振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)實(shí)例

1、、振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)方案1試驗(yàn)方案1.1工程概況本工程塔樓結(jié)構(gòu)體系為“三維巨型空間框架-鋼筋混凝土核心筒”結(jié)構(gòu)體系， 主要由4個(gè)核心筒、鋼骨混凝土( SRC外框架、3個(gè)避難層聯(lián)系桁架三部分構(gòu) 成，圖1-2、圖1-3分別是B塔結(jié)構(gòu)體系構(gòu)成示意圖和建筑效果圖。特別指出的 是本工程在14、24樓層的聯(lián)系桁架的腹桿以及32、48樓層的斜撐為防屈曲支撐(UBB構(gòu)件。設(shè)計(jì)指標(biāo)為小震不屈服，大震屈服耗能。具體位置示意見(jiàn)圖1-4 o本工程的自振周期約為6.44秒，超過(guò)了建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范 (GB-50011-2001)設(shè)計(jì)反應(yīng)譜長(zhǎng)為6秒的規(guī)定。本工程存在 5個(gè)一般不規(guī)則和2 個(gè)特別不規(guī)則類(lèi)型，5個(gè)一般不規(guī)則類(lèi)型分別是扭

2、轉(zhuǎn)不規(guī)則、凹凸不規(guī)則、剛度 突變、構(gòu)件間斷和承載力突變。2個(gè)特別不規(guī)則是高位轉(zhuǎn)換和復(fù)雜連接。1.2模擬方案1、模擬方案選擇動(dòng)力試驗(yàn)用的結(jié)構(gòu)模型必須根據(jù)相似律進(jìn)行設(shè)計(jì)，模型動(dòng)力相似律的建立以結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方程為基礎(chǔ)，選擇若干主要控制參數(shù)作為模擬控制的對(duì)象，依據(jù) Buckingham的n定理，經(jīng)無(wú)量綱分析導(dǎo)出控制參數(shù)的無(wú)量綱積，據(jù)此確定各控 制參數(shù)的相似比率。結(jié)構(gòu)動(dòng)力試驗(yàn)的相似模型大致分為四種：(1) 彈塑性模型 理論上可以重現(xiàn)結(jié)構(gòu)反應(yīng)的時(shí)間過(guò)程， 使模型和原型的 應(yīng)力分布一致，并可模擬結(jié)構(gòu)的破壞。由于要嚴(yán)格考慮重力加速度對(duì)應(yīng)力反應(yīng)的影響，必須滿(mǎn)足S=S=1(S=模型加速度/原型加速度，S為重力加速度相

3、似系數(shù)， 各相似系數(shù)之間的關(guān)系見(jiàn)表 1)，即模型加速度反應(yīng)與原型加速度反應(yīng)一致，這 一要求大大限制模型材料的選擇。因?yàn)樵诳s尺模型中，幾何比(S)很小，在Sa=Sg=1的條件下，要滿(mǎn)足Sa=S/SS =1,即S=S/S p,必須使模型材料的彈模 很小或材料密度很大，彈模小導(dǎo)致模型澆筑困難，容易損壞；密度大則要求在模 型材料中加入大量鉛粉之類(lèi)容重大的摻合物。 這對(duì)大型建筑動(dòng)力試驗(yàn)?zāi)Ｐ褪请y以 辦到的。即使彈?；蛎芏葷M(mǎn)足了相似條件，材料的其他性質(zhì)如泊松比和阻尼等也 難以滿(mǎn)足相似關(guān)系，所以全相似模型只是一種理想化的模型， 在實(shí)際工程中很難 采用。(2) 用人工質(zhì)量模擬的彈塑性模型使用原型材料或其他替代材

4、料制作 時(shí)，Se自然等于1或接近于1,若要滿(mǎn)足Sa=Sg=1的條件，材料密度需要加大， 故采用人工質(zhì)量。人工質(zhì)量可以產(chǎn)生適當(dāng)?shù)闹亓π?yīng)和慣性作用，但不影響結(jié)構(gòu) 的剛度、強(qiáng)度和阻尼特性。人工質(zhì)量若布置得當(dāng)，可以模擬幾何非線性。因此人工質(zhì)量模型在地震模擬實(shí)驗(yàn)中獲得廣泛應(yīng)用，但對(duì)于大型建筑物，模型幾何比(SI)很小，人工質(zhì)量將大大超過(guò)模型本身的質(zhì)量，而模型各層空間有限，國(guó)內(nèi) 外的絕大多數(shù)振動(dòng)臺(tái)設(shè)備承載能力均難以滿(mǎn)足這一要求。因而在模型設(shè)計(jì)中常加以改進(jìn)。(3) 忽略重力效應(yīng)的彈性模型放棄S=S=1的條件，忽略重力效應(yīng)，會(huì) 使模型反應(yīng)失真。在一般情況下，重力引起的結(jié)構(gòu)效應(yīng)與水平地震作用效應(yīng)相比 是較為次

