結(jié)構(gòu)檢驗(yàn) 結(jié)構(gòu)抗震實(shí)驗(yàn)方法 第三章

1、第三章第三章 地震模擬振動(dòng)臺(tái)實(shí)驗(yàn)方法地震模擬振動(dòng)臺(tái)實(shí)驗(yàn)方法 趙均海趙均海 教授教授3.1 3.1 引引 言言地震模擬振動(dòng)臺(tái)可以很好的再現(xiàn)地震過程和進(jìn)行人工地震的實(shí)驗(yàn)，它是實(shí)驗(yàn)室中研究結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)和破壞機(jī)理的最直接方法 (視頻)這種設(shè)備還可以用于研究結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性、設(shè)備抗震性能以及檢驗(yàn)結(jié)構(gòu)措施等內(nèi)容，是目前抗震研究中的重要手段之一。振動(dòng)臺(tái)有一維 、 二 維 和 三 維 的 ， 臺(tái) 面 尺 寸 從0.8m0.5m16m16m不等，頻率范圍根據(jù)用途不同可以從01000Hz不等。3.2 3.2 地震模擬振動(dòng)臺(tái)的發(fā)展?fàn)顩r地震模擬振動(dòng)臺(tái)的發(fā)展?fàn)顩r地震模擬振動(dòng)臺(tái)始建于20世紀(jì)60年代末的美國Berkley加州

2、大學(xué)，它6.1m6.1m的水平、垂直兩向振動(dòng)臺(tái)。隨后日本國立防災(zāi)科學(xué)技術(shù)中心建成了當(dāng)時(shí)世界上最大的15m15m水平或垂直單獨(dú)工作的地震模擬振動(dòng)臺(tái)。到目前為止，根據(jù)文獻(xiàn)1，2和最近有關(guān)資料的不完全統(tǒng)計(jì)，國際上已經(jīng)建成了近百座地震模擬振動(dòng)臺(tái)(見表3-13-4)，主要分布在日本、中國和美國三個(gè)國家，其中日本擁有的振動(dòng)臺(tái)規(guī)模最大、數(shù)量最多。中國的地震模擬振動(dòng)臺(tái)規(guī)模和數(shù)量也相當(dāng)可觀。其余的一部分地震模擬振動(dòng)臺(tái)分布在其它有地震的國家，如墨西哥、加拿大、法國、英國、葡萄牙、伊朗、前南斯拉夫、前蘇聯(lián)、意大利、羅馬尼亞、希臘和德國等。根據(jù)地震模擬振動(dòng)臺(tái)的承載能力和臺(tái)面尺寸，振動(dòng)臺(tái)基本可以分成三種規(guī)模，既小型的承

3、載能力為10t以下，臺(tái)面尺寸在2m2m之內(nèi)；中型的一般承載力在20t左右，臺(tái)面尺寸在6m6m之內(nèi)；而大型地震模擬振動(dòng)臺(tái)的承載力可達(dá)數(shù)百噸以上。目前國際上正在建造的最大振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面尺寸為15m25m，我國正在建造的最大振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面為6m6m或者更大。從表3-13-4可以看到，多數(shù)地震模擬振動(dòng)臺(tái)的規(guī)模是屬于中型的，既臺(tái)面尺寸在2m2m6m6m之間，建造這樣規(guī)模的地震模擬振動(dòng)臺(tái)從投資、日常維護(hù)和能源消耗三方面考慮都是比較合理的。從驅(qū)動(dòng)方式來看，大部分模擬振動(dòng)臺(tái)都采用電液伺服方式，即采用高壓液壓油作為驅(qū)動(dòng)源，這種方式具有出力大、位移行程大、設(shè)備重量輕等特點(diǎn)。一部分小型振動(dòng)臺(tái)采用電動(dòng)式的。從激振方向來看單項(xiàng)

4、和雙向的較多，但是隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和抗震研究水平的提高，三向模擬振動(dòng)臺(tái)不斷增多。其中一部分是將原有的單向或雙向振動(dòng)臺(tái)改造成三向振動(dòng)臺(tái)。關(guān)于地震模擬振動(dòng)臺(tái)的使用頻率一般是050Hz，個(gè)別有特殊要求的震動(dòng)臺(tái)可達(dá)100Hz以上。振動(dòng)臺(tái)的位移幅值一般在100mm以內(nèi)，速度在80cm/s之內(nèi)，加速度可達(dá)2g。從模擬控制方式分主要有兩種，一種是以位移控制為基礎(chǔ)的PID控制方式，另一種是以位移、速度和加速度組成的三參量反饋控制方式。地震模擬振動(dòng)臺(tái)的數(shù)控方式主要還是采用開環(huán)迭代進(jìn)行臺(tái)面的地震波再現(xiàn)。目前新的自適應(yīng)控制方式已經(jīng)在電液伺服控制中有所應(yīng)用，對(duì)于地震模擬振動(dòng)臺(tái)主要有三種方式：一種是在PID控制基礎(chǔ)上

5、進(jìn)行的連續(xù)矯正PID5,6；另外兩種是在三參量反饋控制的基礎(chǔ)上建立的自適應(yīng)逆控制方法和聯(lián)機(jī)迭代法7。模擬地震振動(dòng)臺(tái)作為抗震研究的重要實(shí)驗(yàn)設(shè)備已經(jīng)經(jīng)歷了四、五十年的發(fā)展，在承載能力、運(yùn)動(dòng)參數(shù)、控制自由度、控制技術(shù)、實(shí)時(shí)波形再現(xiàn)以及數(shù)據(jù)的采集及數(shù)據(jù)處理方面都得到了長足的進(jìn)步。目前我們應(yīng)用的地震模擬振動(dòng)臺(tái)主要有以下特點(diǎn)：(1)載重和臺(tái)面尺寸越來越大，一般都具有三向振動(dòng)、六個(gè)自由度控制。為了能應(yīng)用于原子能設(shè)施的抗震試驗(yàn)，其運(yùn)動(dòng)參數(shù)，如加速度、速度、行程位移都有所增大，為此泵源動(dòng)力大大提高。(2)控制方式以散參量閉環(huán)多自由度控制為基本控制方式，但在控制中增加了自適應(yīng)去諧波控制(ACH)自適應(yīng)反函數(shù)控制(

6、AIC)和實(shí)時(shí)迭代控制(OLI)，使控制的波形更好，波形迭代更快，效率更高。(3)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)CPU采用大量生產(chǎn)的Intel-Pentium處理器，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)由原來的小型機(jī)種改為商用的PC機(jī)，其他外部設(shè)備也采用通用配置?？偟膩碚f，硬件成本大幅度下降。(4)以窗口操作系統(tǒng)支持的地震試驗(yàn)和數(shù)據(jù)采集，分析軟件包是試驗(yàn)數(shù)據(jù)能夠容易、快捷輸?shù)狡渌鎯?chǔ)媒體上，以便在廣泛使用的PC機(jī)上進(jìn)行各種分析操作。地震波的波形和諧的再現(xiàn)由采用迭代修正輸入波形的離線迭代方式，發(fā)展為實(shí)時(shí)修正控制回路的一個(gè)補(bǔ)償濾波器硬件，使得期望的地震波形和反應(yīng)譜能夠在線的得以實(shí)現(xiàn)。3.3 地震模擬振動(dòng)臺(tái)的設(shè)計(jì)和建造地震模擬振動(dòng)臺(tái)的設(shè)計(jì)和建造

