模擬震動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)的了解

地震模擬振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)的了解姓名：圖爾蓀江學(xué)號(hào)：1083310402摘要闡述了正確認(rèn)識(shí)振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)的重要性，并指出了試驗(yàn)中的一些有待提高的做法，同時(shí)論述了振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)的發(fā)展動(dòng)態(tài)。關(guān)鍵詞振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)；試驗(yàn)方法潑展動(dòng)態(tài)；自20世紀(jì)60年代開始建立地震模擬振動(dòng)臺(tái)系統(tǒng)開始，全球的模擬振動(dòng)臺(tái)系統(tǒng)已經(jīng)超過100臺(tái)，國(guó)內(nèi)各高校以及科研單位也陸續(xù)建立了近20臺(tái)振動(dòng)臺(tái)系統(tǒng)。振動(dòng)臺(tái)系統(tǒng)已從簡(jiǎn)單的單向運(yùn)動(dòng)向復(fù)雜的三向六個(gè)自由度發(fā)展，試驗(yàn)的內(nèi)容也由砌體結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)、框架結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)、筒體結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)向橋梁結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)、具有隔震和減震裝置的結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)、結(jié)構(gòu)與地基共同工作的模型試驗(yàn)等新的領(lǐng)域發(fā)展。對(duì)目前振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)中認(rèn)識(shí)上和做法上有待提高的一些問題以及振動(dòng)自摸型試驗(yàn)發(fā)展動(dòng)態(tài)談一些看法。正確全面認(rèn)識(shí)振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)由于振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)耗資大，要求高，于是就有采用靜力試驗(yàn)或擬動(dòng)力試驗(yàn)來研究結(jié)構(gòu)性能的做法。其實(shí)振動(dòng)中的物體除了受到干擾力的作用外，還受到與加速度相關(guān)的慣性力，與速度相關(guān)的阻尼力以及與位移相關(guān)的恢復(fù)力的作用。靜力試驗(yàn)雖然經(jīng)濟(jì)并對(duì)加載設(shè)備沒有太大的要求，但僅限于靜力試驗(yàn)。擬動(dòng)力試驗(yàn)，其突出的優(yōu)點(diǎn)是與計(jì)算機(jī)相聯(lián)，恢復(fù)力模型來自實(shí)際的構(gòu)件，但是試驗(yàn)本身還是不能反映速度相關(guān)型材料的性能，因此擬動(dòng)力試驗(yàn)實(shí)際上還是靜力試驗(yàn)。雖然最近幾年有研究發(fā)展的快速實(shí)時(shí))擬動(dòng)力試驗(yàn)(FFr)，考慮了速度的影響，但是對(duì)設(shè)備的要求非常高，并且試驗(yàn)的邊界條件很難精確的模擬【”。因此，首先要認(rèn)識(shí)到振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)才是真正的模擬了地震的動(dòng)力試驗(yàn)。另外，有把結(jié)構(gòu)構(gòu)件在擬靜力、擬動(dòng)力試驗(yàn)中的量測(cè)內(nèi)容來要求振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)的做法，當(dāng)不能滿足時(shí)，就認(rèn)為振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)沒有用。應(yīng)該說不同的試驗(yàn)方法都有各自的特點(diǎn)和適用范圍，振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)主要從宏觀方面研究結(jié)構(gòu)地震破壞機(jī)理、破壞模式和薄弱部位，評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)整體抗震能力并衡量減震和隔震的效果14J。