短肢剪力墻模型振動臺試驗方案

1、短肢剪力墻模型振動臺試驗方案1、 工程概況此工程原型為某小區(qū)高層住宅，地下1層，地上12層。建筑總長度為30m，總寬度為28.1m，建筑面積約9705。層高：一層3.2m，二至十二層2.9m，主樓高度為35.1m。結(jié)構(gòu)形式為短肢剪力墻體系。自然條件：基本風壓0.7kN/m2，抗震設(shè)防烈度為7度，峰值加速度為0.10g，設(shè)防地震分組為第一組，工程場地類別為三類，地面粗糙度為C類。2、 振動臺設(shè)備基本情況及性能指標同濟大學土木工程防災國家重點實驗室是我國土木工程領(lǐng)域內(nèi)唯一的國家重點實驗室，模擬地震振動臺實驗室為土木工程防災國家重點實驗室的重要組成部分。在進行結(jié)構(gòu)試驗模型設(shè)計時，模擬地震振動臺的性能

2、指標是進行結(jié)構(gòu)設(shè)計與試驗的限制條件。其基本性能指標如下：（1） 振動臺臺面尺寸為4.0m×4.0m；（2） 振動臺的最大載重量為25噸，在最大載重量時振動臺所能提供的運動幅值見下表1。試驗時所能施加到的最大加速度幅值與模型的總重量有關(guān)；（3） 振動臺所能傳輸?shù)牟ㄐ斡兄芷诓?、隨機波、記錄到的實際地震的波，以及按照頻譜特性所生成的人工波；（4） 振動臺傳輸?shù)念l率范圍為0.1至50Hz；（5） 可以提供三向平動和三向轉(zhuǎn)動；（6） 振動臺電噪聲對應臺面加速度為0.3m/s2。表1 最大載重時振動臺所能提供的運動幅值運動方向加速度（g）速度（mm/s）位移（mm）X1.41000±1

3、00Y0.8600±50Z0.7600±503、 模型設(shè)計原則結(jié)構(gòu)模型試驗在原則上應使模型結(jié)構(gòu)與原型結(jié)構(gòu)在動力表現(xiàn)和動力性能上完全相同。因此模型結(jié)構(gòu)與原型結(jié)構(gòu)要滿足幾何尺寸相似、材料性質(zhì)相似、邊界條件相似和外部作用相似，概括地說就是要滿足幾何相似和物理相似。結(jié)構(gòu)模型幾何相似比的設(shè)計原則上是越大越好，但同時要滿足臺面尺寸、吊裝高度及臺面最大載重量的要求。根據(jù)本次試驗的目的和振動臺的性能參數(shù)、施工和起吊條件等方面的因素，確定試驗模型的幾何相似系數(shù)為模型原型 = 110。建筑材料性質(zhì)的相似較難實現(xiàn)和滿足。因為模型和原型都處于相同的重力環(huán)境下（即要求），只有模型的密度比原型的大或彈

4、性模量比原型的小，才能真實地模擬重力。理論上幾何相似比、質(zhì)量相似比與彈性模量相似比應滿足式可惜的是，迄今尚無符合結(jié)構(gòu)模型試驗要求的高密度或低彈模的建筑材料。在一般的試驗模型中，往往采用與原型相同的材料，故彈性模量和密度均與原型相同。這就造成了結(jié)構(gòu)模型反應的重力失真。在此情況下，應考慮欠人工質(zhì)量模型相似關(guān)系。值得指出，在欠人工質(zhì)量模型中，事實上是讓相似比中的某些條件固定化，因而它必然導致不是所有的相似條件都能夠滿足，換句話說，在相似比關(guān)系中，只有部分關(guān)系是相容的。4、 選用模型材料本試驗的目的是探討短肢剪力墻框架結(jié)構(gòu)在不同水準地震作用下結(jié)構(gòu)的抗震性能，所以選用強度模型，因此本試驗選用細石混凝土模

5、擬原型的混凝土，選用鍍鋅鐵絲模擬鋼筋。在本試驗中，模型材料為：細石混凝土，強度等級為C15，強度標準值為10.0MPa， 1.27MPa ，強度設(shè)計值為7.2MPa，0.91MPa，彈性模量22000MPa，密度為2400kg/m3。鋼筋選用鍍鋅鐵絲，屈服強度為300MPa，極限強度為400MPa，彈性模量為20GPa,密度為7800kg/m3。根據(jù)模型的尺寸相似比計算，模型中梁的寬度只有20mm，因此在混凝土粗骨料的選擇中，根據(jù)不超過最小尺寸的1/3的原則，選擇骨料為6mm的碎石，細骨料選用中砂。根據(jù)規(guī)范，水泥的標號一般取為混凝土強度的1.52倍，所以本試驗中選用225號硅酸鹽水泥。由于普通