5、要的，特別是在結(jié)構(gòu)反應(yīng)處于小變形階段不發(fā)生明顯幾何非線性的情況下，忽略重力效應(yīng)不會(huì)造成大的誤差。由于忽略重力效應(yīng)的模型中相似比91, 即振動(dòng)臺(tái)要有較大的出力，而模型的頻率則較高，加載和量測(cè)設(shè)備要在高頻狀態(tài) 下工作。這種模型對(duì)研究彈性狀態(tài)下的性能比較合適， 但本項(xiàng)試驗(yàn)要求模擬結(jié)構(gòu) 在7度大震作用下的反應(yīng)，結(jié)構(gòu)有可能進(jìn)入非彈性階段并產(chǎn)生較大位移。 因此不 宜采用忽略重力效應(yīng)的模型。(4) 混合相似模型 使用微?；炷敛牧?，采用一定的人工質(zhì)量盡量減少忽略重力效應(yīng)的影響。微粒混凝土材料的彈模較原型材料小，而泊松比和阻尼等 特性與原型材料相近。2、模擬方案確定本試驗(yàn)選用混合相似模型的設(shè)計(jì)方案是較為理想的

6、。由前述分析可知，結(jié)構(gòu)模型振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)的相似關(guān)系是根據(jù)運(yùn)動(dòng)基本方程建立的，相似關(guān)系應(yīng)滿(mǎn)足質(zhì)點(diǎn)運(yùn) 動(dòng)平衡方程式相似、邊界條件相似和運(yùn)動(dòng)初始條件相似。相似關(guān)系可采用量綱分 析法求得。對(duì)于結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)問(wèn)題，可表述為如下函數(shù)關(guān)系：-=f(l,E, ,t,u,v,a,g, )式中：二為結(jié)構(gòu)反應(yīng)應(yīng)力，I為結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸，E為構(gòu)件的彈性模量，t為構(gòu)件 的質(zhì)量密度，t為時(shí)間，u為結(jié)構(gòu)反應(yīng)變位，v為結(jié)構(gòu)反應(yīng)速度，a為結(jié)構(gòu)反應(yīng)加 速度，g為重力加速度，為結(jié)構(gòu)自振圓頻率。取I , E, a三者為基本量，其余各量均可以此為基礎(chǔ)按照量綱分析的原理表示為I , E, a的幕次單項(xiàng)式。定義A在原型結(jié)構(gòu)中的數(shù)值為Ay，在模型中

7、的數(shù)值 為Am，那么在模型設(shè)計(jì)中量A的相似比為Sa = Am/Ay。若使模型試驗(yàn)?zāi)苣M原 型結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，各量的相似比必須滿(mǎn)足表 1-1中的公式條件。一般情況下，振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)是模型試驗(yàn)，要做到所有物理量完全相似是十分困難的，甚至是不可能的。因此在實(shí)際試驗(yàn)中只能要求保證主要的物理量相似，不能要求所有的物理量都嚴(yán)格相似根據(jù)表1-1 （模型/原形=1/35 ）模型與原型的相似關(guān)系，根據(jù)振動(dòng)臺(tái)的承載 能力，同時(shí)估算模型重量后，對(duì)模型配重進(jìn)行初步驗(yàn)算。其中彈性模量的相似關(guān) 系需根據(jù)模型材料試塊的測(cè)試結(jié)果加以調(diào)整。表1-1 模型與原型的相似關(guān)系（幾何比：模型/原型=1/35）相似系數(shù)符號(hào)公式比值（模型/原

