振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)若干問(wèn)題

振動(dòng)臺(tái)結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)中

的若干問(wèn)題

上海同濟(jì)大學(xué)一、振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)的意義振動(dòng)臺(tái)結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)是地震工程的主要研究手段之一。振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)具有以下的作用：（1）研究結(jié)構(gòu)的地震破壞機(jī)理和破壞模式，評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)的抗震能力；（2）研究結(jié)構(gòu)中地震作用的分布，為檢驗(yàn)結(jié)構(gòu)的抗震分析方法提供依據(jù)；（3）尋找結(jié)構(gòu)中可能存在的薄弱環(huán)節(jié)，為采取有效的抗震措施提供依據(jù)；（4）驗(yàn)證新型結(jié)構(gòu)體系的抗震分析模型，為發(fā)展新的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)理論提供依據(jù)；（5）研究各種介質(zhì)之間的相互作用問(wèn)題，例如結(jié)構(gòu)與地基的相互作用、結(jié)構(gòu)與流體的相互作用、結(jié)構(gòu)與散體的相互作用等等，為認(rèn)識(shí)這類問(wèn)題的破壞機(jī)理、建立分析模型和發(fā)展設(shè)計(jì)方法提供依據(jù)。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和世界各國(guó)對(duì)科技的不斷重視，以及世界上接連發(fā)生的幾次破壞性地震的慘痛教訓(xùn)，世界各國(guó)的地震工程研究人員越來(lái)越認(rèn)識(shí)到振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)的作用。20世紀(jì)90年代以來(lái)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)設(shè)備的建設(shè)和在振動(dòng)臺(tái)上進(jìn)行模型或原型結(jié)構(gòu)或部件試驗(yàn)研究進(jìn)入了一個(gè)新的發(fā)展時(shí)期。二、振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全世界共有模擬地震振動(dòng)臺(tái)系統(tǒng)約近百套。目前世界上最大的振動(dòng)臺(tái)為日本NIED的15m×20m六自由度振動(dòng)臺(tái)，承載能力為1200t，將于2005年建成。我國(guó)建成的模擬地震振動(dòng)臺(tái)約20套。國(guó)內(nèi)在建的最大的振動(dòng)臺(tái)為6m×6m三向六自由度振動(dòng)臺(tái)。全世界大型的模擬地震振動(dòng)臺(tái)統(tǒng)計(jì)

（臺(tái)面負(fù)載>50t）(1)

設(shè)置部門臺(tái)面尺寸(m)最大試件t東大生產(chǎn)技術(shù)所10×2170日本電力研究所6×6.5125日本國(guó)有鐵道研究所12×810012×8400日本土木研究所6×8100意大利ENEA16×16150羅馬尼亞建科院7×780日本科技廳防災(zāi)中心15×15500全世界大型的模擬地震振動(dòng)臺(tái)統(tǒng)計(jì)

（臺(tái)面負(fù)載>50t）(2)三菱重工6×680日本原子能工程試驗(yàn)中心15×151000英國(guó)GEC4.3×4.3100前蘇聯(lián)HRI6×650日本PWRI8×8300日本科技廳防災(zāi)中心6×675中國(guó)模擬地震振動(dòng)臺(tái)統(tǒng)計(jì)(1)

設(shè)置部門臺(tái)面尺寸(m)最大試件(t)同濟(jì)大學(xué)4×425哈爾濱工力所5×520中國(guó)水利科學(xué)研究院5×520廣州大學(xué)3×310河海大學(xué)2×2.86中國(guó)模擬地震振動(dòng)臺(tái)統(tǒng)計(jì)(2)

大連工學(xué)院3×310云南工學(xué)院1.5×22.5香港理工大學(xué)3×310臺(tái)北NCREE5×530北京理工大學(xué)2×2

5中國(guó)核工業(yè)設(shè)計(jì)院6×6

在建中國(guó)建筑科學(xué)研究院6×6

在建

大型6自由度振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)系統(tǒng)水下振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)系統(tǒng)振動(dòng)臺(tái)臺(tái)陣廣州大學(xué)的