振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)是目前所有試驗(yàn)方法中最為直接的試驗(yàn)方法，在試驗(yàn)中能詳細(xì)地了解結(jié)構(gòu)在大震作用下的抗震性能，對(duì)構(gòu)件的破壞機(jī)理有直觀的了解。另外，振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)往往是評(píng)估新型結(jié)構(gòu)、超限結(jié)構(gòu)以及具有隔震、減震裝置結(jié)構(gòu)等抗震性能的重要手段。對(duì)于大跨橋梁、大跨建筑物及管道線還需要用振動(dòng)臺(tái)臺(tái)陣來研究基于多點(diǎn)地震波輸入下的抗震性能。振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)是目前并可能在將來的一段時(shí)間內(nèi)解決結(jié)構(gòu)在地震作用下的非線性反應(yīng)和倒塌機(jī)理比較有效的手段"Jo試驗(yàn)中有待解決的一些問題雖然振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)有不少的優(yōu)點(diǎn)，但是在實(shí)際的試驗(yàn)中還有不少問題有待提高，已經(jīng)有不少的文獻(xiàn)對(duì)此進(jìn)行討論與研究，主要是集中在模型相似、加載速率、地震波形精確復(fù)現(xiàn)等幾個(gè)方面。1欠質(zhì)量失真目前，世界上振動(dòng)臺(tái)最大的豎向負(fù)重是美國(guó)的ucSD振動(dòng)臺(tái)系統(tǒng)，為2000t，大部分振動(dòng)臺(tái)的負(fù)重在100t以下。對(duì)于高層建筑來說，當(dāng)模型采用與原型相同的材料時(shí)，按照相似要求，模型的質(zhì)量通常都超出了振動(dòng)臺(tái)的負(fù)載能力，如果將模型做得很小，即模型比例太小，那失真就會(huì)很嚴(yán)重。因此，目前絕大部分高層建筑或大型建筑的振動(dòng)臺(tái)模型都是欠質(zhì)量的。

由于模型欠質(zhì)量，在振動(dòng)臺(tái)模擬地震作用下，地震作用變小，為了解決這個(gè)問題，通常采用加大地面運(yùn)動(dòng)加速度或采用正弦波讓振動(dòng)頻率與模型的自振頻率相一致，產(chǎn)生共振使結(jié)構(gòu)達(dá)到破壞。然而這種方法是誤區(qū)的，因?yàn)椋@樣做的結(jié)果是結(jié)構(gòu)豎向構(gòu)件的軸向壓力小了，而結(jié)構(gòu)的整體彎矩變大，如圖l所示。這與結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力是不符的，以此試驗(yàn)結(jié)果直接指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)，將會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的錯(cuò)誤。正確的做法應(yīng)是適當(dāng)?shù)卣{(diào)整模型的比例，并在模型上附加質(zhì)量塊。4-正確的5■欠質(zhì)敢I模型攵質(zhì)量情況下結(jié)構(gòu)受力變化2-2對(duì)豎向構(gòu)件施加預(yù)應(yīng)力v：ch、j典infoiced■由房?jī)丛谇焚|(zhì)量，提高加速度的同時(shí)，用預(yù)應(yīng)力鋼筋柬對(duì)豎向構(gòu)件施加壓力，以彌補(bǔ)上述軸向壓力的不足，但這種做法是錯(cuò)誤禎因?yàn)樵诘卣鹱饔孟拢?預(yù)應(yīng)力鋼筋中的應(yīng)力是變化的，因此它對(duì)豎向構(gòu)件產(chǎn)生的軸向壓力并不是個(gè)恒值，另外，更重要的是預(yù)應(yīng)力鋼筋改變了抗側(cè)力構(gòu)件的不足，但這種做法是錯(cuò)誤禎因?yàn)樵诘卣鹱饔孟拢?預(yù)應(yīng)力鋼筋中的應(yīng)力是變化的，因此它2.3截取結(jié)構(gòu)的底部做試驗(yàn)為了節(jié)省試驗(yàn)的費(fèi)用，或是當(dāng)振動(dòng)臺(tái)豎向負(fù)載能力不能滿足試驗(yàn)條件時(shí)，截取結(jié)構(gòu)的底部幾層做振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)。由于結(jié)構(gòu)的邊界條件難以模擬，結(jié)果使結(jié)構(gòu)的整體彎矩變小。2.4模型的相似率由于振動(dòng)臺(tái)尺寸、承載能力和試驗(yàn)費(fèi)用的限制，小比例模型在抗震試驗(yàn)特別是振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)中得到了廣泛的應(yīng)用。但是，由于幾何尺寸的傳統(tǒng)的相似律是在彈性范圍內(nèi)獲得的，因而在結(jié)構(gòu)的非彈性性能分析方面已顯示出一些不足。