結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)技術(shù)：地震模擬振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)

1§5.4

地震模擬振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)一、概論1、方法：通過(guò)電液伺服加載系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)振動(dòng)臺(tái)面模擬真實(shí)地震動(dòng)的試驗(yàn)方法，是在實(shí)驗(yàn)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。2一、概論2、試驗(yàn)?zāi)康难芯拷Y(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性，破壞機(jī)理及震害原因。驗(yàn)證抗震計(jì)算理論和計(jì)算模型的正確性。研究動(dòng)力相似理論，為模型試驗(yàn)提供依據(jù)。為結(jié)構(gòu)抗震靜力試驗(yàn)，提供試驗(yàn)依據(jù)。3一、概論

3、優(yōu)點(diǎn)：可以真實(shí)的反應(yīng)結(jié)構(gòu)實(shí)際地震反應(yīng)；可以很好的反映應(yīng)變速率對(duì)結(jié)構(gòu)材料強(qiáng)度的影響

4、缺點(diǎn)：設(shè)備昂貴，受臺(tái)面尺寸限制，不能做大比例模型試驗(yàn)；受尺寸效應(yīng)影響，很難評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)的抗震能力4振動(dòng)臺(tái)是用來(lái)產(chǎn)生模擬的地震地面運(yùn)動(dòng)，對(duì)結(jié)構(gòu)的抗震性能進(jìn)行研究。如圖為一地震模擬振動(dòng)臺(tái)的示意圖。試驗(yàn)時(shí)，振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面產(chǎn)生水平或豎向往復(fù)運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)規(guī)律與結(jié)構(gòu)遭遇地震時(shí)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律相同。安裝在振動(dòng)臺(tái)上的模型結(jié)構(gòu)受到臺(tái)面運(yùn)動(dòng)的加速度作用，產(chǎn)生慣性力，從而再現(xiàn)地震對(duì)結(jié)構(gòu)的作用。二、振動(dòng)臺(tái)基本原理

振動(dòng)臺(tái)基礎(chǔ)作動(dòng)器臺(tái)面結(jié)構(gòu)模型油路6三、振動(dòng)臺(tái)基本性能指標(biāo)

1、

臺(tái)面尺寸和臺(tái)面最大負(fù)載臺(tái)面尺寸及臺(tái)面負(fù)載決定了進(jìn)行試驗(yàn)的結(jié)構(gòu)模型尺寸(重量)。臺(tái)面尺寸及臺(tái)面負(fù)載越大，結(jié)構(gòu)模型的尺寸就可以越大，試驗(yàn)結(jié)構(gòu)的性能也就越接近真實(shí)結(jié)構(gòu)的性能。目前，世界上最大的振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面尺寸為20m×15m(日本)，其臺(tái)面負(fù)載為1200t72、臺(tái)面運(yùn)動(dòng)自由度

在工程實(shí)踐中，地震記錄很少有地面運(yùn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)分量，這與強(qiáng)震觀測(cè)有關(guān)。因此，雖然目前已投入運(yùn)行的地震模擬振動(dòng)臺(tái)大部為6個(gè)自由度上模擬地震地面運(yùn)動(dòng)的能力，但在結(jié)構(gòu)抗震試驗(yàn)中，一般仍以水平方向和垂直方向的振動(dòng)為主。三、振動(dòng)臺(tái)基本性能指標(biāo)

