結(jié)構(gòu)實驗技術(shù)講稿抗震試驗部分2

1、15.4 地震模擬振動臺試驗地震模擬振動臺試驗一、概論一、概論 1 1、方法：通過電液伺服加載系統(tǒng)驅(qū)動振動、方法：通過電液伺服加載系統(tǒng)驅(qū)動振動臺面模擬真實地震動的試驗方法，是在實臺面模擬真實地震動的試驗方法，是在實驗室內(nèi)研究結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)和破壞機(jī)理的最驗室內(nèi)研究結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)和破壞機(jī)理的最直接方法。直接方法。2一、概論一、概論2 2、試驗?zāi)康?、試驗?zāi)康难芯拷Y(jié)構(gòu)的動力特性，破壞機(jī)理及震害原因。研究結(jié)構(gòu)的動力特性，破壞機(jī)理及震害原因。驗證抗震計算理論和計算模型的正確性。驗證抗震計算理論和計算模型的正確性。研究動力相似理論，為模型試驗提供依據(jù)。研究動力相似理論，為模型試驗提供依據(jù)。為結(jié)構(gòu)抗震靜力試驗，提

2、供試驗依據(jù)。為結(jié)構(gòu)抗震靜力試驗，提供試驗依據(jù)。3一、概論一、概論 3 3、優(yōu)點、優(yōu)點：可以真實的反應(yīng)結(jié)構(gòu)實際地震反：可以真實的反應(yīng)結(jié)構(gòu)實際地震反應(yīng)；可以很好的反映應(yīng)變速率對結(jié)構(gòu)材料應(yīng)；可以很好的反映應(yīng)變速率對結(jié)構(gòu)材料強(qiáng)度的影響強(qiáng)度的影響 4 4、缺點、缺點：設(shè)備昂貴，受臺面尺寸限制，不：設(shè)備昂貴，受臺面尺寸限制，不能做大比例模型試驗；受尺寸效應(yīng)影響，能做大比例模型試驗；受尺寸效應(yīng)影響，很難評價結(jié)構(gòu)的抗震能力很難評價結(jié)構(gòu)的抗震能力4振動臺是用來產(chǎn)生模擬的地震地面運動，對結(jié)構(gòu)的振動臺是用來產(chǎn)生模擬的地震地面運動，對結(jié)構(gòu)的抗震性能進(jìn)行研究。如圖為一地震模擬振動臺的示抗震性能進(jìn)行研究。如圖為一地震模擬

3、振動臺的示意圖。意圖。試驗時，振動臺臺面產(chǎn)生水平試驗時，振動臺臺面產(chǎn)生水平或豎向往復(fù)運動，其運動規(guī)律或豎向往復(fù)運動，其運動規(guī)律與結(jié)構(gòu)遭遇地震時的運動規(guī)律與結(jié)構(gòu)遭遇地震時的運動規(guī)律相同。安裝在振動臺上的模型相同。安裝在振動臺上的模型結(jié)構(gòu)受到臺面運動的加速度作結(jié)構(gòu)受到臺面運動的加速度作用，產(chǎn)生慣性力，從而再現(xiàn)地用，產(chǎn)生慣性力，從而再現(xiàn)地震對結(jié)構(gòu)的作用。震對結(jié)構(gòu)的作用。二、振動臺基本原理二、振動臺基本原理 振動臺基礎(chǔ)作動器臺面結(jié)構(gòu)模型油路 8三、振動臺基本性能指標(biāo)三、振動臺基本性能指標(biāo) 1 1、 臺面尺寸和臺面最大負(fù)載臺面尺寸和臺面最大負(fù)載 臺面尺寸及臺面負(fù)載決定了進(jìn)行試驗的臺面尺寸及臺面負(fù)載決定了

