土動(dòng)力學(xué)4-3課件

第四章土的動(dòng)力指標(biāo)及其測(cè)定第五節(jié)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)5/12/2024土動(dòng)力學(xué)大型振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)是近十多年發(fā)展起來(lái)用于土的液化勢(shì)研究的室內(nèi)大型動(dòng)力試驗(yàn)設(shè)備。它具有以下優(yōu)點(diǎn)：1、可以通過(guò)電液伺服機(jī)構(gòu)最大限度地模擬地震波的作用，使土層在輸入的水平加速度作用下受剪。2、可以彌補(bǔ)小型試驗(yàn)中難以克服的問(wèn)題。3、可以利用大試樣模擬天然土層的應(yīng)力條件。4、可以減少小型儀器的“邊界效應(yīng)”影響。5/12/2024土動(dòng)力學(xué)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)在抗震研究中的作用研究結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性、破壞機(jī)理和震害原因驗(yàn)證抗震設(shè)計(jì)理論和計(jì)算模型的正確性研究動(dòng)力相似理論檢驗(yàn)產(chǎn)品的抗震性能為結(jié)構(gòu)抗震靜力試驗(yàn)提供依據(jù)5/12/2024土動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)設(shè)計(jì)應(yīng)考慮的因素試驗(yàn)結(jié)構(gòu)的周期結(jié)構(gòu)所在場(chǎng)地條件振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面的輸出能力5/12/2024土動(dòng)力學(xué)在正式的試驗(yàn)前，采用自由振動(dòng)法或脈動(dòng)法量測(cè)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性裝上模型后，可采用小振幅的白噪聲輸入進(jìn)行激振試驗(yàn)或采用正弦波輸入的連續(xù)掃描，通過(guò)共振法測(cè)得動(dòng)力特性5/12/2024土動(dòng)力學(xué)建筑結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性主要包括結(jié)構(gòu)的自振頻率、阻尼系數(shù)、振型等基本參數(shù)。這些參數(shù)稱為動(dòng)力特性參數(shù)或振動(dòng)模態(tài)參數(shù)這些參數(shù)由結(jié)構(gòu)形式、質(zhì)量分布、結(jié)構(gòu)剛度、材料性質(zhì)、構(gòu)造聯(lián)結(jié)等因素決定，與外荷載無(wú)關(guān)5/12/2024土動(dòng)力學(xué)振型測(cè)量結(jié)構(gòu)上各點(diǎn)在振動(dòng)時(shí)的位移、速度和加速度都是時(shí)間和空間的函數(shù)在某一固有頻率下結(jié)構(gòu)振動(dòng)時(shí)各點(diǎn)的位移呈現(xiàn)一定的比例關(guān)系5/12/2024土動(dòng)力學(xué)將此時(shí)結(jié)構(gòu)各點(diǎn)的位移連接起來(lái)，即形成一定形式的曲線，這就是結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)于某一固有頻率的不變的振動(dòng)形式，稱為振型采用自由振動(dòng)法或強(qiáng)迫振動(dòng)法測(cè)量結(jié)構(gòu)的振型時(shí)，可在結(jié)構(gòu)的不同部位布置傳感器，根據(jù)同一時(shí)刻不同部位的振動(dòng)幅值來(lái)確定結(jié)構(gòu)的振型5/12/2024土動(dòng)力學(xué)結(jié)構(gòu)反應(yīng)量測(cè)主要量測(cè)結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的位移和加速度反應(yīng)測(cè)點(diǎn)布置在產(chǎn)生最大位移或加速度部位5/12/2024土動(dòng)力學(xué)加載過(guò)程一次性加載多次性加載動(dòng)力特性試驗(yàn)振動(dòng)臺(tái)輸入運(yùn)動(dòng)加大臺(tái)面運(yùn)動(dòng)繼續(xù)加大臺(tái)面運(yùn)動(dòng)輸入破壞性動(dòng)載5/12/2024土動(dòng)力學(xué)為了確保試樣在受振過(guò)程中處于“自由場(chǎng)”狀態(tài)，試樣的長(zhǎng)高比>10。振動(dòng)荷載必須是接近于地震時(shí)剪切波自基巖向上垂直輸入的情況。必須控制試樣的均勻性和代表性。應(yīng)根據(jù)實(shí)際效果選用砂雨法、振密法、填搗法、沉積法等。5/12/2024土動(dòng)力學(xué)超載壓力增加時(shí)，引起飽和砂樣所需的循環(huán)次數(shù)也增加?？挂夯枇﹄S加速度幅值的增大而減小。振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)的缺點(diǎn)在于制備大型試樣極不經(jīng)濟(jì)，而且不同的制備方法所造成的差異反映在應(yīng)力比上可差200%。5/12/2024土動(dòng)力學(xué)5/12/2024土動(dòng)力學(xué)實(shí)例一、神戶碼頭地震模擬試驗(yàn)5/12/2024土動(dòng)力學(xué)5/12/2024土動(dòng)力學(xué)5/12/2024土動(dòng)力學(xué)5/12/2024土動(dòng)力學(xué)5/12/2024土動(dòng)力學(xué)5/12/2024土動(dòng)力學(xué)5/12/2024土動(dòng)力學(xué)5/12/2024土動(dòng)力學(xué)5/12/2024土動(dòng)力學(xué)5/12/2024土動(dòng)力學(xué)振動(dòng)波形：正弦波激振頻率：5Hz、10Hz激振加速度：250～800gal5/12/2024土動(dòng)力學(xué)平均粒徑d50:0.17mm不均勻系數(shù)Cu：1.39孔隙比：非液化層0.62~0.71基底土0.62,0.90,0.92,0.97,1.00,1.06

