地震模擬振動臺試驗12次課45

二、地震模擬振動臺試驗在地震模擬振動臺上進(jìn)行動力試驗，具有其它抗震動力與靜力試驗不同的特點，地震模擬振動臺能再現(xiàn)各種形式的地震波，它為試驗的多波輸入分析提供了可能，它可以模擬若干次地震現(xiàn)象的初震主震以及余震的全過程，因此就可以了解試驗結(jié)構(gòu)在相應(yīng)各個階段的力學(xué)性能，從而可給予人們直觀了解和認(rèn)識地震對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的破壞現(xiàn)象。它可以按照人們的要求，借助于人工地震波的研究及輸入，模擬在任何場地上的地面運(yùn)動特性。2021/5/91臺面尺寸：20米×15米臺面承重：1200噸三方向六自由度Dr.MasayoshiNakashima(中島正愛教授)2021/5/92臺面尺寸：6.1米×6.1米臺面承重：60噸三方向六自由度中國建筑科學(xué)研究院(國內(nèi)最大）2021/5/93

近年來，振動臺陣列開始投入使用。3個振動臺組成一個振動臺陣列進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)的地震模擬振動臺試驗。3個振動臺可以在一個方向上同步運(yùn)動，也可以根據(jù)橋梁實際場地的差異，分別輸入不同的地震波進(jìn)行試驗。這種振動臺陣列可以進(jìn)行較大尺寸的結(jié)構(gòu)模型試驗。2021/5/94內(nèi)華達(dá)州立大學(xué)雷諾分?！駝优_陣UniversityofNevada，Reno臺面尺寸：4.3米×4.5米臺面承重：50噸2021/5/95重慶交通科研設(shè)計院兩臺臺陣