4、進(jìn)行試驗的結(jié)構(gòu)模結(jié)構(gòu)模型尺寸型尺寸( (重量重量) )。臺面尺寸及臺面負(fù)載越大，結(jié)構(gòu)模。臺面尺寸及臺面負(fù)載越大，結(jié)構(gòu)模型的尺寸就可以越大，試驗結(jié)構(gòu)的性能也就越接近型的尺寸就可以越大，試驗結(jié)構(gòu)的性能也就越接近真實結(jié)構(gòu)的性能。目前，世界上最大的振動臺臺面真實結(jié)構(gòu)的性能。目前，世界上最大的振動臺臺面尺寸為尺寸為20m20m15m(15m(日本日本) )，其臺面負(fù)載為，其臺面負(fù)載為1200t1200t92 2、臺面運動自由度、臺面運動自由度 在工程實踐中，地震記錄很少有在工程實踐中，地震記錄很少有地面運動的旋地面運動的旋轉(zhuǎn)分量轉(zhuǎn)分量，這與強(qiáng)震觀測有關(guān)。因此，雖然目前已投，這與強(qiáng)震觀測有關(guān)。因此，雖然目

5、前已投入運行的地震模擬振動臺大部為入運行的地震模擬振動臺大部為6 6個自由度上模擬地個自由度上模擬地震地面運動的能力震地面運動的能力，但在結(jié)構(gòu)抗震試驗中，一般仍，但在結(jié)構(gòu)抗震試驗中，一般仍以以水平方向和垂直方向的振動為主水平方向和垂直方向的振動為主。三、振動臺基本性能指標(biāo)三、振動臺基本性能指標(biāo) 103 3、 頻率范圍、最大位移、速度和加速度頻率范圍、最大位移、速度和加速度 已有的地震記錄的最高頻率一般不超過已有的地震記錄的最高頻率一般不超過10Hz，考慮試驗結(jié)構(gòu)模型的特點，地震模擬振動臺的頻率考慮試驗結(jié)構(gòu)模型的特點，地震模擬振動臺的頻率范圍范圍大多為大多為050Hz，有的振動臺的最高頻率響應(yīng)可

6、，有的振動臺的最高頻率響應(yīng)可以達(dá)到以達(dá)到80120Hz，主要用于較小比例的結(jié)構(gòu)模型的，主要用于較小比例的結(jié)構(gòu)模型的振動臺試驗。振動臺最大位移振動臺試驗。振動臺最大位移一般為一般為100mm。振。振動臺的最大加速度可以達(dá)到動臺的最大加速度可以達(dá)到20ms2(2g，g為重力加為重力加速度速度)。114 4、輸入波形、輸入波形 地震模擬振動臺試驗的主要目的是檢驗地震模擬振動臺試驗的主要目的是檢驗結(jié)構(gòu)在遭遇地震時的性能。一般要求振動臺結(jié)構(gòu)在遭遇地震時的性能。一般要求振動臺能夠模擬地震地面運動，輸入的振動波形應(yīng)能夠模擬地震地面運動，輸入的振動波形應(yīng)為為不規(guī)則的地震波不規(guī)則的地震波。此外，振動臺可以用來。

7、此外，振動臺可以用來對結(jié)構(gòu)施加各種振動激勵，輸入的波形還包對結(jié)構(gòu)施加各種振動激勵，輸入的波形還包括括正弦波正弦波、三角波三角波等規(guī)則波，以及隨機(jī)的不等規(guī)則波，以及隨機(jī)的不規(guī)則規(guī)則白噪聲波白噪聲波等。等。國內(nèi)單臺振動臺建設(shè)單位年代振動形式臺面尺寸(m)臺面自重(t)模型重(t)最大加速度(g)最大速度(mm/s)最大位移(mm)工作頻率(Hz)激振力(kN)油源流量(L)控制方式生產(chǎn)廠家備注中國建筑科學(xué)研究院*2004三向六自由度6.1*6.13760X：1.5Y：1.0Z：0.8X：1000Y：1200Z：800X：150Y：250Z：1000502000MTS三參量MTS全套MTS,臺面首鋼