振動(dòng)臺(tái)同濟(jì)大學(xué)的

振動(dòng)臺(tái)大連理工大學(xué)的振動(dòng)臺(tái)中國(guó)水科院的振動(dòng)臺(tái)同濟(jì)大學(xué)土木工程防災(zāi)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室1983年從美國(guó)MTS公司引進(jìn)模擬地震振動(dòng)臺(tái)。試驗(yàn)室MTS振動(dòng)臺(tái)基本性能參數(shù)如下：臺(tái)面尺寸 4.0m×4.0m振動(dòng)波形 周期波、隨機(jī)波等最大試件質(zhì)量 25噸頻率范圍 0.1~50Hz控制振動(dòng)方式 三方向六自由度數(shù)據(jù)采通道 96三、同濟(jì)大學(xué)振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)部分振動(dòng)臺(tái)建筑結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)研究項(xiàng)目東方明珠電視塔上海大劇院浦東國(guó)際機(jī)場(chǎng)侯機(jī)樓南方電力調(diào)度中心深圳商隆中心大廈上海九百城市廣場(chǎng)浦東香格里拉擴(kuò)建工程深圳京廣中心上海交銀金融大廈浦東青少年活動(dòng)中心南京多媒體大廈上海仙樂(lè)斯廣場(chǎng)重慶建設(shè)大廈上海凱旋門大廈浦東世茂濱江花園廣州天王中心廣州南航大廈北京LG大廈廣州越秀大廈高橋國(guó)際金融中心上海星海大廈廣州國(guó)際金融大廈上海東方明珠廣播電視塔浦東國(guó)際機(jī)場(chǎng)候機(jī)樓上海大劇院浦東青少年活動(dòng)中心（平面U型，斜柱，雙塔樓）上海長(zhǎng)壽商業(yè)廣場(chǎng)（大底盤雙塔樓，高位轉(zhuǎn)換）凱旋門大廈星海大廈上海交銀金融大廈北京LG大廈上海九百城市廣場(chǎng)浦東世茂濱江花園浦東香格里拉酒店擴(kuò)建工程廣州天王中心廣州南航大廈本項(xiàng)目研究獲得廣東省科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)

廣州越秀大廈深圳商隆中心

南方電力調(diào)度中心樞紐工程（廣州）短肢剪力墻住宅結(jié)構(gòu)廣州國(guó)際金融大廈上海仙樂(lè)斯廣場(chǎng)砌體結(jié)構(gòu)抗震性能研究底部?jī)蓪涌蚣芷鲶w結(jié)構(gòu)抗震試驗(yàn)研究砌體結(jié)構(gòu)地震倒塌試驗(yàn)研究樁土結(jié)構(gòu)相互作用研究國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目——樁土結(jié)構(gòu)相互作用研究核安全殼抗震試驗(yàn)95重點(diǎn)攻關(guān)項(xiàng)目—快堆主鈉池堆芯抗震安全評(píng)價(jià)方法研究（1996—2001）結(jié)構(gòu)控制試驗(yàn)結(jié)構(gòu)隔震技術(shù)研究中日合作項(xiàng)目——25噸鋼結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)組合隔震性能研究基礎(chǔ)研究項(xiàng)目——鋼筋混凝土框架減隔震性能研究鋼管拱橋結(jié)構(gòu)抗震試驗(yàn)研究非結(jié)構(gòu)構(gòu)件試驗(yàn)玻化石幕墻抗震試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛣?dòng)力相似理論模型材料研究模型制作技術(shù)試驗(yàn)測(cè)試技術(shù)數(shù)據(jù)分析與整理模型試驗(yàn)結(jié)果在原型結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用四、振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)關(guān)鍵技術(shù)研究模型動(dòng)力相似理論動(dòng)力相似理論包括動(dòng)力模型設(shè)計(jì)理論、動(dòng)力模型試驗(yàn)技術(shù)，以及用模型推算原型結(jié)構(gòu)性能等一系列理論與實(shí)踐問(wèn)題。研究表明，對(duì)于彈塑性和極限強(qiáng)度模型試驗(yàn)，若滿足所有相似條件，則結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的動(dòng)力反應(yīng)，可以相當(dāng)精確地用縮尺模型來(lái)模擬。理論上完全相似的模型是難以實(shí)現(xiàn)的：