臺面尺寸A：3米×6米臺面尺寸B：3米×6米A臺面承重：35噸B臺面承重：35噸2021/5/96UniversityofCaliforniaSanDiegoUniversityatBuffalo,TheStateUniversityofNewYork美國NEES計劃：NetworkforEarthquakeEngineeringSimulation2021/5/97§2.8結(jié)構(gòu)抗震試驗方法地震模擬振動臺在抗震研究中的作用。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。研究動力相似理論，為模型試驗提供依據(jù)。檢驗產(chǎn)品質(zhì)量，提高抗震性能，為生產(chǎn)服務(wù)。為結(jié)構(gòu)抗震靜力試驗，提供試驗依據(jù)。2021/5/98振動臺是用來產(chǎn)生模擬地震地面運(yùn)動，對結(jié)構(gòu)的抗震性能進(jìn)行研究。如圖為地震模擬振動臺的示意圖。試驗時，振動臺臺面產(chǎn)生要求的地面運(yùn)動，其運(yùn)動規(guī)律與結(jié)構(gòu)遭遇地震時的運(yùn)動規(guī)律相同。安裝在振動臺上的模型結(jié)構(gòu)受到臺面運(yùn)動的加速度作用，產(chǎn)生慣性力，從而再現(xiàn)地震對結(jié)構(gòu)的作用。2021/5/99振動臺運(yùn)動維數(shù)（振動方向）地震引起的地面運(yùn)動非常復(fù)雜，一般情況下，地震地面運(yùn)動由6個自由度的運(yùn)動分量組合而成，即2個水平方向、l個垂直方向的直線運(yùn)動和繞3個坐標(biāo)軸方向的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。最簡單的地震模擬振動臺為水平單向振動臺，它只有一個方向的運(yùn)動。最復(fù)雜的振動臺包含所有6個自由度的運(yùn)動。2021/5/910六自由度地震模擬振動臺：由振動臺臺面、電液伺服作動器、控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。多個電液伺服作動器可使振動臺臺面實現(xiàn)任意方向上的移動和繞任意軸的轉(zhuǎn)動。試驗時，將地震地面運(yùn)動的有關(guān)數(shù)據(jù)輸入到計算機(jī)，作為振動臺臺面的運(yùn)動數(shù)據(jù)，計算機(jī)將輸入的地震運(yùn)動數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為臺面的運(yùn)動數(shù)據(jù)，再對電液伺服作動器發(fā)出控制指令，電液伺服作動器推動振動臺臺面實現(xiàn)地震地面運(yùn)動模擬。2021/5/911§2.8結(jié)構(gòu)抗震試驗方法地震地面運(yùn)動數(shù)據(jù)來自地震觀測臺網(wǎng)的地震記錄，這些地震記錄一般為地震地面運(yùn)動的速度或加速度。在結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計中，也是根據(jù)地面加速度來計算結(jié)構(gòu)受到的慣性力。因此，進(jìn)行振動臺試驗時，輸入到計算機(jī)的地震運(yùn)動大多為地面運(yùn)動加速度，相應(yīng)的電液伺服作動器的控制目標(biāo)也應(yīng)包括加速度。2021/5/912控制方式：目前，較先進(jìn)的振動臺采用三參量控制技術(shù)，將振動臺的位移、速度和加速度均作為控制目標(biāo)。當(dāng)振動臺的振動頻率較高時，位移較小而加速度較大，采用加速度為控制目標(biāo)可以獲得較高的相對控制精度。低頻振動時則正好相反，采用位移控制可以得到較高的相對控制精度。在振動臺臺面安裝了加速度、速度和位移傳感器，這些傳感器采集的信號均反饋至控制系統(tǒng)的計算機(jī)，計算機(jī)根據(jù)誤差最小的原則實時選擇控制參量，使振動臺準(zhǔn)確地再現(xiàn)輸入的地震波。2021/5/913地震模擬振動臺的主要技術(shù)參數(shù)如下：(1)臺面尺寸和臺面最大負(fù)載臺面尺寸決定了進(jìn)行試驗的結(jié)構(gòu)模型平面尺寸。在靜載試驗或擬靜載試驗(低周反復(fù)荷載試驗)中，常常忽略結(jié)構(gòu)受力單元的空間聯(lián)系，取試驗結(jié)構(gòu)模型為平面結(jié)構(gòu)模型，例如，平面框架結(jié)構(gòu)。平面外的穩(wěn)定問題通過試驗裝置解決。但在地震模擬振動臺試驗中，即使是單向地震模擬試驗，結(jié)構(gòu)模型也應(yīng)為空間模型。臺面尺寸越大，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20m×15m(日本)。2021/5/914大型地震模擬振動臺多采用電液伺服作動器作為驅(qū)動單元，振動臺試驗中，運(yùn)動部件的最大加速度取決于電液伺服作動器的最大推力和運(yùn)動部件的質(zhì)量。這里，運(yùn)動部件就是指振動臺臺面和試驗結(jié)構(gòu)模型。因此，振動臺試驗中，試驗結(jié)構(gòu)模型的平面尺寸受振動臺平面尺寸限制，試驗結(jié)構(gòu)模型的重量也要受到振動臺最大負(fù)載能力的限制。2021/5/915(2)臺面運(yùn)動自由度理論上，地震模擬振動臺可以有6個自由度，也就是說，基于現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)制造的地震模擬振動臺可以使振動臺再現(xiàn)全部地震地面運(yùn)動。但在工程實踐中，地震記錄很少有地面運(yùn)動的旋轉(zhuǎn)分量。這與強(qiáng)震觀測有關(guān)。我們知道，強(qiáng)震觀測儀記錄的地震運(yùn)動為儀器安裝位置的直線運(yùn)動，這個直線運(yùn)動應(yīng)該包含了旋轉(zhuǎn)分量。但如果要通過強(qiáng)震觀測儀確定地震引起的地面旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，就必須知道轉(zhuǎn)動中心。由于地震運(yùn)動的復(fù)雜性，目前可用的地震記錄大多為觀測點的地面直線運(yùn)動(觀測點的速度和加速度)。相應(yīng)的，在工程結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計、分析和試驗中，一般也不考慮地面運(yùn)動的旋轉(zhuǎn)分量。2021/5/916(2)臺面運(yùn)動自由度振動臺僅在一個方向運(yùn)動時，為水平單向振動臺。如果振動臺有兩個自由度，可以有兩種組合，一種組合為一個自由度為水平方向，另一自由度為豎向方向；另一種組合中，兩個自由度均為水平方向，兩個水平運(yùn)動方向相互垂直。三自由度的振動臺包括兩個水平方向的自由度和一個豎向方向的自由度。目前，已投入運(yùn)行的地震模擬振動臺雖然具有在全部6個自由度上模擬地震地面運(yùn)動的能力，但在結(jié)構(gòu)抗震試驗中，一般仍以水平方向和垂直方向的振動為主。2021/5/917(3)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10Hz，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大多為0—50Hz，有的振動臺的最高頻率響應(yīng)可以達(dá)到80～120Hz，主要用于較小比例的結(jié)構(gòu)模型的振動臺試驗。振動臺最大位移一般為±100mm。采用電液伺服系統(tǒng)的振動臺，其動態(tài)特性由電液伺服作動器所決定。電液伺服系統(tǒng)的流量和壓力決定了作動器的最大速度，振動圓頻率越高，振動位移幅值就越小。振動臺的最大加速度可以達(dá)到20m／s2(2g，g為重力加速度)。2021/5/918(4)輸入波形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。一般要求振動臺能夠模擬地震地面運(yùn)動，輸入的振動波形應(yīng)為不規(guī)則的地震波。此外，振動臺可以用來對結(jié)構(gòu)施加各種振動激勵，輸入的波形還包括正弦波、三角波等規(guī)則波，以及隨機(jī)的不規(guī)則白噪聲波等。2021/5/9193．地震模擬振動臺試驗的實施與數(shù)據(jù)采集

