現(xiàn)代結(jié)構(gòu)實驗建筑振動臺試驗方案設(shè)計

1、現(xiàn)代結(jié)構(gòu)實驗作業(yè)三某建筑振動臺試驗方案設(shè)計 學(xué) 校： 廣州大學(xué) 學(xué) 院： 土木工程學(xué)院 專 業(yè) 班 級： 結(jié)構(gòu)工程專業(yè)13級 學(xué) 生 姓 名： 蔡江紅 學(xué) 號： 2111316009 指 導(dǎo) 教 師： 徐 麗 冼巧玲二一四年六月一、振動臺試驗方案1試驗方案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個核心筒、鋼骨混凝土（src）外框架、3個避難層聯(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)計指標(biāo)為小震不屈服，大震

2、屈服耗能。具體位置示意見圖1-4。本工程的自振周期約為6.44秒，超過了建筑抗震設(shè)計規(guī)范(gb-50011-2001)設(shè)計反應(yīng)譜長為6秒的規(guī)定。本工程存在5個一般不規(guī)則和2個特別不規(guī)則類型，5個一般不規(guī)則類型分別是扭轉(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、模擬方案選擇動力試驗用的結(jié)構(gòu)模型必須根據(jù)相似律進(jìn)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：（

3、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(yán)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。

4、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

5、這一要求。因而在模型設(shè)計中常加以改進(jìn)。（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(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 使用微粒混凝土材料，采

6、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

7、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(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)振動臺的承載能力，同時估算模型重量后，對模型配重進(jìn)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

8、/35）相似系數(shù)符號公式比值（模型/原型）尺寸sl模型l/原型l1/35彈性模量se模型e/原型e1/4.0加速度sasa= se sl2/ sm2.245質(zhì)量sm模型m/原型m1/11000時間stst =0.1128頻率sfsf=1/ st8.8641速度svsv =0.2533位移susu =1/35應(yīng)力1/4.0應(yīng)變1剛度sk0.0071阻尼sc0.000811.3模型設(shè)計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。在模型設(shè)計、制作過程中與甲方和設(shè)計單位進(jìn)行34次討論和確認(rèn)。1）模型混凝土模型用微?；炷林谱?，材料為水泥沙漿。水泥為425r號硅酸鹽水泥，骨料為粗砂和細(xì)砂。

9、選用不同配合比使微粒混凝土達(dá)到不同的強度等級和彈性模量，以模擬原型c30c60混凝土。在模型制作過程中同時澆注規(guī)定數(shù)量的砂漿立方體試塊和棱柱體試塊以測定微粒混凝土材料的強度和彈性模量。試塊和模型同時養(yǎng)護(hù)。材料性能試驗在廣州大學(xué)廣東省重點實驗室（教育部、科技部共建重點實驗室）進(jìn)行。彈性模量的測定是將棱柱體試塊（尺寸70.7mm70.7mm240mm）置于10t標(biāo)準(zhǔn)壓力試驗機上進(jìn)行重復(fù)加載。使用荷載傳感器、千分表測荷載和變形，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為止，加載和量測按照混凝土結(jié)構(gòu)試驗方法標(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

10、鋅鐵絲。根據(jù)剛度條件選用直徑為228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，并滿足構(gòu)造要求。3）模型型鋼對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，模擬實際工程中不同截面的型鋼。4）模型鋼結(jié)構(gòu)對模型內(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，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?；炷羴碇谱?。鋼管（或紫銅管）內(nèi)灌注微?；炷粒⒘；炷林屑尤肱蛎泟┮苑乐逛摴埽ɑ蜃香~管）與混凝土之間離析。根據(jù)鋼管（或紫銅管）混凝

11、土構(gòu)件整體剛度相似原則，盡量兼顧模型的強度相似，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痢Ｔ谀Ｐ椭谱髑?，先進(jìn)行小比例的構(gòu)件試驗，確定材料的剛度和強度。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模擬，大震時考慮換一批ubb，按阻尼相似模擬。具體模擬方案還要與設(shè)計方及制作方溝通協(xié)商確認(rèn)。1.4 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(dāng)部位布設(shè)加速度傳感器、位移傳感器及應(yīng)變片。1.4.1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

12、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x、y、z三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)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。1.4.2測點布置方案結(jié)

13、構(gòu)測點的平面及豎向布置圖見圖1-6、1-7。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表1-2，共有74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)計算結(jié)果與設(shè)計方商討后確定。1.5 試驗工況及順序在進(jìn)行結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)試驗之前，先進(jìn)行結(jié)構(gòu)的模態(tài)測試，分別在x、y、z三個方向輸入白噪聲，測定結(jié)構(gòu)震前的動力特性，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)測試工況見表1-3。表1-3 模態(tài)測定試驗工況試驗序號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）y

14、0.053白噪聲（0.140hz）z0.05在每個地震水準(zhǔn)試驗前后，各輸入一次白噪聲用以測定結(jié)構(gòu)動力特性的變化情況。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2三個地震波進(jìn)行x向、y向和z向的單向輸入，以便用來與按建筑抗震設(shè)計規(guī)范彈性計算的結(jié)果進(jìn)行比較和驗證。然后再進(jìn)行最危險方向74度方向輸入和x+y+z三向輸入。模型試驗工況及順序見表1-4。在設(shè)防烈度地震作用下，分別進(jìn)行x向和y向單向輸入，以便與結(jié)構(gòu)動力彈塑性時程分析結(jié)果進(jìn)行比較。然后進(jìn)行x+y+z三向輸入。模型試驗工況及順序見表1-5。在罕遇地震作用下，根據(jù)前面的實驗選用最不利地震波，分別進(jìn)行x向和y向單向輸入和x+y+z三向輸入，以便與結(jié)構(gòu)動力彈塑性時程分析結(jié)果進(jìn)行比較。模型試驗工況及順序見表。表1-2 多遇地震試驗工況及順序試驗序號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（0.14