸與上節(jié) 中的鋼筋混凝土框架模型完全一樣，實驗 步驟和量測內容也與上節(jié)完全相同，直接 測量框架模型的各層位移和加速度。輸入 的地震波仍是先輸入較小幅值的地震波以 測得結構彈性范圍的動力特性，然后輸入 較大的

45、地震波使結構產生破壞， 用以比較耗能-隔震柔性底層框架模型與鋼 筋混凝土結構之間地震反應和地震損傷的 差異。具體工況是先未放置橡膠隔震器(稱 為DMl模型)，輸入0.1g和0.5g的EL-Centro 波之后加入橡膠隔震器(稱為DM2模型)， 同樣進行輸入0.1g和0.5g的EL-Centro波的 實驗。 (3)實驗結果 圖3-20分別給出了模型DM1和DM2在0.1g 和0.5g地震輸入下，模型結構地震反應的 頻譜特性，具體數值列于表3-12。 圖圖3-20 兩種模型兩種模型DM1和和DM2的頻譜特性的頻譜特性 表表 3-12 實驗模型的各階頻率實驗模型的各階頻率(Hz) 從表3-12可以看

46、到，DMl經0.5g的EL-Centro地震 波后頻率有所下降，說明結構模型有了一定的損 傷，但對試件的表面觀察未發(fā)現(xiàn)上部二層鋼筋混 凝上框架柱出現(xiàn)裂紋。而DM2在0.5g的EL-Centro 地震波后在二層和三層柱根處均出現(xiàn)了一定的裂 紋，這主要是由于加入了橡膠隔震器后增大了底 層的剛度，造成了破壞的位移。 圖3-21給出了輸入加速度峰值為0.5g的EL- Centro波時，結構模型DMl的各層位移反應 和加速度反應 圖圖3-21 結構模型結構模型DM1的地震反應的地震反應(EL-Centro波波0.5g) 圖3-22為同樣輸入下結構模型DM2的各層 位移反應和加速度反應 圖圖3-22 結構

47、模型結構模型DM2的地震反應的地震反應(EL-Centro波波0.5g) 圖3-23分別給出了結構模型DMl和DM2在 0.5g的EL-Centro(S-N)地震波作用下各層的 滯回曲線，其中層間剪力是按式(3-8)計算 得到的。根據式(3-9)，可以得到結構模型 DMl和DM2的層間累積滯回耗能，其結果 示于圖3-24中。 圖圖2-23 模型模型DM1和和DM2的層間滯回曲線的層間滯回曲線(EL-Centro波波0.5g) 圖圖2-24 模型模型DM1和和DM2的層間滯回耗能的層間滯回耗能(EL-Centro波波0.5g) 第二章針對鋼管混凝土柱的地震損傷問題， 基于Y.J.Park和A.H

48、.S.Ang提出的雙參數損傷 模型，通過實驗的方法確定了損傷模型的 參數。表3-13給出了模型DM1和DM2在0.5g 的EL-Centro(S-N)地震波輸入下的損傷值， 其中底層的鋼筋混凝土柱的地震損傷值采 用了第二章的有關公式。 3-13 DM1模型和模型和DM2模型的地震損傷指數模型的地震損傷指數 3.5.4 兩種結構體系的地震實驗結果比較與分析兩種結構體系的地震實驗結果比較與分析 上述兩部分分別給出了三層鋼筋混凝土框 架模型(簡稱RC模型)和耗能-隔震柔性底 層結構模型DMl、DM2的地震實驗結果。 下面將從不同的方面比較兩種結構體系在 地震作用下的性能。 (1)各層反應量的比較。

49、根據上述三種模型結構的振動臺實驗結果， 將0.5g的EL-Centro波輸入下三種模型的最 大層間位移和層加速度數值列于表3-14。 表表 3-14 最大層間位移和加速度反應試驗結果最大層間位移和加速度反應試驗結果 從表3-14的結果可見，DMl和DM2模型的底 層位移與RC模型大致相當，但上部兩層的 層間位移均小于RC模型的實驗結果，第二 層和第三層減小量最大可達11和63。 從各層的加速度反應來看，耗能-隔震柔性 底層結構體系能有效地降低各層加速度反 應，與RC模型相比，各層降低了58%、47 和33。 另外，從表中可以看到，DM2模型的減震 效果不如DMl模型，這主要是加入了橡膠 隔震器