7、地震模擬振動(dòng)臺(tái)是一項(xiàng)復(fù)雜的高技術(shù)產(chǎn)品，它的設(shè)計(jì)和建造涉及到土建、機(jī)械、液壓傳動(dòng)、電子技術(shù)、自動(dòng)控制和計(jì)算機(jī)技術(shù)等。地震模擬振動(dòng)臺(tái)作為一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)主要由如下幾個(gè)部分組成：臺(tái)面和基礎(chǔ)，高壓油源和管路系統(tǒng)，電液伺服作動(dòng)器，模擬控制系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)和相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)。圖3-1為地震模擬振動(dòng)臺(tái)系統(tǒng)的示意圖，圖3-2為地震模擬振動(dòng)臺(tái)各組成部分。圖圖 3-1 地震模擬振動(dòng)臺(tái)系統(tǒng)示意圖地震模擬振動(dòng)臺(tái)系統(tǒng)示意圖 (a)臺(tái)面和基礎(chǔ)(b)高壓油源和管路系統(tǒng) (c)電液伺服作動(dòng)器(d)控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù) 采集處理系統(tǒng)圖圖3-2 地震模擬振動(dòng)臺(tái)各組成部分地震模擬振動(dòng)臺(tái)各組成部分3.3.1 振動(dòng)臺(tái)的主要技術(shù)參數(shù)振

8、動(dòng)臺(tái)的主要技術(shù)參數(shù)振動(dòng)臺(tái)最主要的技術(shù)參數(shù)是激振力和使用頻率范圍，這些參數(shù)在很大程度上取決于作動(dòng)器的工作性能。合理地選擇這兩個(gè)參數(shù)使地震模擬振動(dòng)臺(tái)既滿足實(shí)驗(yàn)要求，又能節(jié)省投資是十分重要的。建筑結(jié)構(gòu)的原材料特性和構(gòu)造要求決定了其模型實(shí)驗(yàn)時(shí)的幾何相似比Se不宜過小，一般不小于l/10，當(dāng)實(shí)驗(yàn)研究內(nèi)容進(jìn)入到彈塑性范圍時(shí)，這個(gè)相似比還應(yīng)大一些(否則尺寸效應(yīng)的影響可能非常嚴(yán)重)。根據(jù)結(jié)構(gòu)模型的相似要求，振動(dòng)臺(tái)的再現(xiàn)加速度和實(shí)際加速度之比為Sa=1。按照目前國家抗震設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定；度地震區(qū)的最大加速度為0.4g，因此振動(dòng)臺(tái)能在最大荷載下達(dá)到3倍最大加速度(1.2g)就具有較大的加速度裕量了，據(jù)此可以算出作動(dòng)器

9、的最大激振力(等于加速度與整個(gè)運(yùn)動(dòng)質(zhì)量的乘積)。而振動(dòng)臺(tái)的頻率上限是由伺服閥特性和系統(tǒng)流量控制的，從模型方面考慮，多數(shù)情況下模型的頻率相似比 ，可見如果模型的幾何相似比為l/10，那么振動(dòng)臺(tái)在滿載時(shí)上限頻率不應(yīng)低于33Hz。所以使用頻率的選擇必須適當(dāng)，過高地要求上限頻率就必須加大伺服閥和油泵的流量，從而導(dǎo)致投資增加；目前多數(shù)振動(dòng)臺(tái)的使用頻率范圍是050Hz。能夠綜合反映地震模擬振動(dòng)臺(tái)激振力和頻率特征的是最大功能曲線，如圖3-3所示。圖圖3-3 作動(dòng)器最大功能曲線（作動(dòng)器最大功能曲線（A表示空載、表示空載、 B表示半載、表示半載、C表示滿載表示滿載）(該曲線為哈爾濱建筑大學(xué)3m4m地震模擬振動(dòng)臺(tái)

10、作動(dòng)器的最大能曲線)。最大功能曲線全面反映了位移、速度、加速度、頻率和荷載之間的關(guān)系。當(dāng)臺(tái)面負(fù)荷減小時(shí)（C-A），則可以提高輸入加速度；當(dāng)要提高振動(dòng)臺(tái)的頻率時(shí)，則臺(tái)面的位移幅值就要減??；同樣在低頻情況下要想獲得較大的加速度也不現(xiàn)實(shí)，除非增加投資采用能力更大的作動(dòng)器。3.3.2 臺(tái)面與基礎(chǔ)臺(tái)面與基礎(chǔ)振動(dòng)臺(tái)的臺(tái)面需要有足夠的剛度和承載力，以便臺(tái)面的自振頻率能夠避開振動(dòng)臺(tái)的使用頻率范圍，不至于造成系統(tǒng)的共振。一般要求臺(tái)面的一階彎曲頻率高于 倍的使用頻率上限，這樣基本可以保證臺(tái)面自身的動(dòng)力特性不影響振動(dòng)臺(tái)的波形再現(xiàn)精度。振動(dòng)臺(tái)的臺(tái)面應(yīng)當(dāng)盡可能地輕，這樣可以獲得更大的臺(tái)面承載力或者說獲得更大的激振加速度

11、。當(dāng)然臺(tái)面的自重減小會(huì)造成試件動(dòng)力特性對(duì)振動(dòng)臺(tái)系統(tǒng)特性影響更加敏感，這個(gè)問題目前可以通過模控和數(shù)控技術(shù)進(jìn)行補(bǔ)償來解決。另外，從理論上講，當(dāng)臺(tái)面滿載時(shí)，臺(tái)面的自振頻率會(huì)降低，但根據(jù)使用經(jīng)驗(yàn)證實(shí)，由于臺(tái)面和模型之間幾乎是剛性聯(lián)接，試件和臺(tái)面組成了一個(gè)整體，所以此時(shí)臺(tái)面的頻率不僅不降低，反而有所提高。 圖3-4 振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面從材料方面來考慮，振動(dòng)臺(tái)的臺(tái)面應(yīng)當(dāng)重量輕、剛度大，鋁材料可能是最適合的材料，因?yàn)殇X材密度小，局部剛度也很高。但是從經(jīng)濟(jì)性來考慮鋼結(jié)構(gòu)的臺(tái)面是最廣泛應(yīng)用的。大多數(shù)的振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面是采用鋼板焊接而成的格柵結(jié)構(gòu)，如圖3-4所示地震模擬振動(dòng)臺(tái)的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)處理是十分重要的，如果設(shè)置不合理會(huì)對(duì)人身和

12、建筑物造成嚴(yán)重影響，這方面的例子是有的。目前基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的主要依據(jù)是根據(jù)基礎(chǔ)振動(dòng)對(duì)人、建筑物影響的定量分區(qū)曲線進(jìn)行的。研究結(jié)果表明，振動(dòng)臺(tái)低頻段的激振力主要由土壤抵抗，而20Hz以上的較高頻率激振力主要由基礎(chǔ)的質(zhì)量作用抵消，基礎(chǔ)與臺(tái)面的加速度比值恰好等于臺(tái)面(包括試件在內(nèi))質(zhì)量與基礎(chǔ)質(zhì)量的比值。如果基礎(chǔ)的最大加速度為0.005g，則基礎(chǔ)的最小重量應(yīng)等于20倍的最大激振力。通常是選擇最大臺(tái)面重量(包括試件)的2050倍作為基礎(chǔ)的重量?；A(chǔ)越大則振動(dòng)臺(tái)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)越小，振動(dòng)臺(tái)的性能就越好。在共振區(qū)基礎(chǔ)的振幅較大，為了減小振幅，只有提高基礎(chǔ)的阻尼比，然而土壤能夠提供給基礎(chǔ)的阻尼是非常有限的，所以合理地選擇