8、型）尺寸S模型1/原型11/35彈性模量模型E/原型E1/4.0加速度Sa2Sa= Se S 1 / S m2.245質(zhì)量Sm模型m/原型m1/11000時(shí)間SS = F /Sa0.1128頻率SS=1/ St8.8641速度sS = J S| Sa0.2533位移SuSu = Sl1/35應(yīng)力SCTSu Se1/4.0應(yīng)變S名S廠11剛度SkSk =SmSa /S|0.0071阻尼ScSc = SmUSa /S|0.000811.3模型設(shè)計(jì)及模型材料模型比例選用1/35，依據(jù)相似理論進(jìn)行模型設(shè)計(jì)。在模型設(shè)計(jì)、制作過(guò)程中 與甲方和設(shè)計(jì)單位進(jìn)行34次討論和確認(rèn)。1）模型混凝土模型用微粒混凝土制作

9、，材料為水泥沙漿。水泥為425R號(hào)硅酸鹽水泥，骨 料為粗砂和細(xì)砂。選用不同配合比使微?；炷吝_(dá)到不同的強(qiáng)度等級(jí)和彈性模量，以模擬原型C3曠C60混凝土。在模型制作過(guò)程中同時(shí)澆注規(guī)定數(shù)量的砂漿立方體試塊和棱柱體試塊以測(cè) 定微?；炷敛牧系膹?qiáng)度和彈性模量。 試塊和模型同時(shí)養(yǎng)護(hù)。材料性能試驗(yàn)在廣 州大學(xué)廣東省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（教育部、科技部共建重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）進(jìn)行。彈性模量的 測(cè)定是將棱柱體試塊（尺寸 70.7mnK 70.7mnK 240mm置于0t標(biāo)準(zhǔn)壓力試驗(yàn)機(jī)上 進(jìn)行重復(fù)加載。使用荷載傳感器、千分表測(cè)荷載和變形，然后繪出應(yīng)力變形曲線， 重復(fù)進(jìn)行加載和卸載，直到曲線的殘余變形不再增長(zhǎng)為止， 加載和量測(cè)按照

10、混 凝土結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)（GB5015-92的要求進(jìn)行。2）模型鋼筋模型鋼筋采用回火鍍鋅鐵絲。根據(jù)剛度條件選用直徑為22*- 8#等多種規(guī)格 的回火鍍鋅鐵絲。根據(jù)模型和原型配筋率相似的原則進(jìn)行模型配筋， 并滿(mǎn)足構(gòu)造 要求。3）模型型鋼對(duì)型鋼的模擬采用剛度相似原則，梁柱型鋼、型鋼混凝土內(nèi)型鋼及支撐型鋼（包括工字型、十字型和箱型）用不同厚度的薄鋼板（或紫銅）焊接而成，模擬 實(shí)際工程中不同截面的型鋼。4）模型鋼結(jié)構(gòu)對(duì)模型內(nèi)連桿、梁、柱等鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件，采用剛度相似的原則設(shè)計(jì)，選用成品 鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件（或紫銅構(gòu)件）加工成形5）模型鋼管混凝土模型鋼管混凝土采用鋼管（或紫銅管）微粒混凝土來(lái)制作。鋼管（或紫銅管）

11、內(nèi)灌注微?；炷粒⒘；炷林屑尤肱蛎泟┮苑乐逛摴?（或紫銅管）與混凝土 之間離析。根據(jù)鋼管（或紫銅管）混凝土構(gòu)件整體剛度相似原則，盡量兼顧模型 的強(qiáng)度相似，選擇不同壁厚和直徑的鋼管（或紫銅管）和不同配合比的微?；炷?土。在模型制作前，先進(jìn)行小比例的構(gòu)件試驗(yàn)，確定材料的剛度和強(qiáng)度。6）防屈曲支撐模擬防屈曲支撐（UBB初步擬定小震作用下按剛度相似來(lái)模擬，大震時(shí)考慮換一批UBB按阻尼相似模擬。具體模擬方案還要與設(shè)計(jì)方及制作方溝通協(xié)商確認(rèn)。1.4測(cè)點(diǎn)布置測(cè)點(diǎn)的布置主要考慮測(cè)試模型的動(dòng)力特性、結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)以及關(guān)鍵部位的 受力情況和彈塑性變形情況。因此，需要在適當(dāng)部位布設(shè)加速度傳感器、位移傳 感器及應(yīng)

