結(jié)構(gòu)實驗技術(shù)：地震模擬振動臺試驗

1§5.4

地震模擬振動臺試驗一、概論1、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，是在實驗室內(nèi)研究結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)和破壞機理的最直接方法。2一、概論2、試驗?zāi)康难芯拷Y(jié)構(gòu)的動力特性，破壞機理及震害原因。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)。為結(jié)構(gòu)抗震靜力試驗，提供試驗依據(jù)。3一、概論

3、優(yōu)點：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)材料強度的影響

4、缺點：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，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)的抗震性能進行研究。如圖為一地震模擬振動臺的示意圖。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)地震對結(jié)構(gòu)的作用。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6三、振動臺基本性能指標

1、

臺面尺寸和臺面最大負載臺面尺寸及臺面負載決定了進行試驗的結(jié)構(gòu)模型尺寸(重量)。臺面尺寸及臺面負載越大，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)，其臺面負載為1200t72、臺面運動自由度

在工程實踐中，地震記錄很少有地面運動的旋轉(zhuǎn)分量，這與強震觀測有關(guān)。因此，雖然目前已投入運行的地震模擬振動臺大部為6個自由度上模擬地震地面運動的能力，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。三、振動臺基本性能指標

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。振動臺的最大加速度可以達到20m／s2(2g，g為重力加速度)。94、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，以及隨機的不規(guī)則白噪聲波等。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：±1000~502000MTS三參量MTS全套MTS,臺面首鋼制造，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，正準備升級控制同濟大學(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部分部件由國內(nèi)紅山廠配套，運行良好哈爾濱工業(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：±500.5~402*2502*2504*250自制紅山設(shè)備開發(fā)能力強，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:±340.1~100150208MTS另有2*6m滑臺廣州大學(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SeverTest重慶公路研究所臺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Nevada大學(xué)Reno分校振動臺陣

三個臺面尺寸均為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1000萬美元左右，由美國MTS公司生產(chǎn)。

Buffalo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700萬美元左右，由美國MTS公司生產(chǎn)。2美國Buffalo大學(xué)振動臺陣

國內(nèi)重慶交通科研設(shè)計院建成了由一個固定的Ａ臺和一個可沿軌道移動的Ｂ臺組成的二臺線型地震模擬試驗臺組；其A臺和B臺的臺面尺寸均為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臺可在縱向20m范圍移動，設(shè)備總投資為3200萬人民幣，由英國一家公司生產(chǎn)。

3重慶交通科研設(shè)計院振動臺陣

北京工業(yè)大學(xué)建成了由原固定一個3m×3m臺和新建九個可沿軌道移動的1m×1m臺組成的十子臺陣地震模擬試驗臺組；新建振動臺豎向承載能力均為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)振動臺陣ABCD

多功能振動臺組系統(tǒng)由四個可沿軌道移動的A、B、C、D臺線型組成（6m*6m,6自由度）,預(yù)期投資1億元。

5同濟大學(xué)4臺振動臺陣（規(guī)劃）

中間固定臺為4m×4m，兩個可移動邊臺為2.5m×2.5m；最大豎向承載能力為10t-22t-10t，臺面最大位移均為

250mm；預(yù)計投資為1800萬人民幣。6福州大學(xué)3臺振動臺陣（規(guī)劃）211、加速度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。通過實測的加速度，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。

222、位移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。四、數(shù)據(jù)采集

233、應(yīng)變對于鋼結(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距下的測量值作為該標距范圍內(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，還要保護測量儀表，避免不必要的損失。四、數(shù)據(jù)采集

25五、加載方法

根據(jù)場地類別、烈度和震中距離，設(shè)計和選擇臺面輸入加速度時程曲線；輸入加速度幅值和持續(xù)時間（對于擬合人工地震動，持續(xù)時間宜≥20s）；加載前采用正弦頻率掃描法或白噪聲激振法測定試體的自振頻率、振型和阻尼比等動力特性；

26五、加載方法

依據(jù)試體模型計算的地震反應(yīng)，估計逐次輸入臺面加速度幅值；輸入某一幅值的加速度時程曲線，量測試體的動力反應(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，逐級加大幅值，直至試體開裂，進入彈塑性階段，觀測與記錄裂縫開展情況；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抗震試驗方法對比方法優(yōu)點缺點擬靜力試驗加載制度簡單明確；很容易得到構(gòu)件恢復(fù)力模型和承載力計算公式；能評價構(gòu)件的抗震性能；（性價比最高的抗震試驗方法）加載制度主觀確定，與實際地震作用歷程無關(guān)，很難