單層鋼框架抗震減震振動臺實驗

1、單層鋼框架抗震減震振動臺試驗一、 試驗?zāi)康?. 了解模擬地震振動臺的工作原理及動力加載方法；2. 熟悉結(jié)構(gòu)動力測試常用儀器、設(shè)備的使用方法；3. 掌握結(jié)構(gòu)動力特性的測試方法；4. 掌握結(jié)構(gòu)動力反應(yīng)的測試方法；5. 通過滾動隔震了解滾動隔震的減震原理。二、 試驗裝置及設(shè)備1. 單層鋼框架模型2. 滾動隔震裝置3. 3M*3M單向地震模擬振動臺4. 振動測試系統(tǒng)DH5922N5. 電液伺服加載系統(tǒng)6. 加速度傳感器7. 位移傳感器8. 質(zhì)量塊單層鋼框架模型：梁柱均采用H型鋼（），頂部加設(shè)震動方向的兩根次梁（選用L25252角鋼）三、 試驗方案及測試系統(tǒng)1.試驗方案1.1工程概況單層框架尺寸為6M9

2、.8M3.3米。圖1鋼框架示意圖2.模擬方案2.1模擬方案選擇動力試驗用的結(jié)構(gòu)模型必須根據(jù)相似律進行設(shè)計，模型動力相似律的建立以結(jié)構(gòu)運動方程為基礎(chǔ)，選擇若干主要控制參數(shù)作為模擬控制的對象，依據(jù)Buckingham的定理，經(jīng)無量綱分析導(dǎo)出控制參數(shù)的無量綱積，據(jù)此確定各控制參數(shù)的相似比率。結(jié)構(gòu)動力試驗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)的時間過程，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。由于要嚴格考慮重力加速度對應(yīng)力反應(yīng)的影響，必須滿足Sa=Sg=1（Sa=模型加速度/原型加速度，Sg為重力加速度相似系數(shù)，各相似系數(shù)之間的關(guān)系見表1），即模型加速度反應(yīng)與原型加速

3、度反應(yīng)一致，這一要求大大限制模型材料的選擇。因為在縮尺模型中，幾何比（Sl）很小，在Sa=Sg=1的條件下，要滿足Sa=SE/SlS=1，即Sl=SE/S，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容重大的摻合物。這對大型建筑動力試驗?zāi)Ｐ褪请y以辦到的。即使彈?；蛎芏葷M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料制作時，SE自然等于1或接近于1，若要滿足Sa=Sg=1的條件，材料密度需要加

4、大，故采用人工質(zhì)量。人工質(zhì)量可以產(chǎn)生適當?shù)闹亓π?yīng)和慣性作用，但不影響結(jié)構(gòu)的剛度、強度和阻尼特性。人工質(zhì)量若布置得當，可以模擬幾何非線性。因此人工質(zhì)量模型在地震模擬試驗中獲得廣泛應(yīng)用，但對于大型建筑物，模型幾何比（Sl）很小，人工質(zhì)量將大大超過模型本身的質(zhì)量，而模型各層空間有限，國內(nèi)外的絕大多數(shù)振動臺設(shè)備承載能力均難以滿足這一要求。因而在模型設(shè)計中常加以改進。（3）忽略重力效應(yīng)的彈性模型 放棄Sa=Sg=1的條件，忽略重力效應(yīng)，會使模型反應(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)不會造成大

5、的誤差。由于忽略重力效應(yīng)的模型中相似比Sa1，即振動臺要有較大的出力，而模型的頻率則較高，加載和量測設(shè)備要在高頻狀態(tài)下工作。這種模型對研究彈性狀態(tài)下的性能比較合適，但本項試驗要求模擬結(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 使用微粒混凝土材料，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?；炷敛牧系膹椖］^原型材料小，而泊松比和阻尼等特性與原型材料相近。3、模擬方案確定本試驗選用混合相似模型的設(shè)計方案是較為理想的。由前述分析可知，結(jié)構(gòu)模型振動臺試驗的相似關(guān)系是根據(jù)運動基本方程建立的，相似關(guān)系應(yīng)滿足質(zhì)點運動平衡方程

6、式相似、邊界條件相似和運動初始條件相似。相似關(guān)系可采用量綱分析法求得。對于結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)問題，可表述為如下函數(shù)關(guān)系：式中：為結(jié)構(gòu)反應(yīng)應(yīng)力，為結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸，為構(gòu)件的彈性模量，為構(gòu)件的質(zhì)量密度，為時間，為結(jié)構(gòu)反應(yīng)變位，為結(jié)構(gòu)反應(yīng)速度，為結(jié)構(gòu)反應(yīng)加速度，為重力加速度，為結(jié)構(gòu)自振圓頻率。取,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,的冪次單項式。定義A在原型結(jié)構(gòu)中的數(shù)值為，在模型中的數(shù)值為，那么在模型設(shè)計中量A的相似比為。若使模型試驗?zāi)苣M原型結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，各量的相似比必須滿足表1-1中的公式條件。一般情況下，振動臺試驗是模型試驗，要做到所有物理量完全相似是十分困難的，甚至是不可