另外，將復(fù)雜的原型結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化和構(gòu)件細(xì)部的模擬方面也是不夠精確。3.振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)的發(fā)展動(dòng)態(tài)1混合模擬試驗(yàn)方法越來越多的結(jié)構(gòu)抗震控制裝置被安置到結(jié)構(gòu)中，比如TMD系統(tǒng)、AMD系統(tǒng)等。對(duì)這些系統(tǒng)的試驗(yàn)驗(yàn)證和數(shù)字模擬顯得越來越重要。在振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)的新方法方面進(jìn)行了一些研究，指明了振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的雜交試驗(yàn)是未來的發(fā)展方向。混合試驗(yàn)的核心是整個(gè)結(jié)構(gòu)的一部分做振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，其余部分做數(shù)值模擬試驗(yàn)，同時(shí)考慮了這兩部分結(jié)構(gòu)的相互試示意圖如圖2所示■一■■■■■?m■H】■振動(dòng)臺(tái)位-試我于結(jié)構(gòu)S?計(jì)算于靖相4-作動(dòng)薜這試驗(yàn)方法最重要的是要保持質(zhì)量比試驗(yàn)［分質(zhì)量湖算部分質(zhì)量）盡可能的低。該方法在驗(yàn)證TMD、AMD等結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)在模擬動(dòng)態(tài)荷載條件下的性能方面具有明顯的優(yōu)點(diǎn)，在不更換硬件（amdF■系統(tǒng)等）設(shè)置的情況下可以試驗(yàn)不同特性的主結(jié)構(gòu)的性能。文獻(xiàn)還通過原型試驗(yàn)驗(yàn)證了提出的試驗(yàn)方法，兩者結(jié)果具有較好的一致性。tablete?mdcomoutAtion1■振動(dòng)臺(tái)位-試SfStt;3-計(jì)算于蜻梅：4-何廄作動(dòng)器滑■反力墻子結(jié)構(gòu)地震模擬振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)是國(guó)內(nèi)有學(xué)者提出餉.的實(shí)時(shí)擬動(dòng)力試驗(yàn)方法.?引，子結(jié)構(gòu)地震模擬振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)方法將傳統(tǒng)的子結(jié)構(gòu)擬動(dòng)力試驗(yàn)和振動(dòng)臺(tái)相結(jié)合，一方面可以解決振動(dòng)臺(tái)不能進(jìn)行大比例足尺模型試驗(yàn)的弊端另一方面可以解決子結(jié)構(gòu)擬動(dòng)力試驗(yàn)由于子結(jié)構(gòu)采集中力加載所帶來的差別，目前還存有不少的問題，試驗(yàn)加載如圖3所示。2臺(tái)陣試驗(yàn)隨著社會(huì)的發(fā)展，管道、多跨橋梁等細(xì)長(zhǎng)型結(jié)構(gòu)日益增多，細(xì)長(zhǎng)型結(jié)構(gòu)通過增大地震模擬振動(dòng)臺(tái)的規(guī)模顯然是不科學(xué)的，因?yàn)闊o(wú)限增大振動(dòng)臺(tái)規(guī)模不僅投資巨大，另外由于相似比的原因，大型振動(dòng)臺(tái)在有些方面還是不能滿足要求，為此，多臺(tái)小型振動(dòng)臺(tái)組成的地震模擬振動(dòng)臺(tái)臺(tái)陣建設(shè)是今后的一種發(fā)展趨勢(shì)..引。地震模擬振動(dòng)臺(tái)臺(tái)陣不僅可以分開獨(dú)立進(jìn)行小型結(jié)構(gòu)試驗(yàn)，也可以組成大型振動(dòng)臺(tái)進(jìn)行大尺寸、多跨、多點(diǎn)地震輸入的結(jié)構(gòu)抗震試驗(yàn)。日本最早建設(shè)臺(tái)陣是在1979年，由日本建設(shè)省土木研究所建立的4臺(tái)3mx2m的單水平向地震模擬振動(dòng)臺(tái)組成的臺(tái)陣。美國(guó)內(nèi)華達(dá)大學(xué)里若分校(Nevada—Reno)于2003年建立了三臺(tái)4.3mx4.5m雙水平向地震模擬振動(dòng)臺(tái)組成的臺(tái)陣。國(guó)內(nèi)重慶交通科學(xué)設(shè)計(jì)院動(dòng)力實(shí)驗(yàn)室由6mx3m的六自由度地震模擬振動(dòng)臺(tái)組成的臺(tái)陣，其中一臺(tái)固定，另一臺(tái)可移動(dòng)，以進(jìn)行可變跨度達(dá)20m的地震模擬試驗(yàn)。