（1）受振動(dòng)臺(tái)性能的限制（2）受材料性能的限制（3）不能實(shí)現(xiàn)對(duì)重力加速度的相似變換考慮主要的參數(shù)的相似要求，而對(duì)另一些次要條件適當(dāng)放松要求，以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有試驗(yàn)條件下對(duì)原型結(jié)構(gòu)較好的模擬。模型的相似關(guān)系模型動(dòng)力相似關(guān)系應(yīng)滿足模型和原型幾何尺寸相似、材料性能相似、荷載相似、模型動(dòng)力反應(yīng)相似以及邊界條件的相似條件。相似關(guān)系見(jiàn)表。難點(diǎn)在于不同材料的相似匹配。同一模型中的不同材料應(yīng)滿足相同的相似關(guān)系，它們的相似常數(shù)應(yīng)相同。模型材料研究對(duì)于高層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，動(dòng)力模型材料一般可由微?；炷?、鍍鋅鐵絲和鐵絲網(wǎng)制作而成，模型的物理特性主要由微粒混凝土來(lái)決定。經(jīng)常采用銅、鋁合金以及鋼材來(lái)模擬鋼結(jié)構(gòu)。有時(shí)也采用有機(jī)玻璃制作整體結(jié)構(gòu)模型。樁土結(jié)構(gòu)作用時(shí)，可采用砂、黏土甚至人造復(fù)合土（或重塑土）模擬土體結(jié)構(gòu)。微?；炷敛牧蠈?duì)微?；炷吝M(jìn)行了充分深入的研究，在模型施工前，需要做微?；炷良?jí)配試驗(yàn)，以確定具體的級(jí)配關(guān)系。模型縮比較大時(shí)，構(gòu)件尺寸較小，精度要求較高，對(duì)施工有特殊要求。微粒混凝土用較大的砂礫作為粗骨料代替普通混凝土中的碎石，以較小粒徑的砂礫作為細(xì)骨料代替普通混凝土中的砂礫，具有數(shù)級(jí)連續(xù)級(jí)配。施工方法、振搗方式和養(yǎng)護(hù)條件都與普通混凝土相同。微?；炷亮W(xué)性能與原型混凝土應(yīng)具有較好的相似性。微?；炷聊Ｐ驮囼?yàn)時(shí)可以做到模型開(kāi)裂甚至破壞，具有試驗(yàn)現(xiàn)象比較直觀的優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)多年模型制作經(jīng)驗(yàn)，采用有機(jī)玻璃板作為外模，這樣既可以使?jié)仓砻嫫秸饣?，又可在澆筑過(guò)程中及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，保證澆筑密實(shí)。微?；炷恋牟牧咸匦砸?jiàn)下頁(yè)。微粒混凝土強(qiáng)度與彈性模量關(guān)系微?；炷翉?qiáng)度與彈性模量關(guān)系應(yīng)力應(yīng)變曲線曲線分為上升段和下降段上升段

y=x*(2-x)下降段

y=x/(x+a(x-1))曲線與普通混凝土具有較好的相似性初始彈性模量與強(qiáng)度保持一致的相似關(guān)系有機(jī)玻璃有機(jī)玻璃適于彈性模型的制作?？捎糜谘芯繌?fù)雜體形結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性和多遇烈度地震下的反應(yīng)；有機(jī)玻璃的特點(diǎn)是彈性模量低其泊桑比（0.35-0.38）也較接近混凝土的泊桑比（0.25-0.27）有機(jī)玻璃是透明的，在模型制作及加工過(guò)程中的任何缺陷都可以立即查出來(lái)，從而可及時(shí)改正。