13、基礎(chǔ)的幾何形狀，增大基礎(chǔ)的幾何阻尼是一條有效的途徑。采用淺而大的基礎(chǔ)將可以有效地增大幾何阻尼。另一個(gè)問題是地震模擬振動(dòng)臺(tái)的工作頻率范圍比較寬，基礎(chǔ)的自振頻率一般都處于振動(dòng)臺(tái)的工作頻率范圍內(nèi)，這是基礎(chǔ)設(shè)計(jì)無法避免的。當(dāng)振動(dòng)臺(tái)輸入隨機(jī)波時(shí)問題不大，當(dāng)進(jìn)行周期振動(dòng)或掃頻實(shí)驗(yàn)時(shí)，可能產(chǎn)生較嚴(yán)重的共振問題。3.3.3 液壓源及管路液壓源及管路如果按照地震波的最大速度值來設(shè)計(jì)液壓泵站的流量，那么需要采用較大流量的液壓泵站。地震過程是一個(gè)短時(shí)間的脈沖過程，而較大流量的液壓泵站將會(huì)造成很大的能源浪費(fèi)，這樣作既不經(jīng)濟(jì)也不合理。目前的做法是采用較小的液壓泵站(見圖3-2(b)，利用大型蓄能器來提供給作動(dòng)器瞬時(shí)所需

14、的巨大能量10。一般的地震波持時(shí)是在lmin之內(nèi)，這樣就為采用大型蓄能器進(jìn)行壓力補(bǔ)償提供了可能，在容許的壓力下降范圍內(nèi)，蓄能器提供大的流量，而液壓泵站可以是小流量的，這種供油方法是地震模擬振動(dòng)臺(tái)比較經(jīng)濟(jì)的供油方式。液壓管路主要用于將油泵與作動(dòng)器聯(lián)系起來,為作動(dòng)器提供高壓油，一般是用鋼管(見圖3-2(b)將高壓油引到作動(dòng)器附近，再用軟管與作動(dòng)器聯(lián)接起來；需要注意的是軟管不宜太長，否則在實(shí)驗(yàn)過程中軟管可能產(chǎn)生振動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)將造成管路損壞。3.3.4 振動(dòng)臺(tái)的技術(shù)指標(biāo)振動(dòng)臺(tái)的技術(shù)指標(biāo)評(píng)價(jià)振動(dòng)臺(tái)的性能有許多技術(shù)指標(biāo)11，對(duì)于單水平向的地震模擬振動(dòng)臺(tái)應(yīng)著重考慮的是如下幾項(xiàng)：加速度波形失真度，加速度豎向分量

15、，臺(tái)面主震方向的加速度不均勻度，橫向加速度分量，背景噪聲和地震波再現(xiàn)能力。表3-5為一單水平向3m4m地震模擬振動(dòng)臺(tái)的實(shí)測結(jié)果12。表表3-5 振動(dòng)臺(tái)技術(shù)指標(biāo)測試結(jié)果振動(dòng)臺(tái)技術(shù)指標(biāo)測試結(jié)果關(guān)于主震方向的加速度不均勻度國內(nèi)一般規(guī)定在20%以內(nèi)，美國要求小于10%，而日本則要求小于5%(避開局部共振)。對(duì)于橫向加速度分量國內(nèi)規(guī)定是小于20%，一些振動(dòng)臺(tái)的實(shí)測結(jié)果也是在15%左右。美國MTS公司、日本三維振動(dòng)設(shè)施委員會(huì)和德國SCHENCK公司均要求橫向加速度分量小于5%，但是實(shí)現(xiàn)這個(gè)數(shù)值還是有一定困難的。背景噪聲定義為振動(dòng)臺(tái)輸入信號(hào)為零時(shí)，由于油源振動(dòng)以及電路噪聲等造成的臺(tái)面加速度反應(yīng)，一般是用信噪

16、比來表示。國內(nèi)一般要求信噪比大于50dB，而美國MTS公司和日本規(guī)定背景噪聲指標(biāo)應(yīng)小于最大功能的l%，德國SCHENCK公司提出小于0.015g。但是這些規(guī)定均存在一些問題，一般抗震實(shí)驗(yàn)中使用的地震波最大加速度在0.3g左右，如果按這個(gè)數(shù)值考慮則信噪比的數(shù)值就較小，噪聲對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響增大了。 地震波的再現(xiàn)能力是振動(dòng)臺(tái)的一項(xiàng)重要技術(shù)指標(biāo)，但它在概念上比較籠統(tǒng)，沒有具體的標(biāo)準(zhǔn)，一般是通過臺(tái)面再現(xiàn)的波形和期望的波形進(jìn)行比較來判斷。3. 4 控制系統(tǒng)與控制方法控制系統(tǒng)與控制方法3.4.1 模擬控制模擬控制地震模擬振動(dòng)臺(tái)的控制系統(tǒng)主要由兩部分組成，一部分是模擬控制部分，另一部分是數(shù)控部分。也有設(shè)備公司新開

17、發(fā)了一種控制軟件，即在期望信號(hào)的基礎(chǔ)上生成一個(gè)具有給定誤差的上下波形包絡(luò)，當(dāng)再現(xiàn)信號(hào)位于包絡(luò)之中時(shí)即認(rèn)為波形再現(xiàn)滿足要求；這種方法對(duì)于小型振動(dòng)臺(tái)可以使包絡(luò)與期望加速度波形的誤差小于3%。模擬控制的方法目前主要有兩種：一種是采用位移反饋控制的PID控制方法，同時(shí)利用壓差反饋?zhàn)鳛樘岣呦到y(tǒng)穩(wěn)定的補(bǔ)償，德國SCHENCK公司就是采用這種方法；另一種方法是將位移、速度和加速度共同進(jìn)行反饋的三參量反饋控制方法，美國MTS公司就是采用這種控制方法。圖3-5是采用PID控制方式的單作動(dòng)器驅(qū)動(dòng)的振動(dòng)臺(tái)系統(tǒng)框圖，文獻(xiàn)13對(duì)這種控制方式下的單向地震模擬振動(dòng)臺(tái)進(jìn)行過較詳細(xì)的分析討論。圖3-6是采用三參量反饋控制的單作

18、動(dòng)器振動(dòng)臺(tái)系統(tǒng)。圖3-5和圖3-6只是用于單向振動(dòng)臺(tái)的單作動(dòng)器控制回路，對(duì)于一般的三向地震模擬振動(dòng)臺(tái)，其模擬控制系統(tǒng)是相當(dāng)復(fù)雜的，既要考慮到兩個(gè)水平方向X和Y的獨(dú)立控制，又要能夠解決交叉耦合的影響，對(duì)于垂直方向z也存在相同的問題。圖圖3-5 PID控制方式的振動(dòng)臺(tái)系統(tǒng)控制方式的振動(dòng)臺(tái)系統(tǒng)圖圖3-6 三參量控制方法的振動(dòng)臺(tái)系統(tǒng)三參量控制方法的振動(dòng)臺(tái)系統(tǒng)多數(shù)情況下每個(gè)水平方向都是用兩個(gè)作動(dòng)器驅(qū)動(dòng)的；與單個(gè)作動(dòng)器相比，雙作動(dòng)器驅(qū)動(dòng)主要是二者的同步問題，目前主要采用兩種方法來控制雙作動(dòng)器，一種稱為大閉環(huán)反饋法，另一種稱為單獨(dú)閉環(huán)反饋法，如圖3-7所示。圖圖3-7 雙作動(dòng)器的兩種同步控制方法雙作動(dòng)器的兩