地震模擬振動臺試驗是一種高速動態(tài)試驗，試驗中采集的數(shù)據(jù)主要包括模型結(jié)構(gòu)各測點的加速度、位移和應(yīng)變。其中，最重要的測試數(shù)據(jù)是各樓層的加速度數(shù)據(jù)。因為通過實測的加速度，可以推算各樓層所受的慣性力作用。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)確地測量模型結(jié)構(gòu)基底的加速度，除在振動臺臺面安裝加速度傳感器外，在模型結(jié)構(gòu)基底也安裝加速度傳感器。2021/5/920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)有足夠的剛度且不受振動臺運(yùn)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)與安裝支架之間的相對位移。對于鋼結(jié)構(gòu)模型，可直接采用電阻應(yīng)變計量測試驗中的應(yīng)變變化。對于混凝土結(jié)構(gòu)和砌體結(jié)構(gòu)模型，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。2021/5/921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)由圖像采集系統(tǒng)自動完成。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，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，一方面防止人員受到傷害，另一方面，還要保護(hù)測量儀表，避免不必要的損失。2021/5/9224、地震模擬振動臺加載過程加載程序有一次性加載和多次加載，選擇加載程序由試驗?zāi)康膩泶_定。2021/5/923一次性加載：一般是先進(jìn)行自由振動試驗，測量結(jié)構(gòu)的動力特性。然后輸入一個適當(dāng)?shù)牡卣鹩涗洠B續(xù)地記錄位移、速度、加速度、應(yīng)變等動力反應(yīng)，并觀察裂縫的形成和發(fā)展過程，以研究結(jié)構(gòu)在彈性、彈塑性和破壞階段的各種性能。這種加載過程的主要特點：可以連續(xù)模擬結(jié)構(gòu)在一次強(qiáng)烈地震中的整個表現(xiàn)與反應(yīng)，但是對試驗過程中的量測和觀察要求較高(要求高速攝影或電視攝像)，破壞階段的觀測又比較危險，因此在沒有足夠經(jīng)驗的情況下很少采用這種加載方法。2021/5/924多次加載：主要是將荷載按結(jié)構(gòu)初裂、中等開裂和破壞分成等級，然后荷載由小到大逐級加載和觀察。多級加載對結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生變形積累的影響。由于地震模擬振動臺可以實時地再現(xiàn)地震作用過程，因此可以很好地反映應(yīng)變速率對結(jié)構(gòu)材料強(qiáng)度的影響。它的缺點是：設(shè)備昂貴，不能做大比例模型試驗，不便于試驗全過程觀測。2021/5/925三、結(jié)構(gòu)擬動力試驗對于一個具體的結(jié)構(gòu)或某一種具體的結(jié)構(gòu)形式，發(fā)生地震時，結(jié)構(gòu)受到的慣性力與結(jié)構(gòu)本身的特性相關(guān)，地震模擬試驗的就是要模擬結(jié)構(gòu)受到的這種慣性力。如前所述，地震模擬振動臺試驗可以模擬結(jié)構(gòu)遭遇的地震作用。但是，受臺面尺寸和設(shè)備能力所限，地震模擬振動臺試驗中，結(jié)構(gòu)模型的尺寸往往很小，結(jié)構(gòu)構(gòu)件的局部性能很難準(zhǔn)確模擬。要解決這一問題，只有加大結(jié)構(gòu)模型的尺寸，用其他方式模擬結(jié)構(gòu)受到的慣性力。2021/5/926結(jié)構(gòu)擬動力試驗方法就是用靜力加載的方式來模擬結(jié)構(gòu)受到地震動力作用的一種試驗方法。2021/5/9271．結(jié)構(gòu)擬動力試驗方法的基本原理彈性單自由度結(jié)構(gòu)體系在地震作用下的運(yùn)動微分方程為：