有機(jī)玻璃的材料特性為1、彈性模量E=2600MPa2、泊桑比μ=0.35-0.383、容重g=1200kg/m34、極限強(qiáng)度為25.6MPa材料屈服強(qiáng)度(MPa)極限強(qiáng)度(MPa)彈性模量(MPa)伸長(zhǎng)率(%)鍍鋅鐵絲286~330375~4602×105~26白鐵皮275~305350~4002×105~20紫銅1951.1×105~30鋁合金1703.3×104紫銅、鋁合金、白鐵皮紫銅、鋁合金、白鐵皮用于模擬型鋼；型鋼截面采用彎制或焊制；利用錫焊和螺絲將構(gòu)件連接在一起；紫銅、鋁合金、白鐵皮的材料特性變化較大，可以根據(jù)模型設(shè)計(jì)時(shí)的不同要求來(lái)選擇，一般選彈性模量較低的材料。砌體對(duì)于砌體結(jié)構(gòu)模型，則可采用專門制作的小砌塊來(lái)砌筑，模型材料的彈性模量、強(qiáng)度等應(yīng)按相似系數(shù)確定。砂漿按相似關(guān)系調(diào)整，但其灰縫厚度不能太??；設(shè)計(jì)模型時(shí)應(yīng)按砌體結(jié)構(gòu)抗側(cè)承載力建立相似關(guān)系。土通常采用級(jí)配細(xì)砂、篩分的粘土以及其他散粒材料拌合的混合物模擬土體；在彈塑性地震反應(yīng)時(shí)，土體與上部結(jié)構(gòu)的非線性程度發(fā)展很難保持一致，在模型設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮相似關(guān)系的變化；具體處理時(shí)應(yīng)根據(jù)研究目的有所側(cè)重；地震反應(yīng)前后均應(yīng)取模型土樣進(jìn)行檢驗(yàn)；模型制作技術(shù)鋼筋的綁扎型鋼的制作模板的使用內(nèi)模采用泡沫塑料，這種材料易成型、易拆模，即使局部不能拆除，對(duì)模型剛度的影響也很?。粚?nèi)模切割成一定形狀，形成構(gòu)件所需的空間布置，綁扎好鋼筋后進(jìn)行澆筑，邊澆邊振搗密實(shí)，每一次澆筑一層，次日安置上面一層的模板及配筋，重復(fù)以上步驟，直到模型全部澆筑完成。樁-土-結(jié)構(gòu)相互作用模型箱的制備剛性箱體剪切型箱體柔性箱體試驗(yàn)對(duì)模型箱的基本要求（1）能像土體那樣發(fā)生剪切變形；（2）尺寸要足夠大，能消除模型箱邊界效應(yīng)的影響。1.1SPSITestsinUniversityofCalifornia,Berkeley,USA1.2SSITestsinJapan1.3SSITestsinajointresearchbetweenWasedaUniv.andUCSD1.4SSITestsinthisProject（TongjiUniv.)國(guó)內(nèi)外樁-土-結(jié)構(gòu)相互作用模型試驗(yàn)概況1.1

SPSITestsinUniversityofCalifornia,

Berkeley,USA(1998)FlexibleWallBoxShakingTableModelTestsofSoil-Pile-SuperstructureInteractioninSoftClay1.2SSITestsinJapan(1995-2000)Large-scaleShearBoxoftheSimpleShearTypeShakingTableTestofReinforcedEarthRetainingWallwithShearBoxShakingTableTestofSoil-PileInteractionwithShearBoxTheexperimentsareconductedusinga5meterlongby1.2meterwidesoil-boxthatis2meterstall.Itisconstructedofsteelwithacrylicwindowpanelsinonesideforviewingthesoilmovement.(2000-2001)1.3jointtestbetween&1.4layeredsoil-structuretestinTongji(1999-2001)Scalefactor

1/20,1/10Layeredsoil

siltyclay,

sandysilt,mediumsandUnidirectionalandbi-directionalexcitation試驗(yàn)測(cè)試技術(shù)研究加速度傳感器位移傳感器（接觸式、非接觸式（激光））應(yīng)變傳感器壓力傳感器（動(dòng)液壓力、動(dòng)土壓力、孔隙水壓力等等）數(shù)據(jù)采集與分析整理STEX3系統(tǒng)（MTS試驗(yàn)機(jī)）傳感器標(biāo)定白噪聲各類地震波的生成試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析整理頻譜分析模型結(jié)構(gòu)參數(shù)識(shí)別系統(tǒng)標(biāo)定與控制定期對(duì)標(biāo)準(zhǔn)傳感器進(jìn)行計(jì)量標(biāo)定對(duì)振動(dòng)臺(tái)的動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行標(biāo)定試驗(yàn)時(shí)先用低幅值白噪聲激勵(lì)確定振動(dòng)臺(tái)與試件一體的傳遞函數(shù)矩陣；然后用期望地震波時(shí)程與傳遞函數(shù)矩陣之逆的卷積來(lái)控制系統(tǒng)。模擬地震振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)的激勵(lì)波形必須考慮場(chǎng)地類別和地震危險(xiǎn)性分析、建筑結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性等因素。試驗(yàn)時(shí)分別根據(jù)模型所要求的動(dòng)力相似關(guān)系對(duì)原型地震波作修正后，作為模擬地震振動(dòng)臺(tái)的輸入波。輸入波形的加速度幅值根據(jù)設(shè)防要求從常遇烈度到罕遇烈度，從小到大依次改變以模擬不同烈度地震對(duì)結(jié)構(gòu)的作用。試驗(yàn)步驟模型結(jié)構(gòu)特性發(fā)生變化時(shí)，結(jié)構(gòu)的頻率和阻尼比都將發(fā)生變化。在模型承受不同的地震烈度作用前后，均用白噪聲對(duì)其進(jìn)行掃頻，得到模型自振頻率和結(jié)構(gòu)阻尼比的變化可以反映出結(jié)構(gòu)剛度下降的幅度。