19、種同步控制方法大閉環(huán)控制方法的優(yōu)點(diǎn)是調(diào)整方便，因?yàn)樾问缴想p作動(dòng)器的控制相當(dāng)于一個(gè)單獨(dú)的作動(dòng)器；而單獨(dú)閉環(huán)控制方法的優(yōu)點(diǎn)是兩個(gè)作動(dòng)器相互之間的影響較小，但調(diào)整起來比較麻煩。與第二章中雙水平向周期性加載實(shí)驗(yàn)的情形相類似，振動(dòng)臺(tái)在兩個(gè)水平方向也存在著耦合問題，所以在振動(dòng)臺(tái)的兩個(gè)水平方向控制中要將耦合影響盡可能地消除掉。根據(jù)第二章的式(2-11)和式(2-12)，可以在控制系統(tǒng)中采用補(bǔ)償?shù)姆椒▉硐詈系挠绊?，其原理如圖3-8所示；從圖中可見，只要將X方向的命令信號(hào)平方之后與Y方向的命令信號(hào)疊加作為Y方向的系統(tǒng)輸入即可消除X方向在Y方向造成的影響，反之將Y方向命令信號(hào)補(bǔ)償?shù)絏方向則可以消除Y方向運(yùn)動(dòng)在

20、X方向造成的影響。圖圖3-8 雙作動(dòng)器交叉耦合的補(bǔ)償方法雙作動(dòng)器交叉耦合的補(bǔ)償方法三向地震模擬振動(dòng)臺(tái)控制中最復(fù)雜的部分是垂直方向的控制，因?yàn)樗膫€(gè)豎向作動(dòng)器所受外荷載最為復(fù)雜，不僅有臺(tái)面和試件的重力荷載，而且還有傾復(fù)力矩、偏心力矩等。四個(gè)作動(dòng)器不僅要控制其平移，而且要控制其傾斜和搖擺，同時(shí)也要考慮消除與水平運(yùn)動(dòng)方向的交叉耦合影響。一般情況下四個(gè)作動(dòng)器的豎向平移控制與圖3-7所示的同步控制方式類似，只是將兩個(gè)作動(dòng)器擴(kuò)展到四個(gè)作動(dòng)器；而傾斜和搖擺控制則是根據(jù)四個(gè)作動(dòng)器的位置將其信號(hào)進(jìn)行相關(guān)的加、減組合作為反饋信號(hào)對(duì)每個(gè)作動(dòng)器進(jìn)行適當(dāng)?shù)目刂蒲a(bǔ)償。文獻(xiàn)14提出了一種用動(dòng)態(tài)激振系統(tǒng)與靜力平衡系統(tǒng)為一體的豎

21、向振動(dòng)控制結(jié)構(gòu)方案，通過三參量反饋控制的方法，可以有效地改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，提高系統(tǒng)的頻寬，同時(shí)該系統(tǒng)具有很強(qiáng)的抗干擾能力和跟蹤能力。3.4.2 數(shù)字控制數(shù)字控制地震模擬振動(dòng)臺(tái)實(shí)驗(yàn)面對(duì)的試件多種多樣，地震模擬振動(dòng)臺(tái)所要控制的是一個(gè)非常復(fù)雜的對(duì)象，而且這個(gè)對(duì)象是無法用數(shù)字模型來準(zhǔn)確描述的，它不僅與模擬控制系統(tǒng)、作動(dòng)器、臺(tái)面有關(guān)，而且與試件的特性也有關(guān)系，尤其是被試結(jié)構(gòu)模型在實(shí)驗(yàn)過程中不斷出現(xiàn)彈性塑性的變化直至整個(gè)結(jié)構(gòu)破壞，所以整個(gè)振動(dòng)臺(tái)系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)過程中特性變化很大。在這種情況下，只采用模擬控制方法是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，需要采用數(shù)字控制技術(shù)，而且要實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確控制振動(dòng)臺(tái)的目的則必須采用自適應(yīng)控制方法才行，這在

22、目前還很難做到，一是技術(shù)復(fù)雜，二是投資太大。所以目前地震模擬振動(dòng)臺(tái)的數(shù)字控制基本都是采用數(shù)字迭代方法。地震模擬振動(dòng)臺(tái)的數(shù)字迭代法是一種開環(huán)控制方法，圖3-9為數(shù)字控制系統(tǒng)模型。數(shù)字迭代控制方法是每次驅(qū)動(dòng)振動(dòng)臺(tái)之后，將臺(tái)面再現(xiàn)結(jié)果與期望信號(hào)進(jìn)行比較，根據(jù)二者的差異對(duì)驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行修正后再次驅(qū)動(dòng)振動(dòng)臺(tái)，再比較臺(tái)面再現(xiàn)結(jié)果與期望信號(hào)，直到臺(tái)面再現(xiàn)結(jié)果滿足要求為止。這個(gè)過程具體可以通過三個(gè)步驟來完成：首先：通過輸入輸出信號(hào)建立系統(tǒng)的傳遞 函數(shù)；其次：由期望信號(hào)和傳遞函數(shù)重新計(jì)算輸 入信號(hào)；第三：重新檢驗(yàn)臺(tái)面的再現(xiàn)情況。圖圖3-9 數(shù)字控制系統(tǒng)模型數(shù)字控制系統(tǒng)模型根據(jù)圖3-9，設(shè)x(t)為輸入信號(hào)，y(t

23、)為臺(tái)面再現(xiàn)加速度反應(yīng)，x0(t)為臺(tái)面的期望信號(hào)，則系統(tǒng)傳遞函數(shù)為()()()Y jH jX j(3-1)傳遞函數(shù)H(jw)是一個(gè)求得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，根據(jù)臺(tái)面期望信號(hào)x0(t)的傅里葉譜X0(jw)，則驅(qū)動(dòng)信號(hào)由下式求出：0()()()XjX jH j(3-2)系統(tǒng)中存在著控制誤差、測量誤差和非線性誤差等，所以降低這類誤差的影響需要采用多次迭代修正輸入信號(hào)的方法。圖3-10和圖3-11給出的是兩種常用的迭代程序框圖15一種稱為直接迭代法，即每次驅(qū)動(dòng)振動(dòng)臺(tái)之后直接采用輸入輸出信號(hào)求取傳遞函數(shù)；第二種稱為修正迭代法，它是通過計(jì)算臺(tái)面反應(yīng)值和期望值的差值來修正輸入信號(hào)的。上述兩種方法在實(shí)際中都是比較有

24、效的，理論上第二種方法迭代精度更高，但是第一種方法簡單適用、處理速度快。圖圖 3-10 直接迭代法程序框圖直接迭代法程序框圖圖圖3-11 修正迭代法程序框圖修正迭代法程序框圖關(guān)于波形再現(xiàn)精度問題是很復(fù)雜的，在具體應(yīng)用過程中往往是通過臺(tái)面上的再現(xiàn)信號(hào)和期望信號(hào)的圖形比較來判斷再現(xiàn)精度的，一般是較大峰值處兩者的差值小于5%就可以接受，而在零線附近的小峰值處誤差可能大一些，圖3-12是一個(gè)經(jīng)過三次迭代后臺(tái)面再現(xiàn)的地震波(上)與期望地震波(下)的比較，兩者雖然在小幅值處有一些差別，但是整個(gè)波形吻合得非常好。圖圖3-12 臺(tái)面再現(xiàn)波形臺(tái)面再現(xiàn)波形(上上)與期望波形與期望波形(下下)的比較的比較劉永昌等人

