振動臺模型試驗若干問題

振動臺結(jié)構(gòu)模型試驗中

的若干問題

上海同濟(jì)大學(xué)一、振動臺模型試驗的意義振動臺結(jié)構(gòu)模型試驗是地震工程的主要研究手段之一。振動臺模型試驗具有以下的作用：（1）研究結(jié)構(gòu)的地震破壞機(jī)理和破壞模式，評價結(jié)構(gòu)的抗震能力；（2）研究結(jié)構(gòu)中地震作用的分布，為檢驗結(jié)構(gòu)的抗震分析方法提供依據(jù)；（3）尋找結(jié)構(gòu)中可能存在的薄弱環(huán)節(jié)，為采取有效的抗震措施提供依據(jù)；（4）驗證新型結(jié)構(gòu)體系的抗震分析模型，為發(fā)展新的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計理論提供依據(jù)；（5）研究各種介質(zhì)之間的相互作用問題，例如結(jié)構(gòu)與地基的相互作用、結(jié)構(gòu)與流體的相互作用、結(jié)構(gòu)與散體的相互作用等等，為認(rèn)識這類問題的破壞機(jī)理、建立分析模型和發(fā)展設(shè)計方法提供依據(jù)。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和世界各國對科技的不斷重視，以及世界上接連發(fā)生的幾次破壞性地震的慘痛教訓(xùn)，世界各國的地震工程研究人員越來越認(rèn)識到振動臺試驗的作用。20世紀(jì)90年代以來振動臺試驗設(shè)備的建設(shè)和在振動臺上進(jìn)行模型或原型結(jié)構(gòu)或部件試驗研究進(jìn)入了一個新的發(fā)展時期。二、振動臺模型試驗技術(shù)的發(fā)展據(jù)不完全統(tǒng)計，全世界共有模擬地震振動臺系統(tǒng)約近百套。目前世界上最大的振動臺為日本NIED的15m×20m六自由度振動臺，承載能力為1200t，將于2005年建成。我國建成的模擬地震振動臺約20套。國內(nèi)在建的最大的振動臺為6m×6m三向六自由度振動臺。全世界大型的模擬地震振動臺統(tǒng)計

（臺面負(fù)載>50t）(1)

設(shè)置部門臺面尺寸(m)最大試件t東大生產(chǎn)技術(shù)所10×2170日本電力研究所6×6.5125日本國有鐵道研究所12×810012×8400日本土木研究所6×8100意大利ENEA16×16150羅馬尼亞建科院7×780日本科技廳防災(zāi)中心15×15500全世界大型的模擬地震振動臺統(tǒng)計

（臺面負(fù)載>50t）(2)三菱重工6×680日本原子能工程試驗中心15×151000英國GEC4.3×4.3100前蘇聯(lián)HRI6×650日本PWRI8×8300日本科技廳防災(zāi)中心6×675中國模擬地震振動臺統(tǒng)計(1)

設(shè)置部門臺面尺寸(m)最大試件(t)同濟(jì)大學(xué)4×425哈爾濱工力所5×520中國水利科學(xué)研究院5×520廣州大學(xué)3×310河海大學(xué)2×2.86中國模擬地震振動臺統(tǒng)計(2)

