振動臺模型試驗若干問題

振動臺結構模型試驗中

的若干問題

上海同濟大學當前第1頁\共有72頁\編于星期二\7點一、振動臺模型試驗的意義振動臺結構模型試驗是地震工程的主要研究手段之一。振動臺模型試驗具有以下的作用：（1）研究結構的地震破壞機理和破壞模式，評價結構的抗震能力；（2）研究結構中地震作用的分布，為檢驗結構的抗震分析方法提供依據；當前第2頁\共有72頁\編于星期二\7點（3）尋找結構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；（4）驗證新型結構體系的抗震分析模型，為發(fā)展新的結構抗震設計理論提供依據；（5）研究各種介質之間的相互作用問題，例如結構與地基的相互作用、結構與流體的相互作用、結構與散體的相互作用等等，為認識這類問題的破壞機理、建立分析模型和發(fā)展設計方法提供依據。當前第3頁\共有72頁\編于星期二\7點隨著經濟的發(fā)展和世界各國對科技的不斷重視，以及世界上接連發(fā)生的幾次破壞性地震的慘痛教訓，世界各國的地震工程研究人員越來越認識到振動臺試驗的作用。20世紀90年代以來振動臺試驗設備的建設和在振動臺上進行模型或原型結構或部件試驗研究進入了一個新的發(fā)展時期。二、振動臺模型試驗技術的發(fā)展當前第4頁\共有72頁\編于星期二\7點據不完全統(tǒng)計，全世界共有模擬地震振動臺系統(tǒng)約近百套。目前世界上最大的振動臺為日本NIED的15m×20m六自由度振動臺，承載能力為1200t，將于2005年建成。我國建成的模擬地震振動臺約20套。國內在建的最大的振動臺為6m×6m三向六自由度振動臺。當前第5頁\共有72頁\編于星期二\7點全世界大型的模擬地震振動臺統(tǒng)計

（臺面負載>50t）(1)

設置部門臺面尺寸(m)最大試件t東大生產技術所10×2170日本電力研究所6×6.5125日本國有鐵道研究所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日本科技廳防災中心15×15500當前第6頁\共有72頁\編于星期二\7點全世界大型的模擬地震振動臺統(tǒng)計

（臺面負載>50t）(2)三菱重工6×680日本原子能工程試驗中心15×151000英國GEC4.3×4.3100前蘇聯(lián)HRI6×650日本PWRI8×8300日本科技廳防災中心6×675當前第7頁\共有72頁\編于星期二\7點中國模擬地震振動臺統(tǒng)計(1)設置部門臺面尺寸(m)最大試件(t)同濟大學4×425哈爾濱工力所5×520中國水利科學研究院5×520廣州大學3×310河海大學2×2.86當前第8頁\共有72頁\編于星期二\7點中國模擬地震振動臺統(tǒng)計(2)

大連工學院3×310云南工學院1.5×22.5香港理工大學3×310臺北NCREE5×530北京理工大學2×2

5中國核工業(yè)設計院6×6

在建中國建筑科學研究院6×6

在建

當前第9頁\共有72頁\編于星期二\7點大型6自由度振動臺試驗系統(tǒng)當前第10頁\共有72頁\編于星期二\7點水下振動臺試驗系統(tǒng)當前第11頁\共有72頁\編于星期二\7點振動臺臺陣當前第12頁\共有72頁\編于星期二\7點廣州大學的

振動臺同濟大學的

振動臺當前第13頁\共有72頁\編于星期二\7點大連理工大學的振動臺中國水科院的振動臺當前第14頁\共有72頁\編于星期二\7點同濟大學土木工程防災國家重點實驗室1983年從美國MTS公司引進模擬地震振動臺。試驗室MTS振動臺基本性能參數如下：臺面尺寸 4.0m×4.0m振動波形 周期波、隨機波等最大試件質量 25噸頻率范圍 0.1~50Hz控制振動方式 三方向六自由度數據采通道 96三、同濟大學振動臺模型試驗當前第15頁\共有72頁\編于星期二\7點部分振動臺建筑結構模型試驗研究項目東方明珠電視塔上海大劇院浦東國際機場侯機樓南方電力調度中心深圳商隆中心大廈上海九百城市廣場浦東香格里拉擴建工程深圳京廣中心上海交銀金融大廈浦東青少年活動中心南京多媒體大廈上海仙樂斯廣場重慶建設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際金融中心上海星海大廈廣州國際金融大廈當前第16頁\共有72頁\編于星期二\7點上海東方明珠廣播電視塔當前第17頁\共有72頁\編于星期二\7點浦東國際機場候機樓上海大劇院當前第18頁\共有72頁\編于星期二\7點浦東青少年活動中心（平面U型，斜柱，雙塔樓）上海長壽商業(yè)廣場（大底盤雙塔樓，高位轉換）當前第19頁\共有72頁\編于星期二\7點凱旋門大廈星海大廈當前第20頁\共有72頁\編于星期二\7點上海交銀金融大廈北京LG大廈當前第21頁\共有72頁\編于星期二\7點上海九百城市廣場當前第22頁\共有72頁\編于星期二\7點浦東世茂濱江花園浦東香格里拉酒店擴建工程當前第23頁\共有72頁\編于星期二\7點廣州天王中心廣州南航大廈本項目研究獲得廣東省科技進步二等獎當前第24頁\共有72頁\編于星期二\7點