25、16提出了一種地震模擬振動(dòng)臺(tái)波形再現(xiàn)的定量判別方法，該方法首先將期望信號(hào)和臺(tái)面響應(yīng)信號(hào)的誤差能量定義為：212211()Nnnn NQxayNN(3-3)式中：xn是期望信號(hào)，yn是響應(yīng)信號(hào)，N1和N2分別為信號(hào)序列的起點(diǎn)和終點(diǎn)，是一個(gè)待定參數(shù)根據(jù)Q取最小值的原則可以求得值為：21212Nnnn NNnn Nx yy (3-4)將式(3-4)帶入式(3-3)可得：2212112221211NnnNn NnNn Nnn Nx yQxNNy(3-5)定義相對(duì)誤差為：212212111xyNnn NQKxNN (3-6)式中：2122111/222Nnnn NxyNNnnn Nn Nx yKxy(3

26、-7)顯然|Kxy|l，當(dāng)Kxy趨近于l時(shí)相對(duì)誤差趨近于0，所以Kxy可以作為期望信號(hào)xn和響應(yīng)信號(hào)yn相似的一種度量。文獻(xiàn)16的應(yīng)用結(jié)果表明，當(dāng)取Kxy0.95時(shí)，響應(yīng)信號(hào)yn和期望信號(hào)xn已經(jīng)非常吻合。從另一個(gè)角度來看，地震波本身也是隨機(jī)信號(hào)，完全精確地再現(xiàn)期望信號(hào)也沒有多大的實(shí)際意義。而針對(duì)于實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行理論計(jì)算時(shí)，采用的輸入地震動(dòng)可以直接應(yīng)用臺(tái)面再現(xiàn)的時(shí)程記錄，這樣可以保證理論計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果是采用了完全相同的地震記錄3.4.3 數(shù)據(jù)采集和處理數(shù)據(jù)采集和處理振動(dòng)臺(tái)實(shí)驗(yàn)中采集數(shù)據(jù)需要許多傳感器和測試儀器，不同的試件由于實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹⒃嚰卣鞯葍?nèi)容都相差很大，所以使用的儀器儀表在種類和數(shù)量上

27、也不盡相同：常用的測試傳感器有加速度計(jì)(用于測量加速度響應(yīng))、位移傳感器(用于測量試件的相對(duì)位移或絕對(duì)位移)、應(yīng)變片(主要用于測量試件不同部位的應(yīng)變響應(yīng))這些傳感器及相關(guān)儀器的選擇在建筑抗震試驗(yàn)方法規(guī)程中已經(jīng)給出了一些具體原則17，對(duì)于一般的結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行振動(dòng)臺(tái)實(shí)驗(yàn)，按照這些原則選擇測量儀器設(shè)備就可以了；對(duì)于特殊的試件(例如剛度非常大的試件)，那么在測量儀器方面還要根據(jù)實(shí)驗(yàn)情況作適當(dāng)?shù)目紤]。目前振動(dòng)臺(tái)實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)采集都實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)采集和存貯，即在實(shí)驗(yàn)過程中將所有的測試信號(hào)由計(jì)算機(jī)同步地采集到計(jì)算機(jī)中，這樣不僅有利于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的保存，而且為下一步的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理提供了先決條件。3.5 地震模擬振動(dòng)臺(tái)的實(shí)

28、際應(yīng)用地震模擬振動(dòng)臺(tái)的實(shí)際應(yīng)用地震模擬振動(dòng)臺(tái)的應(yīng)用范圍非常廣泛，涉及的領(lǐng)域很多。試件的形式除了最為常見的建筑結(jié)構(gòu)和構(gòu)件之外，其它方面的實(shí)驗(yàn)應(yīng)用也非常多，例如橋梁結(jié)構(gòu)、塔桅結(jié)構(gòu)、水工結(jié)構(gòu)、離岸結(jié)構(gòu)、核電結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)工程、巖土工程、城市管道、電力設(shè)備、化工設(shè)備、通訊設(shè)備、室內(nèi)裝飾與家具、人體工程與地震心理等等。振動(dòng)臺(tái)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理工作比較容易進(jìn)行，因?yàn)槟壳罢駝?dòng)信號(hào)處理的軟件比較多，用這些軟件可以非常方便地得到試件響應(yīng)的頻譜、均值、方差等內(nèi)容。然后可以將這些分析結(jié)果或圖形打印輸出。在過去的幾十年中，地震模擬振動(dòng)臺(tái)實(shí)驗(yàn)在抗震研究和工程實(shí)際中取得了重要成果，幾屆世界地震工程大會(huì)都有大量的實(shí)驗(yàn)與應(yīng)用的文章；

29、另外，國內(nèi)外與地震工程和結(jié)構(gòu)工程相關(guān)的雜志每年都有大量的振動(dòng)臺(tái)實(shí)驗(yàn)文章發(fā)表。為了比較全面詳細(xì)地介紹地震模擬振動(dòng)臺(tái)實(shí)驗(yàn)過程，這里以一個(gè)具體實(shí)驗(yàn)為例進(jìn)行介紹。文獻(xiàn)27中提出了一種耗能-隔震柔性底層框架結(jié)構(gòu)體系，分析表明這種隔震和耗能減震方法是很有效的。為了研究這種采用耗能-隔震柔性底層之后結(jié)構(gòu)的隔震性能、損傷情況以及與傳統(tǒng)的鋼筋混凝土框架進(jìn)行對(duì)比，針對(duì)三種不同類型的1:4模型試件進(jìn)行了不同工況下的振動(dòng)臺(tái)實(shí)驗(yàn)283.5.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷脑O(shè)計(jì)和制作實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷脑O(shè)計(jì)和制作為了進(jìn)行比較，試件制作考慮了三種類型，如圖3-13所示；圖中(a)為傳統(tǒng)的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，(b)為不加橡膠隔震器的耗能-隔震柔性底層結(jié)

30、構(gòu)，(c)為加入橡膠隔震器的耗能-隔震柔性底層結(jié)構(gòu)。三種試件均為三層結(jié)構(gòu)模型，實(shí)驗(yàn)著重研究耗能-隔震柔性底層框架結(jié)構(gòu)的抗震性能和減震效果，并與傳統(tǒng)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，研究兩種結(jié)構(gòu)體系在地震作用下的耗能分布、損傷分布以及整體結(jié)構(gòu)的損傷情況。圖圖3-13 三種結(jié)構(gòu)類型的試件三種結(jié)構(gòu)類型的試件原型結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)工況為7度抗震設(shè)防、2類場地條件、近震。鋼筋混凝土框架為剪切型的，按我國現(xiàn)行抗震設(shè)計(jì)規(guī)范設(shè)計(jì)29，結(jié)構(gòu)每層重量為40t，總重量為120t，三層柱子的尺寸和配筋等完全相同，柱截面為正方形，尺寸為bh=240240mm，保護(hù)層a=40mm，混凝土采用C30鋼筋為4 20，配筋率=1.2