大連工學(xué)院3×310云南工學(xué)院1.5×22.5香港理工大學(xué)3×310臺北NCREE5×530北京理工大學(xué)2×2

5中國核工業(yè)設(shè)計院6×6

在建中國建筑科學(xué)研究院6×6

在建

大型6自由度振動臺試驗系統(tǒng)水下振動臺試驗系統(tǒng)振動臺臺陣廣州大學(xué)的

振動臺同濟(jì)大學(xué)的

振動臺大連理工大學(xué)的振動臺中國水科院的振動臺同濟(jì)大學(xué)土木工程防災(zāi)國家重點實驗室1983年從美國MTS公司引進(jìn)模擬地震振動臺。試驗室MTS振動臺基本性能參數(shù)如下：臺面尺寸 4.0m×4.0m振動波形 周期波、隨機(jī)波等最大試件質(zhì)量 25噸頻率范圍 0.1~50Hz控制振動方式 三方向六自由度數(shù)據(jù)采通道 96三、同濟(jì)大學(xué)振動臺模型試驗部分振動臺建筑結(jié)構(gòu)模型試驗研究項目東方明珠電視塔上海大劇院浦東國際機(jī)場侯機(jī)樓南方電力調(diào)度中心深圳商隆中心大廈上海九百城市廣場浦東香格里拉擴(kuò)建工程深圳京廣中心上海交銀金融大廈浦東青少年活動中心南京多媒體大廈上海仙樂斯廣場重慶建設(shè)大廈上海凱旋門大廈浦東世茂濱江花園廣州天王中心廣州南航大廈北京LG大廈廣州越秀大廈高橋國際金融中心上海星海大廈廣州國際金融大廈上海東方明珠廣播電視塔浦東國際機(jī)場候機(jī)樓上海大劇院浦東青少年活動中心（平面U型，斜柱，雙塔樓）上海長壽商業(yè)廣場（大底盤雙塔樓，高位轉(zhuǎn)換）凱旋門大廈星海大廈上海交銀金融大廈北京LG大廈上海九百城市廣場浦東世茂濱江花園浦東香格里拉酒店擴(kuò)建工程廣州天王中心廣州南航大廈本項目研究獲得廣東省科技進(jìn)步二等獎

廣州越秀大廈深圳商隆中心

南方電力調(diào)度中心樞紐工程（廣州）短肢剪力墻住宅結(jié)構(gòu)廣州國際金融大廈上海仙樂斯廣場砌體結(jié)構(gòu)抗震性能研究底部兩層框架砌體結(jié)構(gòu)抗震試驗研究砌體結(jié)構(gòu)地震倒塌試驗研究樁土結(jié)構(gòu)相互作用研究國家自然科學(xué)基金重點項目——樁土結(jié)構(gòu)相互作用研究核安全殼抗震試驗95重點攻關(guān)項目—快堆主鈉池堆芯抗震安全評價方法研究（1996—2001）結(jié)構(gòu)控制試驗結(jié)構(gòu)隔震技術(shù)研究中日合作項目——25噸鋼結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)組合隔震性能研究基礎(chǔ)研究項目——鋼筋混凝土框架減隔震性能研究鋼管拱橋結(jié)構(gòu)抗震試驗研究非結(jié)構(gòu)構(gòu)件試驗玻化石幕墻抗震試驗?zāi)Ｐ蛣恿ο嗨评碚撃Ｐ筒牧涎芯磕Ｐ椭谱骷夹g(shù)試驗測試技術(shù)數(shù)據(jù)分析與整理模型試驗結(jié)果在原型結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用四、振動臺模型試驗關(guān)鍵技術(shù)研究模型動力相似理論動力相似理論包括動力模型設(shè)計理論、動力模型試驗技術(shù)，以及用模型推算原型結(jié)構(gòu)性能等一系列理論與實踐問題。研究表明，對于彈塑性和極限強(qiáng)度模型試驗，若滿足所有相似條件，則結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的動力反應(yīng)，可以相當(dāng)精確地用縮尺模型來模擬。理論上完全相似的模型是難以實現(xiàn)的：