廣州越秀大廈深圳商隆中心當前第25頁\共有72頁\編于星期二\7點

南方電力調度中心樞紐工程（廣州）短肢剪力墻住宅結構當前第26頁\共有72頁\編于星期二\7點廣州國際金融大廈上海仙樂斯廣場當前第27頁\共有72頁\編于星期二\7點砌體結構抗震性能研究底部兩層框架砌體結構抗震試驗研究砌體結構地震倒塌試驗研究當前第28頁\共有72頁\編于星期二\7點樁土結構相互作用研究國家自然科學基金重點項目——樁土結構相互作用研究當前第29頁\共有72頁\編于星期二\7點核安全殼抗震試驗95重點攻關項目—快堆主鈉池堆芯抗震安全評價方法研究（1996—2001）當前第30頁\共有72頁\編于星期二\7點結構控制試驗當前第31頁\共有72頁\編于星期二\7點結構隔震技術研究中日合作項目——25噸鋼結構基礎組合隔震性能研究當前第32頁\共有72頁\編于星期二\7點基礎研究項目——鋼筋混凝土框架減隔震性能研究當前第33頁\共有72頁\編于星期二\7點鋼管拱橋結構抗震試驗研究當前第34頁\共有72頁\編于星期二\7點非結構構件試驗玻化石幕墻抗震試驗當前第35頁\共有72頁\編于星期二\7點模型動力相似理論模型材料研究模型制作技術試驗測試技術數據分析與整理模型試驗結果在原型結構中的應用四、振動臺模型試驗關鍵技術研究當前第36頁\共有72頁\編于星期二\7點模型動力相似理論動力相似理論包括動力模型設計理論、動力模型試驗技術，以及用模型推算原型結構性能等一系列理論與實踐問題。研究表明，對于彈塑性和極限強度模型試驗，若滿足所有相似條件，則結構系統(tǒng)的動力反應，可以相當精確地用縮尺模型來模擬。當前第37頁\共有72頁\編于星期二\7點理論上完全相似的模型是難以實現(xiàn)的：

（1）受振動臺性能的限制（2）受材料性能的限制（3）不能實現(xiàn)對重力加速度的相似變換考慮主要的參數的相似要求，而對另一些次要條件適當放松要求，以實現(xiàn)現(xiàn)有試驗條件下對原型結構較好的模擬。當前第38頁\共有72頁\編于星期二\7點模型的相似關系模型動力相似關系應滿足模型和原型幾何尺寸相似、材料性能相似、荷載相似、模型動力反應相似以及邊界條件的相似條件。相似關系見表。難點在于不同材料的相似匹配。同一模型中的不同材料應滿足相同的相似關系，它們的相似常數應相同。當前第39頁\共有72頁\編于星期二\7點模型材料研究對于高層鋼筋混凝土結構，動力模型材料一般可由微粒混凝土、鍍鋅鐵絲和鐵絲網制作而成，模型的物理特性主要由微?；炷羴頉Q定。經常采用銅、鋁合金以及鋼材來模擬鋼結構。有時也采用有機玻璃制作整體結構模型。樁土結構作用時，可采用砂、黏土甚至人造復合土（或重塑土）模擬土體結構。當前第40頁\共有72頁\編于星期二\7點微?；炷敛牧蠈ξ⒘；炷吝M行了充分深入的研究，在模型施工前，需要做微?；炷良壟湓囼?，以確定具體的級配關系。模型縮比較大時，構件尺寸較小，精度要求較高，對施工有特殊要求。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骨料代替普通混凝土中的砂礫，具有數級連續(xù)級配。施工方法、振搗方式和養(yǎng)護條件都與普通混凝土相同。當前第41頁\共有72頁\編于星期二\7點微?；炷亮W性能與原型混凝土應具有較好的相似性。微?；炷聊Ｐ驮囼灂r可以做到模型開裂甚至破壞，具有試驗現(xiàn)象比較直觀的優(yōu)點。根據多年模型制作經驗，采用有機玻璃板作為外模，這樣既可以使?jié)仓砻嫫秸饣?，又可在澆筑過程中及時發(fā)現(xiàn)問題，保證澆筑密實。微?；炷恋牟牧咸匦砸娤马?。當前第42頁\共有72頁\編于星期二\7點微?；炷翉姸扰c彈性模量關系當前第43頁\共有72頁\編于星期二\7點微粒混凝土強度與彈性模量關系當前第44頁\共有72頁\編于星期二\7點應力應變曲線當前第45頁\共有72頁\編于星期二\7點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度保持一致的相似關系當前第46頁\共有72頁\編于星期二\7點有機玻璃有機玻璃適于彈性模型的制作?？捎糜谘芯繌碗s體形結構動力特性和多遇烈度地震下的反應；有機玻璃的特點是彈性模量低其泊桑比（）也較接近混凝土的泊桑比（）有機玻璃是透明的，在模型制作及加工過程中的任何缺陷都可以立即查出來，從而可及時改正。