8、制造，目前正在調(diào)試北京工業(yè)大學(xué)*2002水平單自由度3*3625X：1.0 X：600 X：125 0.450250330位移部分MTS部分控制自制中國水利水電科學(xué)研究院*1987三向六自由度5*523.520X：1.0Y：1.0Z：0.7X：400Y：400Z：300X：40Y：40Z：300.11202*3401*5904*2001155三參量反饋Schenck工作頻率高，正準(zhǔn)備升級控制同濟(jì)大學(xué)*19831995三向六自由度4*41025X：1.2Y：0.8Z：0.7X：1000Y：600Z：600X：100Y：50Z：500501200三參量反饋MTS部分部件由國內(nèi)紅山廠配套，運行良好哈

9、爾濱工業(yè)大學(xué)*1987三向六自由度3*4312X：1.3 X：600 X：125 3.440250330位移Schenck共用油源，Schenck作動器，其余自制中國地震局工程力學(xué)研究所*19861997三向六自由度5*52030X：1.0Y：1.0Z：0.7X：600Y：600Z：300X：80Y：80Z：500.5402*2502*2504*250自制紅山設(shè)備開發(fā)能力強(qiáng)，全套國產(chǎn)河海大學(xué)*1985水平豎向雙向四自由度2*2.86X：1.0Z:0.8X：500Z:340X：50Z:340.1100150208MTS另有2*6m滑臺廣州大學(xué)1995三向六自由度3*310X：1.0Y：1.0Z：

10、2.0X：100Y：100Z：100X：100Y：100Z：50050MTS全套引進(jìn)MTS大連理工大學(xué)1985水平+豎向+搖擺3*35.210X：1.0Z:0.7X：500Z:350X：75Z:500.150152數(shù)字MTS原為單自由度昆明理工大學(xué)1984水平豎向雙向2*1.50.580MTS臺灣交通大學(xué)水平單自由度3*3510X：125150武漢理工大學(xué)2003水平單自由度3*361.35001000.440國產(chǎn)西安建筑科技大學(xué)水平單自由度2*24.5中國核動力研究所英國Sever Test重慶公路研究所18國內(nèi)外振動臺陣 Buffalo大學(xué)的線型地震模擬振動臺陣由二個振動臺

11、大學(xué)的線型地震模擬振動臺陣由二個振動臺組成，其二個臺面尺寸均為組成，其二個臺面尺寸均為3.6m3.6m，豎向承載能力為，豎向承載能力為50噸噸, 最大水平位移為最大水平位移為 150mm，最大加速度為，最大加速度為1.15g，總投，總投資為資為700萬美元左右，由美國萬美元左右，由美國MTS公司生產(chǎn)。公司生產(chǎn)。 Buffalo ABCD251 1、加速度、加速度 加速度傳感器為絕對傳感器，可將其直接安加速度傳感器為絕對傳感器，可將其直接安裝在模型結(jié)構(gòu)的各個樓層位置。為了準(zhǔn)確地測裝在模型結(jié)構(gòu)的各個樓層位置。為了準(zhǔn)確地測量模型結(jié)構(gòu)基底的加速度，除在振動臺臺面安量模型結(jié)構(gòu)基底的加速度，除在振動臺臺面

12、安裝加速度傳感器外，在模型結(jié)構(gòu)基底也安裝加裝加速度傳感器外，在模型結(jié)構(gòu)基底也安裝加速度傳感器。通過實測的加速度，可以推算各速度傳感器。通過實測的加速度，可以推算各樓層所受的慣性力作用。樓層所受的慣性力作用。四、數(shù)據(jù)采集四、數(shù)據(jù)采集 地震模擬振動臺試驗是一種高速動態(tài)試驗，地震模擬振動臺試驗是一種高速動態(tài)試驗，試驗中采集的數(shù)據(jù)主要包括模型結(jié)構(gòu)各測點的試驗中采集的數(shù)據(jù)主要包括模型結(jié)構(gòu)各測點的加加速度速度、位移位移和和應(yīng)變應(yīng)變。 262 2、位移、位移 位移傳感器為相對傳感器，在振動臺試驗位移傳感器為相對傳感器，在振動臺試驗中，要設(shè)置位移傳感器安裝支架，安裝支架應(yīng)中，要設(shè)置位移傳感器安裝支架，安裝支架