83、

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(guò)10Hz，考慮試驗(yàn)結(jié)構(gòu)模型的特點(diǎn)，地震模擬振動(dòng)臺(tái)的頻率范圍大多為0—50Hz，有的振動(dòng)臺(tái)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(dòng)臺(tái)試驗(yàn)。振動(dòng)臺(tái)最大位移一般為±100mm。振動(dòng)臺(tái)的最大加速度可以達(dá)到20m／s2(2g，g為重力加速度)。94、輸入波形地震模擬振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)的主要目的是檢驗(yàn)結(jié)構(gòu)在遭遇地震時(shí)的性能。一般要求振動(dòng)臺(tái)能夠模擬地震地面運(yùn)動(dòng)，輸入的振動(dòng)波形應(yīng)為不規(guī)則的地震波。此外，振動(dòng)臺(tái)可以用來(lái)對(duì)結(jié)構(gòu)施加各種振動(dòng)激勵(lì)，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。建設(shè)單位年代振動(dòng)形式臺(tái)面尺寸(m)臺(tái)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(guó)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：±1000~502000MTS三參量MTS全套MTS,臺(tái)面首鋼制造，目前正在調(diào)試北京工業(yè)大學(xué)*2002水平單自由度3*3625X：±1.0X：±600X：±1250.4~50250330位移部分MTS部分控制自制中國(guó)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：±300.1~1202*3401*5904*2001155三參量反饋Schenck工作頻率高，正準(zhǔn)備升級(jí)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：±500~501200三參量反饋MTS部分部件由國(guó)內(nèi)紅山廠配套，運(yùn)行良好哈爾濱工業(yè)大學(xué)*1987三向六自由度3*4312X：±1.3X：±600X：±1253.4~40250330位移Schenck共用油源，Schenck作動(dòng)器，其余自制中國(guó)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：±500.5~402*2502*2504*250自制紅山設(shè)備開(kāi)發(fā)能力強(qiáng)，全套國(guó)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:±340.1~100150208MTS另有2*6m滑臺(tái)廣州大學(xué)1995三向六自由度3*310X：±1.0Y：±1.0Z：±2.0X：±100Y：±100Z：±100X：±100Y：±100Z：±500~50MTS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:±500.1~50152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*1.50.5~80MTS臺(tái)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*361.35001000.4~40國(guó)產(chǎn)西安建筑科技大學(xué)水平單自由度2*24.5中國(guó)核動(dòng)力研究所英國(guó)SeverTest重慶公路研究所臺(tái)面尺寸比較最大工作頻率比較最大加速度比較最大速度比較1美國(guó)Nevada大學(xué)Reno分校振動(dòng)臺(tái)陣

三個(gè)臺(tái)面尺寸均為4.35m×4m，豎向承載能力為45噸,最大水平位移為

300mm，最大加速度為1g，總投資為1000萬(wàn)美元左右，由美國(guó)MTS公司生產(chǎn)。

Buffalo大學(xué)的線型地震模擬振動(dòng)臺(tái)陣由二個(gè)振動(dòng)臺(tái)組成，其二個(gè)臺(tái)面尺寸均為3.6m×3.6m，豎向承載能力為50噸,最大水平位移為

150mm，最大加速度為1.15g，總投資為700萬(wàn)美元左右，由美國(guó)MTS公司生產(chǎn)。2美國(guó)Buffalo大學(xué)振動(dòng)臺(tái)陣

國(guó)內(nèi)重慶交通科研設(shè)計(jì)院建成了由一個(gè)固定的Ａ臺(tái)和一個(gè)可沿軌道移動(dòng)的Ｂ臺(tái)組成的二臺(tái)線型地震模擬試驗(yàn)臺(tái)組；其A臺(tái)和B臺(tái)的臺(tái)面尺寸均為3m×6m，豎向承載能力均為35噸，最大水平位移為

150mm，最大加速度為1g，B臺(tái)可在縱向20m范圍移動(dòng)，設(shè)備總投資為3200萬(wàn)人民幣，由英國(guó)一家公司生產(chǎn)。

3重慶交通科研設(shè)計(jì)院振動(dòng)臺(tái)陣

北京工業(yè)大學(xué)建成了由原固定一個(gè)3m×3m臺(tái)和新建九個(gè)可沿軌道移動(dòng)的1m×1m臺(tái)組成的十子臺(tái)陣地震模擬試驗(yàn)臺(tái)組；新建振動(dòng)臺(tái)豎向承載能力均為5噸，最大水平位移為

75mm，最大加速度為1.5g。

4北京工業(yè)大學(xué)振動(dòng)臺(tái)陣ABCD

多功能振動(dòng)臺(tái)組系統(tǒng)由四個(gè)可沿軌道移動(dòng)的A、B、C、D臺(tái)線型組成（6m*6m,6自由度）,預(yù)期投資1億元。