7、能的。因此在實際試驗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格相似。根據(jù)表1-1（模型/原形=1/5.45原型的相似關(guān)系，根據(jù)振動臺的承載能力，同時估算模型重量后，對模型配重進行初步驗算。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=1/5.45）相似系數(shù)符號公式比值（模型/原型）尺寸Sl模型l/原型l1/5.45彈性模量SE模型E/原型E1/1加速度SaSa= SE Sl2/ Sm5.45質(zhì)量Sm模型m/原型m1/161.88時間StSt =1/5.45頻率SfSf=1/ St5.45速度SvSv =1位移S

8、uSu =1/5.45應(yīng)力1應(yīng)變1剛度Sk1阻尼Sc1/5.454.模型尺寸鋼框架模型尺寸為1.1m1.5m0.605m圖2.框架整體圖注：1.柱的位置必須嚴格按照圖尺寸制作，否則固定不上2.柱上有三個螺栓孔，與下圖兩種支座結(jié)合使用，螺栓采用？，螺栓空稍大螺栓。圖3固定端支座示意圖（固定端支座一共4個）注：1.螺栓孔位置必須與柱螺栓孔對應(yīng)，以便固定2.固定端下側(cè)與振動臺鏈接，孔的直徑30mm 圖4滾動隔震支座示意圖（滾動支座一共4個）注：1.螺栓孔位置必須與柱螺栓孔對應(yīng)，以便固定2.下側(cè)與振動臺鏈接，孔的直徑30mmr=20mmR=64mmR1=35mm鋼球上圈梁埋件下圈梁埋件100mm25m

9、m9.610.45 圖5滾動支座尺寸圖5.測點布置測點的布置主要考慮測試模型的動力特性、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，需要在適當部位布設(shè)加速度傳感器、位移傳感器及應(yīng)變片。5.1測點布置原則1）模型動力特性的測試由于在振型分析中只需加速度數(shù)據(jù)，在測點布置上可僅布置加速度傳感器。測點主要分布在結(jié)構(gòu)模型兩個水平主振型方向上，中間點（A點）主要用于單方向主振型的測試，外圍點（F點）主要用于空間扭轉(zhuǎn)振型的測試。2）模型結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的測試為了解結(jié)構(gòu)模型在單個方向上的地震反應(yīng)情況，加速度傳感器和位移傳感器沿結(jié)構(gòu)的三個方向布置。在A點布置加速度傳感器及位移傳感器。同時為了考慮結(jié)構(gòu)

10、的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，在F點布置位移傳感器。加速度傳感器及位移傳感器沿結(jié)構(gòu)高度布置，測點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)變測點的布置應(yīng)變測點布置在重點觀測的柱、梁的桿件上，具體布置根據(jù)計算結(jié)果，并與設(shè)計方商討確定，監(jiān)測重點部位的受力情況和彈塑性變形情況。5.2測點布置方案模型測點布置根據(jù)試驗測試項目來進行，在每根鋼柱的柱頂、柱底以及靠近柱頂柱底各1/4處和梁端布置應(yīng)變片，以測量鋼梁與柱截面的應(yīng)變。結(jié)構(gòu)測點的平面及豎向布置圖見圖。模態(tài)測試及地震反應(yīng)測試用加速度傳感器測點布置方案見，共有個通道。應(yīng)變測點布置在結(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)

11、計算結(jié)果與設(shè)計方商討后確定。四、 試驗內(nèi)容1、鋼框架結(jié)構(gòu)動力特性測定本試驗采用兩種方法測定鋼框架的動力特性。1） 自由振動法：對鋼框架模型施加一個初始位移，突然卸載；或?qū)︿摽蚣苣Ｐ褪┘右粋€沖擊荷載（用榔頭敲擊鋼框架頂層），利用結(jié)構(gòu)的彈性使其自由振動起來。通過采集記錄的自由振動曲線，進行頻譜分析你后，可以求出結(jié)構(gòu)的基本頻率和阻尼比。2） 脈動法：通過采集鋼框架模型由于外界環(huán)境脈動而產(chǎn)生的微幅振動波形，經(jīng)過頻譜分析，可以得出其動力特性。表1結(jié)構(gòu)固有頻率、阻尼系數(shù)方法1階2階3階自由振動法脈動法：2.4.2鋼框架模型結(jié)構(gòu)動力反應(yīng)的測定測定鋼框架結(jié)構(gòu)模式在不同荷載作用下頂層位移、樓面加速度、柱角動應(yīng)變等，并將結(jié)果對比。表不同荷載作用下結(jié)構(gòu)的動力反應(yīng)輸入信號正弦波位移加速度動應(yīng)變W1(mm)W2(mm)A1(m/s2)A2(m/s2)A3(m/s2)A4(m/s2)A5(m/s2)B1(u)B2(u)頻率 hz幅值 mm頻率 hz幅值 m