（1）受振動臺性能的限制（2）受材料性能的限制（3）不能實現(xiàn)對重力加速度的相似變換考慮主要的參數(shù)的相似要求，而對另一些次要條件適當(dāng)放松要求，以實現(xiàn)現(xiàn)有試驗條件下對原型結(jié)構(gòu)較好的模擬。模型的相似關(guān)系模型動力相似關(guān)系應(yīng)滿足模型和原型幾何尺寸相似、材料性能相似、荷載相似、模型動力反應(yīng)相似以及邊界條件的相似條件。相似關(guān)系見表。難點在于不同材料的相似匹配。同一模型中的不同材料應(yīng)滿足相同的相似關(guān)系，它們的相似常數(shù)應(yīng)相同。模型材料研究對于高層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，動力模型材料一般可由微?；炷痢㈠冧\鐵絲和鐵絲網(wǎng)制作而成，模型的物理特性主要由微?；炷羴頉Q定。經(jīng)常采用銅、鋁合金以及鋼材來模擬鋼結(jié)構(gòu)。有時也采用有機(jī)玻璃制作整體結(jié)構(gòu)模型。樁土結(jié)構(gòu)作用時，可采用砂、黏土甚至人造復(fù)合土（或重塑土）模擬土體結(jié)構(gòu)。微?；炷敛牧蠈ξ⒘；炷吝M(jìn)行了充分深入的研究，在模型施工前，需要做微?；炷良壟湓囼?，以確定具體的級配關(guān)系。模型縮比較大時，構(gòu)件尺寸較小，精度要求較高，對施工有特殊要求。微?；炷劣幂^大的砂礫作為粗骨料代替普通混凝土中的碎石，以較小粒徑的砂礫作為細(xì)骨料代替普通混凝土中的砂礫，具有數(shù)級連續(xù)級配。施工方法、振搗方式和養(yǎng)護(hù)條件都與普通混凝土相同。微?；炷亮W(xué)性能與原型混凝土應(yīng)具有較好的相似性。微?；炷聊Ｐ驮囼灂r可以做到模型開裂甚至破壞，具有試驗現(xiàn)象比較直觀的優(yōu)點。根據(jù)多年模型制作經(jīng)驗，采用有機(jī)玻璃板作為外模，這樣既可以使?jié)仓砻嫫秸饣?，又可在澆筑過程中及時發(fā)現(xiàn)問題，保證澆筑密實。微?；炷恋牟牧咸匦砸娤马?。微?；炷翉?qiáng)度與彈性模量關(guān)系微?；炷翉?qiáng)度與彈性模量關(guān)系應(yīng)力應(yīng)變曲線曲線分為上升段和下降段上升段

y=x*(2-x)下降段

y=x/(x+a(x-1))曲線與普通混凝土具有較好的相似性初始彈性模量與強(qiáng)度保持一致的相似關(guān)系有機(jī)玻璃有機(jī)玻璃適于彈性模型的制作?？捎糜谘芯繌?fù)雜體形結(jié)構(gòu)動力特性和多遇烈度地震下的反應(yīng)；有機(jī)玻璃的特點是彈性模量低其泊桑比（0.35-0.38）也較接近混凝土的泊桑比（0.25-0.27）有機(jī)玻璃是透明的，在模型制作及加工過程中的任何缺陷都可以立即查出來，從而可及時改正。

有機(jī)玻璃的材料特性為1、彈性模量E=2600MPa2、泊桑比μ=0.35-0.383、容重g=1200kg/m34、極限強(qiáng)度為25.6MPa材料屈服強(qiáng)度(MPa)極限強(qiáng)度(MPa)彈性模量(MPa)伸長率(%)鍍鋅鐵絲286~330375~4602×105~26白鐵皮275~305350~4002×105~20紫銅1951.1×105~30鋁合金1703.3×104紫銅、鋁合金、白鐵皮紫銅、鋁合金、白鐵皮用于模擬型鋼；型鋼截面采用彎制或焊制；利用錫焊和螺絲將構(gòu)件連接在一起；紫銅、鋁合金、白鐵皮的材料特性變化較大，可以根據(jù)模型設(shè)計時的不同要求來選擇，一般選彈性模量較低的材料。砌體對于砌體結(jié)構(gòu)模型，則可采用專門制作的小砌塊來砌筑，模型材料的彈性模量、強(qiáng)度等應(yīng)按相似系數(shù)確定。砂漿按相似關(guān)系調(diào)整，但其灰縫厚度不能太小；設(shè)計模型時應(yīng)按砌體結(jié)構(gòu)抗側(cè)承載力建立相似關(guān)系。土通常采用級配細(xì)砂、篩分的粘土以及其他散粒材料拌合的混合物模擬土體；在彈塑性地震反應(yīng)時，土體與上部結(jié)構(gòu)的非線性程度發(fā)展很難保持一致，在模型設(shè)計時應(yīng)考慮相似關(guān)系的變化；具體處理時應(yīng)根據(jù)研究目的有所側(cè)重；地震反應(yīng)前后均應(yīng)取模型土樣進(jìn)行檢驗；模型制作技術(shù)鋼筋的綁扎型鋼的制作模板的使用內(nèi)模采用泡沫塑料，這種材料易成型、易拆模，即使局部不能拆除，對模型剛度的影響也很?。粚?nèi)模切割成一定形狀，形成構(gòu)件所需的空間布置，綁扎好鋼筋后進(jìn)行澆筑，邊澆邊振搗密實，每一次澆筑一層，次日安置上面一層的模板及配筋，重復(fù)以上步驟，直到模型全部澆筑完成。樁-土-結(jié)構(gòu)相互作用模型箱的制備剛性箱體剪切型箱體柔性箱體試驗對模型箱的基本要求（1）能像土體那樣發(fā)生剪切變形；（2）尺寸要足夠大，能消除模型箱邊界效應(yīng)的影響。1.1SPSITestsinUniversityofCalifornia,Berkeley,USA1.2SSITestsinJapan1.3SSITestsinajointresearchbetweenWasedaUniv.andUCSD1.4SSITestsinthisProject（TongjiUniv.)國內(nèi)外樁-土-結(jié)構(gòu)相互作用模型試驗概況1.1