5同濟(jì)大學(xué)4臺(tái)振動(dòng)臺(tái)陣（規(guī)劃）

中間固定臺(tái)為4m×4m，兩個(gè)可移動(dòng)邊臺(tái)為2.5m×2.5m；最大豎向承載能力為10t-22t-10t，臺(tái)面最大位移均為

250mm；預(yù)計(jì)投資為1800萬(wàn)人民幣。6福州大學(xué)3臺(tái)振動(dòng)臺(tái)陣（規(guī)劃）211、加速度加速度傳感器為絕對(duì)傳感器，可將其直接安裝在模型結(jié)構(gòu)的各個(gè)樓層位置。為了準(zhǔn)確地測(cè)量模型結(jié)構(gòu)基底的加速度，除在振動(dòng)臺(tái)臺(tái)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。通過(guò)實(shí)測(cè)的加速度，可以推算各樓層所受的慣性力作用。四、數(shù)據(jù)采集

地震模擬振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)是一種高速動(dòng)態(tài)試驗(yàn)，試驗(yàn)中采集的數(shù)據(jù)主要包括模型結(jié)構(gòu)各測(cè)點(diǎn)的加速度、位移和應(yīng)變。

222、位移位移傳感器為相對(duì)傳感器，在振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)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(dòng)臺(tái)運(yùn)動(dòng)的影響。將位移傳感器固定在安裝支架上，測(cè)量模型結(jié)構(gòu)與安裝支架之間的相對(duì)位移。四、數(shù)據(jù)采集

233、應(yīng)變對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)模型，可直接采用電阻應(yīng)變計(jì)量測(cè)試驗(yàn)中的應(yīng)變變化。對(duì)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(diǎn)，電阻應(yīng)變片很容易因開(kāi)裂而失效。常采用位移傳感器在一定標(biāo)距下的測(cè)量值作為該標(biāo)距范圍內(nèi)的平均應(yīng)變。四、數(shù)據(jù)采集

24此外，由于試驗(yàn)速度快，模型結(jié)構(gòu)的損傷和破壞過(guò)程的觀測(cè)和記錄應(yīng)由圖像采集系統(tǒng)自動(dòng)完成。地震模擬振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)為破壞性試驗(yàn)，希望得到模型結(jié)構(gòu)倒塌破壞時(shí)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(yàn)時(shí)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(cè)量?jī)x表，避免不必要的損失。四、數(shù)據(jù)采集

25五、加載方法

根據(jù)場(chǎng)地類別、烈度和震中距離，設(shè)計(jì)和選擇臺(tái)面輸入加速度時(shí)程曲線；輸入加速度幅值和持續(xù)時(shí)間（對(duì)于擬合人工地震動(dòng)，持續(xù)時(shí)間宜≥20s）；加載前采用正弦頻率掃描法或白噪聲激振法測(cè)定試體的自振頻率、振型和阻尼比等動(dòng)力特性；

26五、加載方法

依據(jù)試體模型計(jì)算的地震反應(yīng)，估計(jì)逐次輸入臺(tái)面加速度幅值；輸入某一幅值的加速度時(shí)程曲線，量測(cè)試體的動(dòng)力反應(yīng)（加速度、速度、位移和應(yīng)變等）、放大系數(shù)和彈性性能；如此，逐級(jí)加大幅值，直至試體開(kāi)裂，進(jìn)入彈塑性階段，觀測(cè)與記錄裂縫開(kāi)展情況；繼續(xù)加大幅值，或保持某一峰值反復(fù)輸入，直至試體破壞，記錄試體破壞特征及相關(guān)數(shù)據(jù)。27抗震試驗(yàn)方法對(duì)比方法優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)擬靜力試驗(yàn)加載制度簡(jiǎn)單明確；很容易得到構(gòu)件恢復(fù)力模型和承載力計(jì)算公式；能評(píng)價(jià)構(gòu)件的抗震性能；（性價(jià)比最高的抗震試驗(yàn)方法）加載制度主觀確定，與實(shí)際地震作用歷程無(wú)關(guān)，很難