13、應(yīng)有足夠的剛度且不受振動臺運動的影響。將位有足夠的剛度且不受振動臺運動的影響。將位移傳感器固定在安裝支架上，測量模型結(jié)構(gòu)與移傳感器固定在安裝支架上，測量模型結(jié)構(gòu)與安裝支架之間的相對位移。安裝支架之間的相對位移。四、數(shù)據(jù)采集四、數(shù)據(jù)采集 273 3、應(yīng)變、應(yīng)變 對于對于鋼結(jié)構(gòu)模型鋼結(jié)構(gòu)模型，可直接采用電阻應(yīng)變計，可直接采用電阻應(yīng)變計量測試驗中的應(yīng)變變化。對于量測試驗中的應(yīng)變變化。對于混凝土結(jié)構(gòu)和砌混凝土結(jié)構(gòu)和砌體結(jié)構(gòu)模型體結(jié)構(gòu)模型，由于反復(fù)受力的特點，電阻應(yīng)變，由于反復(fù)受力的特點，電阻應(yīng)變片很容易因開裂而失效。常采用位移傳感器在片很容易因開裂而失效。常采用位移傳感器在一定標(biāo)距下的測量值作為該標(biāo)距

14、范圍內(nèi)的平均一定標(biāo)距下的測量值作為該標(biāo)距范圍內(nèi)的平均應(yīng)變。應(yīng)變。四、數(shù)據(jù)采集四、數(shù)據(jù)采集 28 此外，由于試驗速度快，模型結(jié)構(gòu)的損傷此外，由于試驗速度快，模型結(jié)構(gòu)的損傷和破壞過程的觀測和記錄應(yīng)由和破壞過程的觀測和記錄應(yīng)由圖像采集系統(tǒng)圖像采集系統(tǒng)自自動完成。動完成。 地震模擬振動臺試驗為破壞性試驗，希望地震模擬振動臺試驗為破壞性試驗，希望得到模型結(jié)構(gòu)倒塌破壞時的有關(guān)數(shù)據(jù)，例如，得到模型結(jié)構(gòu)倒塌破壞時的有關(guān)數(shù)據(jù)，例如，倒塌前各樓層的慣性力分布。因此，試驗時要倒塌前各樓層的慣性力分布。因此，試驗時要采取可靠的安全措施，采取可靠的安全措施，一方面防止人員受到傷一方面防止人員受到傷害害，另一方面，另一方

15、面，還要保護(hù)測量儀表，避免不必還要保護(hù)測量儀表，避免不必要的損失。要的損失。四、數(shù)據(jù)采集四、數(shù)據(jù)采集 29五、加載方法五、加載方法 30五、加載方法五、加載方法 31抗震試驗方法對比方法方法優(yōu)點優(yōu)點缺點缺點擬靜擬靜力試力試驗驗加載制度簡單明確；很容易得到構(gòu)加載制度簡單明確；很容易得到構(gòu)件恢復(fù)力模型和承載力計算公式；件恢復(fù)力模型和承載力計算公式；能評價構(gòu)件的抗震性能；（性價比能評價構(gòu)件的抗震性能；（性價比最高的抗震試驗方法）最高的抗震試驗方法）加載制度主觀確定，與實際加載制度主觀確定，與實際地震作用歷程無關(guān)，很難真地震作用歷程無關(guān)，很難真實反映地震作用；多為構(gòu)件實反映地震作用；多為構(gòu)件試驗，僅能應(yīng)用于以第一振試驗，僅能應(yīng)用于以第一振型變形為主的結(jié)構(gòu)；僅能評型變形為主的結(jié)構(gòu)；僅能評價抗震性能，不能得到抗震價抗震性能，不能得到抗震能力能力擬動擬動力試力試驗驗可進(jìn)行原型結(jié)構(gòu)試驗；可同時評價可進(jìn)行原型結(jié)構(gòu)試驗；可同時評價結(jié)構(gòu)抗震能力和抗震性能；加載過結(jié)構(gòu)抗震能力和抗震性能；加載過程緩慢，可隨時觀測控制程緩慢，可隨時觀測控制 不能反映地震的動力特性；不能反映地震的動力