6、混凝土配合比設(shè)計規(guī)程（JGJ55），粗骨料最小粒徑的在10mm以上，沒有可用的細石混凝土的配合比，所以應該對C15混凝土進行試配，并進行材性試驗，以最終確定試驗所選用的配合比。根據(jù)普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程（JGJ55）的規(guī)定，計算出4中配合比：（1） 水灰比65（基準配合比），根據(jù)坍落度和粒徑的要求，用水量取為220kg/m3，則水泥用量為338 kg/m3，砂率取為40，根據(jù)表觀密度法計算，砂的用量為738 kg/m3，石子的用量為1104 kg/m3。（2） 水灰比70，用水量210 kg/m3，水泥用量300 kg/m3，砂率為40，砂的用量為756 kg/m3，石子用量為1134 kg

7、/m3。（3） 水灰比60，用水量220 kg/m3，水泥用量367 kg/m3，砂率為40，砂的用量為725 kg/m3，石子用量為1088 kg/m3。（4） 水灰比為55，用水量為220 kg/m3，水泥用量為400 kg/m3，砂率為40，砂的用量為712 kg/m3，石子用量為1068 kg/m3。表2 適配混凝土配合比 水灰比材料65（基準）706055水（kg/m3）220210220220水泥（kg/m3）338300367400砂（kg/m3）738756725712石子（kg/m3）1104113410881068材性試驗中，對于三種配合比，分別澆注6塊mm正方體試塊，6塊

8、mm的棱柱體，在正常條件下養(yǎng)護28天，對正方體試塊測量其抗壓強度，棱柱體試塊測量其彈性模量，根據(jù)測量的結(jié)果再調(diào)整混凝土配比，并最終確定施工的配合比。5、 模型相似設(shè)計根據(jù)PKPM計算的結(jié)果：活載的總質(zhì)量為605.131噸，恒載產(chǎn)生的總質(zhì)量為7925.505噸，結(jié)構(gòu)的總質(zhì)量為 8530.637噸。模型的總體積為1991 m3。原型混凝土采用的是C30，強度標準值20.1MPa， 2.01M Pa，設(shè)計值14.3MPa，1.43MPa，彈性模量為30000MPa，密度為2300kg/m3。原型剪力墻和梁中縱筋選用的是HRB335，屈服強度為300MPa，箍筋選用的是HPB235，屈服強度為210M

9、Pa。振動臺動力試驗中要模擬慣性力、恢復力和重力三種力，因為對模型材料的彈性模量、密度的要求很嚴格，其實質(zhì)要求，即。依此等式為依據(jù)計算出相似比如下：1) 確定長度相似常數(shù)，在本試驗中，取1/10。2) 確定應力相似常數(shù)。通常，在本試驗中： ，所以0.7333) 確定加速度相似常數(shù)。在動力試驗中，加速度相似比是施加動力荷載的主要控制參數(shù)，考慮到振動臺噪聲、臺面承載力等因素以及以前的試驗經(jīng)驗，加速度相似比通常在23之間，但是基于振動臺的承載力的限制，本次試驗取為3.17。4) 確定密度相似比由可知 因此重量相似比則模型重量為18.37噸。模型的結(jié)構(gòu)質(zhì)量為4.58噸，則需要施加的附加質(zhì)量為13.72

10、噸?；钶d質(zhì)量1.39噸根據(jù)地梁的設(shè)計計算得到地梁的重量為5噸，因此：振動臺上的總重量為：4.58+13.721.39+5=24.76噸<25噸，符合振動臺的重量要求。此時，試驗總的配重為：18.51.37模型澆筑完成后的實際重量。吊車的載重為 358噸<14噸，滿足吊車的承載力要求。5) 頻率相似比5.636) 彎矩相似比0.00073337) 剛度相似比0.0738) 時間相似比0.178表3 振動臺模型試驗研究相似關(guān)系（第一階段）物理性能物理參數(shù)關(guān)系表達式量值備注幾何性能長度1/10控制尺寸位移量1/10角位移1材料性能應變1控制材料彈性模量0.733應力0.733質(zhì)量密度2.