31、5，最大軸壓比為n0=N/(Rabh0)=0.24(Ra=25 MPa)，柱高H=3000mm，箍筋選用 8200，柱端箍筋局部加密到間隔s=100mm。鋼管混凝土耗能-隔震柔性底層框架的上部兩層為鋼筋混凝土框架，與圖3-13(a)所示框架完全相同鋼管混凝土柱采用普通的A3鋼管，外徑D=159mm，壁厚t=6mm，柱高也為3000mm橡膠隔震器在設(shè)計(jì)中采用廠家生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，但在模型實(shí)驗(yàn)中由于沒有合適型號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)橡膠隔震器，采用了自制的橡膠隔震器，具體參數(shù)是通過實(shí)驗(yàn)測定的根據(jù)地震模擬振動(dòng)臺(tái)的承載能力和尺寸要求，以及模型制作和安裝等方面的考慮，模型的相似比選定為1:4，模型的各相似常數(shù)列于表3-6

32、中表表3-6 框架實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷南嗨瞥?shù)框架實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷南嗨瞥?shù)根據(jù)表3-6中給出的相似常數(shù)，模型試件的有關(guān)尺寸列于表3-7表表3-7 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膮?shù)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膮?shù)圖3-14為三層鋼筋混凝土框架模型和耗能-隔震柔性底層框架模型的配筋圖，為了保證框架為剪切型的，橫梁的截面設(shè)計(jì)得較大，縱筋為4 14螺紋鋼，箍筋為 6l00，混凝土強(qiáng)度與柱的相同,經(jīng)驗(yàn)算梁的線剛度大于柱的線剛度5倍以上，可以保證框架模型為剪切型圖圖3-14 三層實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷呐浣顖D三層實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷呐浣顖D由于實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷某叽巛^小，整體制作比較困難，所以每個(gè)試件按單榀制作，然后將兩榀框架組合在一起形成一個(gè)完整的試件。三層的單榀鋼筋混凝土框架制作了兩個(gè)

33、，用于組裝成一座三層鋼筋混凝土框架試件；二層的單榀鋼筋混凝土框架制作了四個(gè)，與八根鋼管混凝土柱一起組成二座三層的耗能-隔震柔性底層框架試件在每榀框架上放置了相應(yīng)的預(yù)埋件，用于將兩榀框架組裝成完整的試件；每根鋼管混凝土柱與鋼筋混凝土框架之間采用四根M10的螺栓進(jìn)行連接，其強(qiáng)度大于鋼管混凝土柱的強(qiáng)度，可以保證聯(lián)接件不產(chǎn)生破壞。鋼筋混凝土框架中梁、柱的縱筋和箍筋的力學(xué)性能以及鋼管混凝土的鋼管性能列于表3-8中表表3-8 鋼筋和鋼管的力學(xué)性能鋼筋和鋼管的力學(xué)性能(N/mm2)由于框架模型是剪切型的，其研究的重點(diǎn)主要放在框架結(jié)構(gòu)的柱子上，所以在保證實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)模型是剪切型的前提下，根據(jù)相似比，實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ涂蚣苤?/p>

34、采用了微?；炷?，配合比為 水 泥 ： 水 ： 細(xì) 骨 料 ： 粗 骨 料 l:0.25:1.25:2.5，水泥為425號(hào)普通的硅酸鹽水泥，細(xì)骨料為最大粒徑小于2.5mm的砂料，粗骨料是最大粒徑在2.5-5.0mm之間的砂料框架梁采用了普通的混凝土澆注。有關(guān)立方強(qiáng)度列于表3-9，鋼管混凝土柱中填充的混凝土與鋼筋混凝土柱是完全一樣的，也是微?；炷粒沂峭瑫r(shí)進(jìn)行澆注的表表3-9 混凝土立方體強(qiáng)度混凝土立方體強(qiáng)度(N/mm2)3.5.2 鋼筋混凝土框架模型的振動(dòng)臺(tái)實(shí)驗(yàn)鋼筋混凝土框架模型的振動(dòng)臺(tái)實(shí)驗(yàn)(1)實(shí)驗(yàn)步驟和量測內(nèi)容三層剪切型鋼筋混凝土框架模型是在3m4m地震模擬振動(dòng)臺(tái)上進(jìn)行的，試件每層的配

35、重2t，共計(jì)6t，實(shí)驗(yàn)簡圖如圖3-15所示圖圖3-15 三層鋼筋混凝土框架的振動(dòng)臺(tái)實(shí)驗(yàn)簡圖三層鋼筋混凝土框架的振動(dòng)臺(tái)實(shí)驗(yàn)簡圖對(duì)于鋼筋混凝土框架模型的振動(dòng)臺(tái)實(shí)驗(yàn)，圖中的隔震器是沒有的，隔震器是在進(jìn)行耗能-隔震柔性底層框架模型實(shí)驗(yàn)時(shí)才安裝的。 實(shí)驗(yàn)輸入的地震波為EL-Centro(S-N)波；根據(jù)模型的相似比，將輸入地震波的持時(shí)進(jìn)行了壓縮處理。輸入的地震波峰值首先調(diào)整為0.05g進(jìn)行了輸入。采用小幅值輸入，一方面是為了得到結(jié)構(gòu)在彈性范圍的動(dòng)力特性，另一方面是為了將振動(dòng)臺(tái)的臺(tái)面反應(yīng)進(jìn)行迭代，以期達(dá)到理想的效果。此后將輸入地震波的加速度峰值加大到0.5g，進(jìn)一步研究結(jié)構(gòu)模型在強(qiáng)震作用下的破壞情況。實(shí)驗(yàn)

36、過程中直接測量的結(jié)構(gòu)反應(yīng)信號(hào)是位移和加速度，采用的是位移傳感器和加速度傳感器，測點(diǎn)布置在結(jié)構(gòu)的梁端上，如圖3-l5所示。考慮到可能出現(xiàn)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，在兩榀框架的2層和3層均布置了位移和加速度傳感器，以備后期數(shù)據(jù)處理時(shí)用于修正。圖3-15中a0a5代表加速度傳感器，d0d5代表位移傳感器。位移和加速度信號(hào)均由計(jì)算機(jī)自動(dòng)采集存貯于磁盤中。(2)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。鋼筋混凝土三層框架模型經(jīng)過小震過程(輸入0.05g)和強(qiáng)震過程后(輸入0.5g)，根據(jù)模型的地震反應(yīng)記錄可以得到其頻譜特性如圖3-16所示，表3-10進(jìn)一步給出了兩種地震工況后模型各階頻率的具體數(shù)值。圖圖3-16 兩種峰值加速度下實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ头磻?yīng)的頻譜圖

37、兩種峰值加速度下實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ头磻?yīng)的頻譜圖表表 3-10 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷母麟A頻率實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷母麟A頻率(Hz)振動(dòng)臺(tái)輸入0.5g的EL-Centro地震波后，實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ透鲗拥奈灰品磻?yīng)和加速度反應(yīng)示于圖3-17中。圖中各層的位移為相對(duì)于地面的位移，加速度為絕對(duì)加速度。圖圖3-17 三層三層RC框架模型結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)框架模型結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)(EL-Centro波波0.5g)由于振動(dòng)臺(tái)實(shí)驗(yàn)中無法直接測量試件的層間剪力，為了得到試件各層的滯回曲線和滯回耗能，需根據(jù)結(jié)構(gòu)各層測得的數(shù)據(jù)間接求出。由于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是數(shù)字化的結(jié)果，所以試件各層的剪力由下式計(jì)算：( )( )nkikkikr tm x t(3-8)式中：下標(biāo)k代表層號(hào)

38、， 為第k層在ti時(shí)刻的絕對(duì)加速度值，mk為第k層的質(zhì)量實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ驮诘卣鹱饔孟碌膶娱g滯回耗能可由下式計(jì)算： 11112mhkkikikikiiErtrtxtxt(3-9)式中：為第k層的層間位移，求和上限m為振動(dòng)持時(shí)下的采樣點(diǎn)總數(shù)。圖3-18給出了試件在地震作用下的層間滯回曲線，圖3-19給出了各層的累積滯回耗能隨時(shí)間的變化。圖圖3-18 三層三層RC框架模型在地震作用下的層間滯回曲線框架模型在地震作用下的層間滯回曲線圖圖3-19 三層三層RC框架模型在地震作用下的層間累積滯回耗能框架模型在地震作用下的層間累積滯回耗能為了進(jìn)一步評(píng)價(jià)三層鋼筋混凝土框架模型的地震損傷，采用Y.J.Park和A.H.