當前第47頁\共有72頁\編于星期二\7點有機玻璃的材料特性為1、彈性模量E=2600MPa2、泊桑比3、容重g=1200kg/m34、極限強度為25.6MPa當前第48頁\共有72頁\編于星期二\7點材料屈服強度(MPa)極限強度(MPa)彈性模量(MPa)伸長率(%)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當前第49頁\共有72頁\編于星期二\7點紫銅、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，可以根據模型設計時的不同要求來選擇，一般選彈性模量較低的材料。當前第50頁\共有72頁\編于星期二\7點砌體對于砌體結構模型，則可采用專門制作的小砌塊來砌筑，模型材料的彈性模量、強度等應按相似系數確定。砂漿按相似關系調整，但其灰縫厚度不能太?。辉O計模型時應按砌體結構抗側承載力建立相似關系。當前第51頁\共有72頁\編于星期二\7點土通常采用級配細砂、篩分的粘土以及其他散粒材料拌合的混合物模擬土體；在彈塑性地震反應時，土體與上部結構的非線性程度發(fā)展很難保持一致，在模型設計時應考慮相似關系的變化；具體處理時應根據研究目的有所側重；地震反應前后均應取模型土樣進行檢驗；當前第52頁\共有72頁\編于星期二\7點模型制作技術鋼筋的綁扎型鋼的制作當前第53頁\共有72頁\編于星期二\7點模板的使用內模采用泡沫塑料，這種材料易成型、易拆模，即使局部不能拆除，對模型剛度的影響也很小；將內模切割成一定形狀，形成構件所需的空間布置，綁扎好鋼筋后進行澆筑，邊澆邊振搗密實，每一次澆筑一層，次日安置上面一層的模板及配筋，重復以上步驟，直到模型全部澆筑完成。當前第54頁\共有72頁\編于星期二\7點樁-土-結構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對模型箱的基本要求（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的影響。當前第55頁\共有72頁\編于星期二\7點1.1SPSITestsinUniversityofCalifornia,Berkeley,USA1.2SSITestsinJapan1.3SSITestsinajointresearchbetweenWasedaUniv.andUCSD1.4SSITestsinthisProject（TongjiUniv.)國內外樁-土-結構相互作用模型試驗概況當前第56頁\共有72頁\編于星期二\7點1.1

SPSITestsinUniversityofCalifornia,

Berkeley,USA(1998)FlexibleWallBox當前第57頁\共有72頁\編于星期二\7點ShakingTableModelTestsofSoil-Pile-SuperstructureInteractioninSoftClay當前第58頁\共有72頁\編于星期二\7點1.2SSITestsinJapan(1995-2000)Large-scaleShearBoxoftheSimpleShearType當前第59頁\共有72頁\編于星期二\7點ShakingTableTestofReinforcedEarthRetainingWallwithShearBox當前第60頁\共有72頁\編于星期二\7點ShakingTableTestofSoil-PileInteractionwithShearBox當前第61頁\共有72頁\編于星期二\7點Theexperimentsareconductedusinga5meterlongby1.2meterwidesoil-boxthatis2meterstall.Itisconstructedofsteelwithacrylicwindowpanelsinonesideforviewingthesoilmovement.(2000-2001)1.3jointtestbetween&當前第62頁\共有72頁\編于星期二\7點1.4layeredsoil-structuretestinTongji(1999-2001)Scalefactor

1/20,1/10Layeredsoil

siltyclay,

sandysilt,mediumsandUnidirectionalandbi-directionalexcitation當前第63頁\共有72頁\編于星期二\7點試驗測試技術研究加速度傳感器位移傳感器（接觸式、非接觸式（激光））應變傳感器壓力傳感器（動液壓力、動土壓力、孔隙水壓力等等）當前第64頁\共有72頁\編于星期二\7點數據采集與分析整理STEX3系統(tǒng)（MTS試驗機）傳感器標定白噪聲各類地震波的生成試驗數據的分析整理頻譜分析模型結構參數識別當前第65頁\共有72頁\編于星期二\7點系統(tǒng)標定與控制定期對標準傳感器進行計量標定對振動臺的動態(tài)性能進行標定試驗時先用低幅值白噪聲激勵確定振動臺與試件一體的傳遞函數矩陣；然后用期望地震波時程與傳遞函數矩陣之逆的卷積來控制系統(tǒng)。當前第66頁\共有72頁\編于星期二\7點模擬地震振動臺試驗的激勵波形必須考慮場地類別和地震危險性分析、建筑結構動力特性等因素。試驗時分別根據模型所要求的動力相似關系對原型地震波作修正后，作為模擬地震振動臺的輸入波。輸入波形的加速度幅值根據設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結構的作用。試驗步驟當前第67頁\共有72頁\編于星期二\7點模型結構特性發(fā)生變化時，結構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，