11、31質(zhì)量0.00231荷載性能集中力0.00733力矩0.000733動力性能阻尼0.013控制試驗周期0.178頻率5.63速度0.563加速度3.17重力加速度1圖1 模型平面圖6、 模型剛性底座設(shè)計剛性地梁的設(shè)計見附圖1。7、 模型的配筋計算模型配筋計算原則：對正截面承載能力的控制，依據(jù)抗彎能力等效的原則；對斜截面承載能力的模擬，按照抗剪能力等效的原則。對于原型：對于模型彎矩相似常數(shù)： 所以有剪力相似常數(shù) 所以有原型中剪力墻和梁的縱筋采用的是HRB335，強度標準值為335MPa，強度設(shè)計值為300MPa， 梁中箍筋采用的是HPB235，強度標準值為235MPa，強度設(shè)計值為210MPa

12、。因此模型中抗彎鋼筋 0.01抗剪鋼筋0.104原型加密區(qū)箍筋為100mm間距，非加密區(qū)箍筋為200mm間距。在振動臺試驗中，箍筋間距非加密區(qū)為20mm，加密區(qū)為10mm，因此0.1。 箍筋 0.1040.01048、 繪制模型施工圖表模型施工圖見附圖29、 振動臺地震波選取此試驗目的是研究短肢剪力墻高層結(jié)構(gòu)體系動力反應和整體抗震性能。根據(jù)當?shù)氐淖匀粭l件可知，抗震設(shè)防烈度為7度，地震動峰值加速度為0.1g，設(shè)計地震分組為第一組，工程場地類別為三類。根據(jù)建筑抗震設(shè)計規(guī)范（GB 50011-2001）中地震作用和結(jié)構(gòu)抗震驗算中的規(guī)定，采用時程分析法時，應按建筑場地類別和設(shè)計地震分組選用不少于二組的

13、實際強震記錄和一組人工模擬的加速度時程曲線，其平均地震影響系數(shù)曲線應與振型分解反應譜法所采用的地震影響系數(shù)曲線在統(tǒng)計意義上相符，其加速度時程的最大值可按下表采用。表3 時程分析使用地震加速度時程曲線的最大值（）地震影響6度7度8度9度多遇地震183570140罕遇地震220400620如果在結(jié)構(gòu)物所在場地有實際的強震記錄，則用它作為試驗輸入的地震波是最理想和符合實際情況的。但一般無法得到這種地震記錄。在這種情況下，試驗輸入地震波的選取有兩種方法：一是選取與實際建筑物特性、場地土性質(zhì)相吻合的地震波記錄；二是根據(jù)需要，用數(shù)學方法擬合出人造地震波作為試驗輸入。根據(jù)工程概況，本次試驗的原型結(jié)構(gòu)所在的場

14、地土為III類場地土，故在試驗中選用適用于III類場地土的El-Centro 波（南北向）。此外，根據(jù)指定的地面加速度峰值、頻譜特性、地震動持續(xù)時間和地震能量擬合了廣州人工波作為輸入，廣州人工波在以廣東、福建等地的原型結(jié)構(gòu)為對象的振動臺試驗中使用較多。兩條波的時域、頻域特性分別為：（1）. El-Centro波1940年美國Imperial山谷地震記錄，長度為50s，加速度幅值：NS（南北）方向341.7cm/s2，EW（東西）方向210.1cm/s2，UD（垂直）方向206.3 cm/s2。根據(jù)模型相似比，在試驗中采用的地震動輸入時程如圖2，其頻譜如圖3。（2）. 廣州人工波根據(jù)廣州地區(qū)的場

15、地特征用數(shù)學方法擬合出的人工波，是廣東、福建地區(qū)進行地震反應分析普遍采用的地震動輸入。圖4是經(jīng)過相似比變換后在振動臺試驗中實際輸入的加速度時程，其頻譜如圖5。從圖3與圖5可見，這兩種波的頻譜結(jié)構(gòu)有一定的差異，廣州人工波的能量分布較之El-Centro波在頻域上更為分散，其頻譜較為豐富。 圖2 El-Centro 波加速度時程圖3 El-Centro 波Fourier幅值頻率圖 圖4 廣州人工波時程圖5 廣州人工波Fourier幅值頻率圖10、試驗工況根據(jù)以上規(guī)定，實際強震紀錄選用ELCENTRO波（南北向），人工波選用廣州人工波，加載過程可以分為以下幾個工況：表4 振 動 臺 試 驗 工 況 表工況序號地震波類型地震波