39、S.Ang提出的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)雙參數(shù)損傷模型30,31，基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并經(jīng)計(jì)算得到三層鋼筋混凝土框架模型在EL-Centro(S-N)地震波作用下的損傷指數(shù)，峰值加速度為0.5g，計(jì)算結(jié)果列于表3-11。表表 3-11 三層三層RC框架的地震損傷框架的地震損傷表中的損傷結(jié)果與試件的物理破壞特征相比較，與文獻(xiàn)31中描述的情況吻合良好，底層柱子根部水平裂縫貫穿整個(gè)截面，二層和三層柱根的水乎裂縫也達(dá)到三分之一的截面尺寸。3.5.3 耗能耗能-隔震柔性底層框架模型的振動(dòng)臺(tái)實(shí)隔震柔性底層框架模型的振動(dòng)臺(tái)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)(1)耗能-隔震柔性底層結(jié)構(gòu)的有關(guān)問題對(duì)于耗能-隔震柔性底層結(jié)構(gòu)體系，其構(gòu)造和設(shè)計(jì)上主要有兩個(gè)問題

40、： 一是鋼管混凝土柱與橡膠隔震器的重力分配問題，因?yàn)樵趹?yīng)用過程中需要隔震器承擔(dān)一定的重量，使隔震器和柱子合理地分擔(dān)上部結(jié)構(gòu)的重量； 另一個(gè)問題是底層的失穩(wěn)問題，由于底層是柔性的，地震作用下底層變形較大，所以失穩(wěn)問題是必須考慮的。耗能-隔震柔性底層主要由鋼管混凝土柱和隔震器組成，所以它的失穩(wěn)問題可從鋼管混凝土柱和隔震器兩方面來考慮。對(duì)于鋼管混凝土柱，它在結(jié)構(gòu)中屬壓彎構(gòu)件，可按有關(guān)的計(jì)算方法和規(guī)程設(shè)計(jì)計(jì)算32,33。根據(jù)鋼管混凝土柱在耗能-隔震柔性底層結(jié)構(gòu)中的作用，如果沒有隔震器的承重作用，則按一般結(jié)構(gòu)的倒塌定義，當(dāng)鋼管混凝土柱在水平地震力下超過極限位移，且承載力下降到最大承載力的80%時(shí)即認(rèn)為結(jié)

41、構(gòu)倒塌。正是由于隔震器的承重作用，并具有很強(qiáng)的水平變形能力，所以耗能-隔震柔性底層的水平位移超過鋼管混凝土柱的破壞位移后仍保證結(jié)構(gòu)不倒塌，因此隔震器是否失穩(wěn)將成為關(guān)鍵對(duì)于橡膠隔震器，當(dāng)豎向荷載保持恒定時(shí)，根據(jù)有關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果34，在一定范圍內(nèi)水平荷載與水平位移呈線性關(guān)系，最大剪切變形由疊層橡膠的幾何尺寸與材料特性所決定。疊層橡膠隔震器的破斷剪切變形率(即破斷水平位移/橡膠的總厚度ntr)大約為3.7甚至更高，取安全系數(shù)1.5則橡膠隔震器的最大允許水平位移為：2.5Hrnt(3-10)式中：n為橡膠的層數(shù)，tr為每層橡膠的厚度。由于隔震器在耗能-隔震柔性底層結(jié)構(gòu)中起承重作用，所以上式可作為底層不失穩(wěn)

42、的允許最大變形。(2)實(shí)驗(yàn)步驟和測量內(nèi)容。耗能-隔震柔性底層框架模型的尺寸與上節(jié)中的鋼筋混凝土框架模型完全一樣，實(shí)驗(yàn)步驟和量測內(nèi)容也與上節(jié)完全相同，直接測量框架模型的各層位移和加速度。輸入的地震波仍是先輸入較小幅值的地震波以測得結(jié)構(gòu)彈性范圍的動(dòng)力特性，然后輸入較大的地震波使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞，用以比較耗能-隔震柔性底層框架模型與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)之間地震反應(yīng)和地震損傷的差異。具體工況是先未放置橡膠隔震器(稱為DMl模型)，輸入0.1g和0.5g的EL-Centro波之后加入橡膠隔震器(稱為DM2模型)，同樣進(jìn)行輸入0.1g和0.5g的EL-Centro波的實(shí)驗(yàn)。(3)實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖3-20分別給出了模型DM

43、1和DM2在0.1g和0.5g地震輸入下，模型結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的頻譜特性，具體數(shù)值列于表3-12。圖圖3-20 兩種模型兩種模型DM1和和DM2的頻譜特性的頻譜特性表表 3-12 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷母麟A頻率實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷母麟A頻率(Hz)從表3-12可以看到，DMl經(jīng)0.5g的EL-Centro地震波后頻率有所下降，說明結(jié)構(gòu)模型有了一定的損傷，但對(duì)試件的表面觀察未發(fā)現(xiàn)上部二層鋼筋混凝上框架柱出現(xiàn)裂紋。而DM2在0.5g的EL-Centro地震波后在二層和三層柱根處均出現(xiàn)了一定的裂紋，這主要是由于加入了橡膠隔震器后增大了底層的剛度，造成了破壞的位移。圖3-21給出了輸入加速度峰值為0.5g的EL-Centro波時(shí)

44、，結(jié)構(gòu)模型DMl的各層位移反應(yīng)和加速度反應(yīng)圖圖3-21 結(jié)構(gòu)模型結(jié)構(gòu)模型DM1的地震反應(yīng)的地震反應(yīng)(EL-Centro波波0.5g)圖3-22為同樣輸入下結(jié)構(gòu)模型DM2的各層位移反應(yīng)和加速度反應(yīng)圖圖3-22 結(jié)構(gòu)模型結(jié)構(gòu)模型DM2的地震反應(yīng)的地震反應(yīng)(EL-Centro波波0.5g)圖3-23分別給出了結(jié)構(gòu)模型DMl和DM2在0.5g的EL-Centro(S-N)地震波作用下各層的滯回曲線，其中層間剪力是按式(3-8)計(jì)算得到的。根據(jù)式(3-9)，可以得到結(jié)構(gòu)模型DMl和DM2的層間累積滯回耗能，其結(jié)果示于圖3-24中。圖圖2-23 模型模型DM1和和DM2的層間滯回曲線的層間滯回曲線(EL-