12、變片。1.4.1測(cè)點(diǎn)布置原則1）模型動(dòng)力特性的測(cè)試由于在振型分析中只需加速度數(shù)據(jù)，在測(cè)點(diǎn)布置上可僅布置加速度傳感器。 測(cè)點(diǎn)主要分布在結(jié)構(gòu)模型兩個(gè)水平主振型方向上，中間點(diǎn)（ A點(diǎn)）主要用于單方 向主振型的測(cè)試，外圍點(diǎn)（F點(diǎn)）主要用于空間扭轉(zhuǎn)振型的測(cè)試。2）模型結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的測(cè)試為了解結(jié)構(gòu)模型在X、丫、Z三個(gè)方向上的地震反應(yīng)情況，加速度傳感器和位 移傳感器沿結(jié)構(gòu)的三個(gè)方向布置。 在A點(diǎn)布置加速度傳感器及位移傳感器。 同時(shí) 為了考慮結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，在F點(diǎn)布置位移傳感器加速度傳感器及位移傳感器沿結(jié)構(gòu)高度布置，測(cè)點(diǎn)的豎向分布間距以反映結(jié) 構(gòu)模型的整體情況為原則。3）應(yīng)變測(cè)點(diǎn)的布置應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置在重點(diǎn)觀測(cè)的

13、柱、梁的桿件上，具體布置根據(jù)計(jì)算結(jié)果，并與設(shè)計(jì)方商討確定，監(jiān)測(cè)重點(diǎn)部位的受力情況和彈塑性變形情況。142測(cè)點(diǎn)布置方案結(jié)構(gòu)測(cè)點(diǎn)的平面及豎向布置圖見(jiàn)圖1-6、1-7。模態(tài)測(cè)試及地震反應(yīng)測(cè)試用加 速度傳感器測(cè)點(diǎn)布置方案見(jiàn)表1-2，共有74個(gè)通道。應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置在結(jié)構(gòu)復(fù)雜連接、轉(zhuǎn)換桁架、主要受力構(gòu)件、以及防屈曲支撐 構(gòu)件等處。具體布置方案將根據(jù)計(jì)算結(jié)果與設(shè)計(jì)方商討后確定。1.5試驗(yàn)工況及順序在進(jìn)行結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)試驗(yàn)之前，先進(jìn)行結(jié)構(gòu)的模態(tài)測(cè)試，分別在X、丫、Z三個(gè)方向輸入白噪聲，測(cè)定結(jié)構(gòu)震前的動(dòng)力特性，為了保證模型在彈性變形范圍 內(nèi)，白噪聲的加速度幅值采用 0. 05g。模態(tài)測(cè)試工況見(jiàn)表1-3。表1-3模態(tài)

14、測(cè)定試驗(yàn)工況試驗(yàn)序號(hào)輸入地震波輸入方向輸入加速度峰值（g）1白噪聲（0.140Hz）X0.052白噪聲（0.140Hz）丫0.053白噪聲（0.140Hz）Z0.05在每個(gè)地震水準(zhǔn)試驗(yàn)前后，各輸入一次白噪聲用以測(cè)定結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的變化情況在多遇地震作用下，分別按甲方提供的人工波 1天然波1天然波2三個(gè)地震波進(jìn)行X向、丫向和Z向的單向輸入，以便用來(lái)與按建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范 彈性計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行比較和驗(yàn)證。然后再進(jìn)行最危險(xiǎn)方向74度方向輸入和X+Y+Z 三向輸入。模型試驗(yàn)工況及順序見(jiàn)表 1-4。在設(shè)防烈度地震作用下，分別進(jìn)行X向和丫向單向輸入，以便與結(jié)構(gòu)動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析結(jié)果進(jìn)行比較。然后進(jìn)行X+Y+Z三

15、向輸入。模型試驗(yàn)工況及順序見(jiàn)表 1-5。在罕遇地震作用下，根據(jù)前面的實(shí)驗(yàn)選用最不利地震波，分別進(jìn)行 X向和丫 向單向輸入和X+Y+Z三向輸入，以便與結(jié)構(gòu)動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析結(jié)果進(jìn)行比較。 模型試驗(yàn)工況及順序見(jiàn)表。表1-2多遇地震試驗(yàn)工況及順序試驗(yàn)序號(hào)輸入地震波輸入方向輸入加速度峰值（g）4人工波1X0.065天然波1X0.066天然波2X0.067人工波1Y0.068天然波1Y0.069天然波2Y0.0610人工波1Z0.0611天然波1Z0.0612天然波2Z0.0613白噪聲（0.140Hz）X+Y+Z0.0514人工波174度方向0.06+0.85 0.0615天然波174度方向0.06+0.85 .0616天然波274度方向0.06+0.85 .061