分別為慣性力、阻尼力和彈性恢復(fù)力。根據(jù)結(jié)構(gòu)動力學(xué)，(1)式可以采用杜哈美爾積分方法求解。對于非彈性體系，例如，混凝土開裂、受拉鋼筋屈服等現(xiàn)象使結(jié)構(gòu)體系的恢復(fù)力與結(jié)構(gòu)體系的位移偏離線性關(guān)系。(1)式改寫為：(2)(1)2021/5/928如果已知非彈性恢復(fù)力的表達(dá)式，也可以采用逐步積分法求解(2)式。前面介紹的結(jié)構(gòu)低周反復(fù)荷載試驗的目的之一就是獲取結(jié)構(gòu)恢復(fù)力的滯回關(guān)系。但對于一個具體的結(jié)構(gòu)，我們并不知道結(jié)構(gòu)的非彈性恢復(fù)力特征，要通過計算了解該結(jié)構(gòu)在地震作用下的性能，只能根據(jù)已有的試驗結(jié)果和理論分析，假設(shè)恢復(fù)力模型，再求解(2)式。顯然，恢復(fù)力模型的誤差會直接影響計算結(jié)果。（2）2021/5/929怎樣改善計算精度呢?徹底消除恢復(fù)力模型誤差的思路就是拋棄假設(shè)的恢復(fù)力模型，直接在試驗中量測結(jié)構(gòu)體系的恢復(fù)力。也就是說，將結(jié)構(gòu)試驗和結(jié)構(gòu)動力分析直接結(jié)合起來，從硬件來看，就是計算機(jī)與試驗機(jī)相結(jié)合來得到結(jié)構(gòu)體系的地震反應(yīng)。

2021/5/930按照中心差分法，上述位移時程曲線計算的遞推格式如下：將上式的差分關(guān)系代入離散的方程：

2021/5/931試驗直接得到的結(jié)果是它們形成結(jié)構(gòu)的位移時程曲線和結(jié)構(gòu)的恢復(fù)力。

2021/5/9322．多自由度結(jié)構(gòu)擬動力試驗方法多自由度結(jié)構(gòu)擬動力試驗方法與單自由度擬動力試驗方法在原理上是相同的，但結(jié)構(gòu)運(yùn)動方程為矩陣形式：采用中心差分法，得到遞推格式的解答：2021/5/933實際工程中，很多結(jié)構(gòu)在地震中發(fā)生的振動以其基本振型為主。這類結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計可以采用基底剪力法。在對這類結(jié)構(gòu)進(jìn)行擬動力試驗時，類似基底剪力法，可以將結(jié)構(gòu)等效為單自由度體系，使試驗控制得到簡化。2021/5/934子結(jié)構(gòu)擬動力試驗工程結(jié)構(gòu)在遭遇地震時，往往只有結(jié)構(gòu)的一部分進(jìn)入非彈性反應(yīng)階段。利用結(jié)構(gòu)擬動力試驗的特點，可以只對結(jié)構(gòu)非彈性反應(yīng)部分進(jìn)行試驗，而另一部分結(jié)構(gòu)的彈性反應(yīng)可以通過計算機(jī)求解。2021/5/935如圖框架－剪力墻結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)底層的剪力墻單元在地震作用下進(jìn)入非彈性反應(yīng)階段。采用子結(jié)構(gòu)擬動力試驗方法，底層剪力墻單元為試驗單元，用3個作動器對該單元加載，模擬底層剪力墻受到的剪力、彎矩和軸力。結(jié)構(gòu)其余部分的動力反應(yīng)通過計算機(jī)程序求解。將兩部分得到的反應(yīng)在結(jié)構(gòu)整體分析程序中求解，就可得到整個結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)。2021/5/936StructuralTestGeotechnicalTestatAnotherLabStructuralFESimulation1GeotechnicalFESimulation2TotalSystemPhysicalTestsNumericalSimulation子結(jié)構(gòu)混合試驗2021/5/9373．偽動力試驗步驟（1）輸入地面運(yùn)動加速度地震波的加速度時程曲線，加速度示值隨時間t的變化而改變，為便于計算，首先將實際地震記錄的加速度時程曲線按一定時間間隔數(shù)字化，即按Δt劃分成許多微小的時間段，可以取Δt為0.01，這樣就可以用數(shù)值積分方法求解運(yùn)動方程

2021/5/938（2）計算下一步的位移值采用中心差分法求解下一步位移。（3）位移值的轉(zhuǎn)換由加載控制系統(tǒng)的計算機(jī)將第n+1步的指令位移Ｘn+1轉(zhuǎn)換成輸入電壓，再通過電液向加載系統(tǒng)控制作動器對結(jié)構(gòu)加載，由作動器用靜態(tài)的方法對結(jié)構(gòu)施加Ｘn+1位移。2021/5/939（4）量測恢復(fù)Fn+1即位移值Xn+1對結(jié)構(gòu)施加的荷載，通過作動器的荷載傳感器測得此時恢復(fù)力Fn+1。（5）計算出反應(yīng)全過程將Xn+1，F(xiàn)n+1數(shù)據(jù)代入上述算式，用同樣方法求得Xn+2，進(jìn)行加載，求得Xn+2位移下的Fn+2，這樣如此循環(huán)