45、Centro波波0.5g)圖圖2-24 模型模型DM1和和DM2的層間滯回耗能的層間滯回耗能(EL-Centro波波0.5g)第二章針對(duì)鋼管混凝土柱的地震損傷問題，基于Y.J.Park和A.H.S.Ang提出的雙參數(shù)損傷模型，通過實(shí)驗(yàn)的方法確定了損傷模型的參數(shù)。表3-13給出了模型DM1和DM2在0.5g的EL-Centro(S-N)地震波輸入下的損傷值，其中底層的鋼筋混凝土柱的地震損傷值采用了第二章的有關(guān)公式。3-13 DM1模型和模型和DM2模型的地震損傷指數(shù)模型的地震損傷指數(shù)3.5.4 兩種結(jié)構(gòu)體系的地震實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較與分析兩種結(jié)構(gòu)體系的地震實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較與分析上述兩部分分別給出了三層鋼筋混

46、凝土框架模型(簡稱RC模型)和耗能-隔震柔性底層結(jié)構(gòu)模型DMl、DM2的地震實(shí)驗(yàn)結(jié)果。下面將從不同的方面比較兩種結(jié)構(gòu)體系在地震作用下的性能。(1)各層反應(yīng)量的比較。根據(jù)上述三種模型結(jié)構(gòu)的振動(dòng)臺(tái)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，將0.5g的EL-Centro波輸入下三種模型的最大層間位移和層加速度數(shù)值列于表3-14。表表 3-14 最大層間位移和加速度反應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果最大層間位移和加速度反應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果從表3-14的結(jié)果可見，DMl和DM2模型的底層位移與RC模型大致相當(dāng)，但上部兩層的層間位移均小于RC模型的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，第二層和第三層減小量最大可達(dá)11和63。從各層的加速度反應(yīng)來看，耗能-隔震柔性底層結(jié)構(gòu)體系能有效地降低各層加速

47、度反應(yīng)，與RC模型相比，各層降低了58%、47和33。另外，從表中可以看到，DM2模型的減震效果不如DMl模型，這主要是加入了橡膠隔震器之后，底層的剛度和屈服力增大所致，從而造成了地震損傷沿著層高上移。如果底層鋼管混凝土柱的剛度、橡膠隔震器的剛度與上層鋼筋混凝土柱的剛度分配理想，則DM2模型的減震效果會(huì)更加明顯。圖3-25給出了RC模型(虛線)與DMl模型(實(shí)線)層間變形和各層加速度的實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較。圖圖2-25 RC模型和模型和DM1模型的地震實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較模型的地震實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較(2)累積滯回耗能和損傷分析。為了進(jìn)一步分析和比較耗能-隔震柔性底層結(jié)構(gòu)與一般鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的抗震性能，需要研究兩種結(jié)

48、構(gòu)體系在地震作用下的滯回耗能和損傷狀況。根據(jù)前面的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，RC模型和DMl、DM2模型在相同地震作用下各層的累積滯回耗能及分布是有所不同的，具體數(shù)值列于表3-15。表表 3-15 三種框架模型的地震累積滯回耗能及其分布三種框架模型的地震累積滯回耗能及其分布從表中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可見，對(duì)于RC模型，各層的滯回耗能占總滯回耗能的百分比分別為57、28和15%，而耗能-隔震柔性底層結(jié)構(gòu)模型的底層滯回耗能占有很大的比重；對(duì)于DMl和DM2兩種模型分別為71和63。比較DMl和DM2，由于DM2模型底層剛度的增加，從而影響了各層的耗能分布，使結(jié)構(gòu)上層的累積耗能有所增加；即使如此，DM2模型與RC模型相比，其

49、上部的滯回耗能無論是絕對(duì)量值還是耗能分布均小于RC模型的數(shù)值。從采用雙參數(shù)損傷模型的計(jì)算結(jié)果來看，耗能-隔震柔性底層結(jié)構(gòu)的損傷比鋼筋混凝上結(jié)構(gòu)的損傷輕微。根據(jù)表3-13的計(jì)算結(jié)果，DMl模型比RC模型的各層損傷分別降低了27、36%和52%；比較DM2模型和RC模型，其結(jié)果分別是36、18和35。顯然，底層剛度增加后造成了損傷的上移，這一點(diǎn)與表3-11的耗能及其分布的結(jié)果是一致的。因此，單純從減輕上部結(jié)構(gòu)的損傷來看，底層的剛度和屈服位移比較小是有利的，但從損傷在結(jié)構(gòu)各層的分布上還是需要合理地考慮控制上部結(jié)構(gòu)剛度與底層剛度的比例，以利于發(fā)揮結(jié)構(gòu)整體的能力。3.5.5 結(jié)結(jié) 論論這里通過一座三層的

50、鋼筋混凝上框架模型的振動(dòng)臺(tái)實(shí)驗(yàn)、兩座三層的耗能-隔震柔性底層框架模型的振動(dòng)臺(tái)實(shí)驗(yàn)，研究了兩種結(jié)構(gòu)體系在地震作用下的損傷情況，得到了如下的結(jié)論：(1)新提出的耗能-隔震柔性底層結(jié)構(gòu)體系，經(jīng)實(shí)驗(yàn)的檢驗(yàn)，證明這種結(jié)構(gòu)體系可以有效地減輕上部結(jié)構(gòu)的地震損傷；比較兩種結(jié)構(gòu)體系的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可見，DMl和DM2模型上部各層的層間位移、層間滯回耗能和損傷指數(shù)均小于RC模型的相應(yīng)值。(2)從耗能-隔震柔性底層本身來看，其層間位移和滯回耗能與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的底層位移和滯回耗能大致相等，但其地震損傷指數(shù)卻小于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的相應(yīng)值，這主要是因?yàn)殇摴芑炷林哂休^好的延性和較好的抗損傷能力。(3)由于耗能-隔震柔性底層中

51、采用了橡膠隔震器作為支承部件承擔(dān)了一部分結(jié)構(gòu)的重量，所以采用雙參數(shù)損傷模型計(jì)算底層鋼管混凝土柱的地震損傷不盡合理，事實(shí)上得到的底層損傷指數(shù)是偏于保守的。對(duì)于如何更準(zhǔn)確地刻劃耗能-隔震柔性底層的地震損傷還需作進(jìn)一步的研究工作。參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn)1 黃浩華. 地震模擬振動(dòng)臺(tái)的發(fā)展情況介紹J. 世界地震 工程, 1986, 4751.2 F. A. Noor and L. F. Boswell. T. P. Tassios. Modelling of Structures Subjected IO Seismic Loading, in Small Scale Modelling of Concret

52、e structures J. E1sevier Applied Science, 1992.3 C. E. Ventura. et a1. Multi-axis Control System for Shake- table, Paper NO. 1207. E1eventh World Conference on Experimental Methods in Earthquake Engineering, 1996.4 J. R. Hayes. Development of Three-dimensional Earthquake Simulator at USACERL. U. S.

53、/P. R. C. Workshop on Experimental Methods in Earthquake Engineering, July 1993, 1828.5 D. W. Clarke and C. E. Hinton. Adaptive Control of Materials-testing Machlnes J. Automatica, Elsevier Science 1997, 33(6): 11191131.6 C. E. Hinton, Maximum-gain, Minimum-integral Principle Applied to Materials Testing J. IEE Colloquium (Digest) 1996, 24(287): 3/1一3/6.7 A. Filiatrault, R. Tremblay, B. K. Thoen and J. Rood. A Second Generation Earthquake Simulation System in Canada: Desc