50、之后，底層的剛度和屈服力增大所 致，從而造成了地震損傷沿著層高上移。 如果底層鋼管混凝土柱的剛度、橡膠隔震 器的剛度與上層鋼筋混凝土柱的剛度分配 理想，則DM2模型的減震效果會更加明顯。 圖3-25給出了RC模型(虛線)與DMl模型(實 線)層間變形和各層加速度的實驗結果比較。 圖圖2-25 RC模型和模型和DM1模型的地震實驗結果比較模型的地震實驗結果比較 (2)累積滯回耗能和損傷分析。 為了進一步分析和比較耗能-隔震柔性底層 結構與一般鋼筋混凝土結構的抗震性能， 需要研究兩種結構體系在地震作用下的滯 回耗能和損傷狀況。根據前面的實驗結果， RC模型和DMl、DM2模型在相同地震作用 下各層

51、的累積滯回耗能及分布是有所不同 的，具體數值列于表3-15。 表表 3-15 三種框架模型的地震累積滯回耗能及其分布三種框架模型的地震累積滯回耗能及其分布 從表中的實驗數據可見，對于RC模型，各 層的滯回耗能占總滯回耗能的百分比分別為 57、28和15%，而耗能-隔震柔性底層 結構模型的底層滯回耗能占有很大的比重； 對于DMl和DM2兩種模型分別為71和63。 比較DMl和DM2，由于DM2模型底層剛度 的增加，從而影響了各層的耗能分布，使結 構上層的累積耗能有所增加；即使如此， DM2模型與RC模型相比，其上部的滯回耗 能無論是絕對量值還是耗能分布均小于RC 模型的數值。 從采用雙參數損傷模

52、型的計算結果來看，耗 能-隔震柔性底層結構的損傷比鋼筋混凝上 結構的損傷輕微。根據表3-13的計算結果， DMl模型比RC模型的各層損傷分別降低了 27、36%和52%；比較DM2模型和RC模 型，其結果分別是36、18和35。 顯然，底層剛度增加后造成了損傷的上移， 這一點與表3-11的耗能及其分布的結果是一 致的。因此，單純從減輕上部結構的損傷來 看，底層的剛度和屈服位移比較小是有利的， 但從損傷在結構各層的分布上還是需要合理 地考慮控制上部結構剛度與底層剛度的比例， 以利于發(fā)揮結構整體的能力。 3.5.5 結結 論論 這里通過一座三層的鋼筋混凝上框架模型 的振動臺實驗、兩座三層的耗能-隔

53、震柔 性底層框架模型的振動臺實驗，研究了兩 種結構體系在地震作用下的損傷情況，得 到了如下的結論： (1)新提出的耗能-隔震柔性底層結構體系， 經實驗的檢驗，證明這種結構體系可以有效 地減輕上部結構的地震損傷；比較兩種結構 體系的實驗結果可見，DMl和DM2模型上部 各層的層間位移、層間滯回耗能和損傷指數 均小于RC模型的相應值。 (2)從耗能-隔震柔性底層本身來看，其層間 位移和滯回耗能與鋼筋混凝土結構的底層位 移和滯回耗能大致相等，但其地震損傷指數 卻小于鋼筋混凝土結構的相應值，這主要是 因為鋼管混凝土柱具有較好的延性和較好的 抗損傷能力。 (3)由于耗能-隔震柔性底層中采用了橡膠隔 震器

54、作為支承部件承擔了一部分結構的重量， 所以采用雙參數損傷模型計算底層鋼管混凝 土柱的地震損傷不盡合理，事實上得到的底 層損傷指數是偏于保守的。對于如何更準確 地刻劃耗能-隔震柔性底層的地震損傷還需 作進一步的研究工作。 參考文獻參考文獻 1 黃浩華. 地震模擬振動臺的發(fā)展情況介紹J. 世界地震 工程, 1986, 4751. 2 F. A. Noor and L. F. Boswell. T. P. Tassios. Modelling of Structures Subjected IO Seismic Loading, in Small Scale Modelling of Concret

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