5/12/2024土動(dòng)力學(xué)5/12/2024土動(dòng)力學(xué)5/12/2024土動(dòng)力學(xué)5/12/2024土動(dòng)力學(xué)5/12/2024土動(dòng)力學(xué)5/12/2024土動(dòng)力學(xué)變形破壞機(jī)理地基模型的運(yùn)動(dòng)以側(cè)向位移為主，位移方向朝向離岸方向，表明重力作用是地基運(yùn)動(dòng)的主要影響因素。擋土墻在振動(dòng)液化過(guò)程值的變形破壞主要取決于基底土和墻后填土的動(dòng)力特性由于墻后填土在振動(dòng)過(guò)程中的收縮特性，僅僅基底土起著抵抗墻體運(yùn)動(dòng)的作用。5/12/2024土動(dòng)力學(xué)隨著超靜水壓力的增加，基底土的強(qiáng)度降低，并在墻趾附近產(chǎn)生局部液化，使擋土墻失去穩(wěn)定。墻后動(dòng)土壓力的增加，為擋土墻的運(yùn)動(dòng)提供了條件。墻后液化土層在重力作用下隨著擋土墻一起產(chǎn)生側(cè)向流動(dòng)。5/12/2024土動(dòng)力學(xué)結(jié)論墻后填土在遠(yuǎn)離擋土墻的區(qū)域迅速液化，而靠近擋土墻的地方超靜水壓力增加很慢，說(shuō)明墻后礫石層能夠起到減低液化趨勢(shì)的作用。地基模型的運(yùn)動(dòng)以側(cè)向位移為主，位移方向朝向離岸方向，表明重力作用是地基運(yùn)動(dòng)的主要影響因素。基底土的強(qiáng)度降低和局部液化是擋土墻變形破壞的主導(dǎo)因素，墻后動(dòng)土壓力的增加，為擋土墻的運(yùn)動(dòng)提供了條件。5/12/2024土動(dòng)力學(xué)實(shí)例二、上海東方明珠廣播電視塔振動(dòng)試驗(yàn)

1：505/12/2024土動(dòng)力學(xué)模型和原型的主要相似關(guān)系物理量相似系數(shù)相似值長(zhǎng)度Sl1/50密度Sρ6.975彈性模量SE0.5質(zhì)量Sm5.58×10-5時(shí)間St0.075頻率Sf13.39速度Sv0.267加速度Sa3.58模型質(zhì)量373.94kg附加鉛塊4056.06kg5/12/2024土動(dòng)力學(xué)測(cè)試內(nèi)容包括加速度、位移和應(yīng)變反應(yīng)試驗(yàn)?zāi)康氖茄芯磕Ｐ退淖哉耦l率、振型、阻尼和在多遇7、8、9度，罕遇7、8度地震作用下結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)、破壞現(xiàn)象和破壞機(jī)理按相似關(guān)系推算原型塔的地震反應(yīng)和抗震性能根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康倪x用三類地震波：根據(jù)地震危險(xiǎn)性分析得到的人工地震波、天然地震記錄波和擬合規(guī)范反應(yīng)譜的人工地震波5/12/2024土動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果振型12345頻率2.6043.9068.46413.0217.58阻尼比0.0300.0300.0250.0180.0305/12/2024土動(dòng)力學(xué)模型位移包絡(luò)圖5/12/2024土動(dòng)力學(xué)實(shí)例三

上海凱旋門大廈模型振動(dòng)試驗(yàn)