目前北京工業(yè)大學(xué)已建設(shè)完成由9臺(tái)1mxlm振動(dòng)臺(tái)和試驗(yàn)室原有的3mx3m振動(dòng)臺(tái)組成10子臺(tái)地震模擬振動(dòng)臺(tái)臺(tái)陣系統(tǒng)，臺(tái)灣國(guó)家地震工程研究中心擬建由3臺(tái)3mx3m振動(dòng)臺(tái)組成的地震模擬振動(dòng)臺(tái)臺(tái)陣，同濟(jì)大學(xué)計(jì)劃建立由4臺(tái)6mx4m振動(dòng)臺(tái)組成的雙水平向臺(tái)陣系統(tǒng)。3.3介入新的控制技術(shù)信息通訊技術(shù)和控制測(cè)量技術(shù)的一體化為試驗(yàn)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制提供了可能，也為試驗(yàn)數(shù)據(jù)的共享提供了可能，目前進(jìn)行的先進(jìn)的控制技術(shù)有虛擬技術(shù)，遠(yuǎn)程控制技術(shù)以及試驗(yàn)資源的網(wǎng)絡(luò)共享技術(shù)。所謂虛擬儀器指通過計(jì)算機(jī)的軟硬件技術(shù)去模擬和擴(kuò)展傳統(tǒng)儀器的功能，實(shí)現(xiàn)軟件就是儀器，虛擬儀器技術(shù)的高度發(fā)展，為組建設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷儀器提供了全新的技術(shù)手段，它通過軟件將計(jì)算機(jī)硬件資源與儀器硬件有機(jī)地融合為一體，從而把計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算處理能力和儀器硬件的測(cè)量、控制能力結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)多種信號(hào)采集分析的集成系統(tǒng).刮。實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的液壓設(shè)備，傳感器設(shè)備，采集設(shè)備都比較多，在電液伺服控制加載系統(tǒng)中加入虛擬技術(shù)，可以省略傳統(tǒng)的信號(hào)發(fā)生器等硬件設(shè)備，其精度更高，性能更穩(wěn)定，操作簡(jiǎn)單并且能根據(jù)試驗(yàn)要求做進(jìn)一步擴(kuò)展和優(yōu)化。(Networkedstructurallaboratoriesnetslab)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室是將異地分布的單一結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室通過互聯(lián)網(wǎng)連接在一起，形成功能強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室以進(jìn)行結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)程協(xié)同擬動(dòng)力試驗(yàn)，從而提高綜合試驗(yàn)?zāi)芰?，達(dá)到資源共享的目的。例如美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金委員會(huì)的地震工程模擬網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃(NetworkforEarthquakeengineeringsimulation)，中國(guó)也有研究中心目前正在建立基于網(wǎng)絡(luò)的地震工程模擬平臺(tái)ISEE，試圖通過數(shù)值模擬程序和設(shè)備控制程序?qū)崿F(xiàn)世界范圍內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)化結(jié)構(gòu)試驗(yàn)。通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)的共享，研究條件可以得到提高，如果這種共享可以實(shí)現(xiàn)的話，那么各子結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)研究和數(shù)據(jù)傳輸將形成一個(gè)巨大的網(wǎng)絡(luò)，為主體結(jié)構(gòu)的地震安全提供重要的數(shù)據(jù)資料。參考文獻(xiàn)l邱法維，錢嫁茹.陳志鵬.結(jié)構(gòu)抗震實(shí)驗(yàn)方法.北京：科學(xué)出版社，2000：4l一472朱伯龍.結(jié)構(gòu)抗震試驗(yàn).北京：地震出版社.1989：2l—1203魯亮，呂西林.振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)中一種消除重力失真效應(yīng)的動(dòng)力相似關(guān)系研究.結(jié)構(gòu)工程師，2001：