SPSITestsinUniversityofCalifornia,

Berkeley,USA(1998)FlexibleWallBoxShakingTableModelTestsofSoil-Pile-SuperstructureInteractioninSoftClay1.2SSITestsinJapan(1995-2000)Large-scaleShearBoxoftheSimpleShearTypeShakingTableTestofReinforcedEarthRetainingWallwithShearBoxShakingTableTestofSoil-PileInteractionwithShearBoxTheexperimentsareconductedusinga5meterlongby1.2meterwidesoil-boxthatis2meterstall.Itisconstructedofsteelwithacrylicwindowpanelsinonesideforviewingthesoilmovement.(2000-2001)1.3jointtestbetween&1.4layeredsoil-structuretestinTongji(1999-2001)Scalefactor

1/20,1/10Layeredsoil

siltyclay,

sandysilt,mediumsandUnidirectionalandbi-directionalexcitation試驗測試技術(shù)研究加速度傳感器位移傳感器（接觸式、非接觸式（激光））應(yīng)變傳感器壓力傳感器（動液壓力、動土壓力、孔隙水壓力等等）數(shù)據(jù)采集與分析整理STEX3系統(tǒng)（MTS試驗機(jī)）傳感器標(biāo)定白噪聲各類地震波的生成試驗數(shù)據(jù)的分析整理頻譜分析模型結(jié)構(gòu)參數(shù)識別系統(tǒng)標(biāo)定與控制定期對標(biāo)準(zhǔn)傳感器進(jìn)行計量標(biāo)定對振動臺的動態(tài)性能進(jìn)行標(biāo)定試驗時先用低幅值白噪聲激勵確定振動臺與試件一體的傳遞函數(shù)矩陣；然后用期望地震波時程與傳遞函數(shù)矩陣之逆的卷積來控制系統(tǒng)。模擬地震振動臺試驗的激勵波形必須考慮場地類別和地震危險性分析、建筑結(jié)構(gòu)動力特性等因素。試驗時分別根據(jù)模型所要求的動力相似關(guān)系對原型地震波作修正后，作為模擬地震振動臺的輸入波。輸入波形的加速度幅值根據(jù)設(shè)防要求從常遇烈度到罕遇烈度，從小到大依次改變以模擬不同烈度地震對結(jié)構(gòu)的作用。試驗步驟模型結(jié)構(gòu)特性發(fā)生變化時，結(jié)構(gòu)的頻率和阻尼比都將發(fā)生變化。在模型承受不同的地震烈度作用前后，均用白噪聲對其進(jìn)行掃頻，得到模型自振頻率和結(jié)構(gòu)阻尼比的變化可以反映出結(jié)構(gòu)剛度下降的幅度。