1：255/12/2024土動(dòng)力學(xué)模型相似系數(shù)物理量相似系數(shù)物理量相似系數(shù)長(zhǎng)度1/25應(yīng)變1頻率11.19質(zhì)量6.4×10-5密度1位移1/25彈性模量1/5加速度5.05/12/2024土動(dòng)力學(xué)輸入地震波型EL-CENTRO地震記錄波PASADENA地震記錄波根據(jù)地震危險(xiǎn)性分析得到的人工地震波應(yīng)變測(cè)點(diǎn)共25個(gè)，分別布置在1、6、25、26、27層柱和6、25、26、27層梁上加速度測(cè)點(diǎn)共21個(gè)5/12/2024土動(dòng)力學(xué)模型動(dòng)力特性模型的振型形式與計(jì)算機(jī)對(duì)原型的計(jì)算結(jié)果基本一致扭轉(zhuǎn)頻率旁都伴有平動(dòng)頻率，這一現(xiàn)象將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)在地震動(dòng)下容易引發(fā)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)輸入地震波時(shí)自振頻率下降，結(jié)構(gòu)剛度改變，表明模型出現(xiàn)了微裂縫地震結(jié)束時(shí)自振頻率增高，說(shuō)明部分裂縫閉合，鋼筋又進(jìn)入彈性階段5/12/2024土動(dòng)力學(xué)加速度反應(yīng)結(jié)構(gòu)東、西塔樓加速度反應(yīng)不一致模型開(kāi)裂后，在兩塔樓中部加速度反應(yīng)較大，且隨著開(kāi)裂程度的加深，加速度反應(yīng)越來(lái)越大根據(jù)相似關(guān)系，可得原型結(jié)構(gòu)自振頻率。前三階頻率與場(chǎng)地卓越頻率較近，可能發(fā)生共振，且第三頻率為扭轉(zhuǎn)頻率，易引起結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)破壞5/12/2024土動(dòng)力學(xué)位移與應(yīng)變模型頂部，東西兩側(cè)位移基本接近。兩塔樓中部，東西兩側(cè)位移相對(duì)較大。說(shuō)明扭轉(zhuǎn)反應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)頂部作用不大，而對(duì)塔樓中部影響很大兩塔樓之間相對(duì)位移反應(yīng)較大頂點(diǎn)最大位移X方向350mm，Y方向559mm。相應(yīng)的總位移角分別為1/303，1/190。都滿足規(guī)范要求柱的最大應(yīng)變出現(xiàn)在底層柱，在基本地震烈度下該點(diǎn)已微裂，在罕遇地震烈度下該點(diǎn)已裂開(kāi)。局部彎曲引起的應(yīng)變約為整體彎曲引起的應(yīng)變的50%梁的最大應(yīng)變出現(xiàn)在26層過(guò)街樓大梁處，在基本地震烈度下該點(diǎn)接近微裂，在罕遇地震烈度下該點(diǎn)已裂開(kāi)。5/12/2024土動(dòng)力學(xué)破壞部位在多遇地震作用下，結(jié)構(gòu)基本處于彈性階段，僅部分構(gòu)件出現(xiàn)微裂，設(shè)計(jì)滿足規(guī)范要求在基本烈度地震作用下，結(jié)構(gòu)開(kāi)裂，塔樓處部分柱鋼筋屈服，但結(jié)構(gòu)不會(huì)整體倒塌，設(shè)計(jì)基本滿足規(guī)范要求在罕遇地震作用下，結(jié)構(gòu)普遍開(kāi)裂，塔樓處嚴(yán)重破壞，局部喪失承載力由于模型相似設(shè)計(jì)時(shí)，忽略了重力加速度作用，所以原型結(jié)構(gòu)的實(shí)際震害將更嚴(yán)重5/12/2024土動(dòng)力學(xué)門式結(jié)構(gòu)不利于抗震結(jié)構(gòu)剛度在門洞處發(fā)生突變?cè)摻Y(jié)構(gòu)開(kāi)裂后自振頻率下降高振型與場(chǎng)地卓越周期頻率合拍結(jié)構(gòu)為一開(kāi)口薄壁桿，抗扭性能差結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)頻率附近都有平動(dòng)頻率，易引發(fā)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)5/12/2024土動(dòng)力學(xué)結(jié)構(gòu)薄弱部位6-11層柱25、26層門洞處柱、梁12層以下梁底部剪力墻、柱5/12/2024土動(dòng)力學(xué)模型試驗(yàn)結(jié)果比計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果大對(duì)于剪切變形，頻率增大40%對(duì)于整體彎曲變形，則剛度和頻率將增77.3%更多實(shí)際上，試驗(yàn)值比計(jì)算值平均大77.3%5/12/2024土動(dòng)力學(xué)由于模型試驗(yàn)結(jié)果與有限元計(jì)算結(jié)果相差較大，為此對(duì)建成后的大廈進(jìn)行了自振特性測(cè)試分三段布置速度傳感器測(cè)點(diǎn)第一段測(cè)點(diǎn)為30、25、20層第二段測(cè)點(diǎn)為20、15、10層第三段測(cè)點(diǎn)為10、6、1層5/12/2024土動(dòng)力學(xué)分析結(jié)果振型號(hào)振型形式實(shí)測(cè)自振頻率模型試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算結(jié)果自振頻率誤差%自振頻率誤差%1南北0.5570.63413.820.335-39.862東西0.7230.92427.800.499-30.983扭轉(zhuǎn)0.9381.073