振动台试验方案设计实例.pdf

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1、. . 一、振动台试验方案 1 试验方案 1.1 工程概况 本工程塔楼结构体系为“三维巨型空间框架钢筋混凝土核心筒”结构体系， 主要由 4 个核心筒、钢骨混凝土（ SRC ）外框架、 3 个避难层联系桁架三部分构 成，图 1-2、图 1-3 分别是 B塔结构体系构成示意图和建筑效果图。特别指出的 是本工程在 14、24 楼层的联系桁架的腹杆以及32、48楼层的斜撑为防屈曲支撑 （UBB ）构件。设计指标为小震不屈服，大震屈服耗能。具体位置示意见图1-4。 本 工 程 的 自 振 周 期 约 为6.44秒 ， 超 过 了 建 筑 抗 震 设 计 规 范 (GB-50011-2001) 设计反应谱

2、长为6 秒的规定。本工程存在5 个一般不规则和2 个特别不规则类型， 5 个一般不规则类型分别是扭转不规则、凹凸不规则、刚度 突变、构件间断和承载力突变。2 个特别不规则是高位转换和复杂连接。 1.2 模拟方案 1、模拟方案选择 动力试验用的结构模型必须根据相似律进行设计，模型动力相似律的建立以 结构运动方程为基础，选择若干主要控制参数作为模拟控制的对象，依据 Buckingham的 定理，经无量纲分析导出控制参数的无量纲积，据此确定各控 制参数的相似比率。 结构动力试验的相似模型大致分为四种： （1）弹塑性模型理论上可以重现结构反应的时间过程，使模型和原型的 . . 应力分布一致， 并可模拟

3、结构的破坏。 由于要严格考虑重力加速度对应力反应的 影响，必须满足 Sa=Sg=1 （Sa=模型加速度 / 原型加速度， S g为重力加速度相似系数， 各相似系数之间的关系见表1） ，即模型加速度反应与原型加速度反应一致，这 一要求大大限制模型材料的选择。因为在缩尺模型中，几何比（Sl）很小，在 Sa=Sg=1的条件下，要满足Sa=S E/SlS=1，即 Sl=SE/S，必须使模型材料的弹模 很小或材料密度很大， 弹模小导致模型浇筑困难， 容易损坏； 密度大则要求在模 型材料中加入大量铅粉之类容重大的掺合物。这对大型建筑动力试验模型是难以 办到的。即使弹模或密度满足了相似条件，材料的其他性质如

4、泊松比和阻尼等也 难以满足相似关系， 所以全相似模型只是一种理想化的模型，在实际工程中很难 采用。 （2）用人工质量模拟的弹塑性模型使用原型材料或其他替代材料制作 时，SE自然等于 1 或接近于 1，若要满足 Sa=Sg=1的条件，材料密度需要加大， 故采用人工质量。 人工质量可以产生适当的重力效应和惯性作用，但不影响结构 的刚度、强度和阻尼特性。人工质量若布置得当，可以模拟几何非线性。因此人 工质量模型在地震模拟实验中获得广泛应用，但对于大型建筑物，模型几何比 （Sl）很小，人工质量将大大超过模型本身的质量，而模型各层空间有限，国内 外的绝大多数振动台设备承载能力均难以满足这一要求。因而在模

5、型设计中常加 以改进。 （3）忽略重力效应的弹性模型放弃 Sa=Sg=1 的条件，忽略重力效应，会 使模型反应失真。 在一般情况下， 重力引起的结构效应与水平地震作用效应相比 是较为次要的，特别是在结构反应处于小变形阶段不发生明显几何非线性的情况 下，忽略重力效应不会造成大的误差。由于忽略重力效应的模型中相似比S a1， . . 即振动台要有较大的出力， 而模型的频率则较高， 加载和量测设备要在高频状态 下工作。这种模型对研究弹性状态下的性能比较合适，但本项试验要求模拟结构 在 7 度大震作用下的反应， 结构有可能进入非弹性阶段并产生较大位移。因此不 宜采用忽略重力效应的模型。 （4）混合相似

6、模型使用微粒混凝土材料，采用一定的人工质量尽量减少 忽略重力效应的影响。 微粒混凝土材料的弹模较原型材料小，而泊松比和阻尼等 特性与原型材料相近。 2、模拟方案确定 本试验选用混合相似模型的设计方案是较为理想的。由前述分析可知，结构 模型振动台试验的相似关系是根据运动基本方程建立的，相似关系应满足 质点运 动平衡方程式相似 、边界条件相似 和运动初始条件相似 。相似关系可采用量纲分 析法求得。对于结构的地震反应问题，可表述为如下函数关系： ( , , , , ,)f l Et u v a g 式中：为结构反应应力，l为结构构件尺寸，E为构件的弹性模量，为构件 的质量密度， t 为时间， u 为

7、结构反应变位， v为结构反应速度， a为结构反应加 速度， g 为重力加速度，为结构自振圆频率。 取l, E, a三者为基本量，其余各量均可以此为基础按照量纲分析的原理表 示为l, E , a的幂次单项式。 定义 A在原型结构中的数值为 y A ，在模型中的数值 为 m A，那么在模型设计中量A的相似比为 ym AA /SA。若使模型试验能模拟原 型结构的地震反应，各量的相似比必须满足表1-1 中的公式条件。 一般情况下，振动台试验是模型试验，要做到所有物理量完全相似是十分困 难的，甚至是不可能的。 因此在实际试验中只能要求保证主要的物理量相似，不 . . 能要求所有的物理量都严格相似。 根据

8、表 1-1（模型 / 原形=1/35）模型与原型的相似关系，根据振动台的承载 能力，同时估算模型重量后， 对模型配重进行初步验算。 其中弹性模量的相似关 系需根据模型材料试块的测试结果加以调整。 表 1-1 模型与原型的相似关系（几何比：模型/ 原型=1/35） 相似系数符号公式比值（模型 / 原型） 尺寸Sl模型 l/ 原型 l 1/35 弹性模量SE 模型 E/原型 E 1/4.0 加速度Sa Sa= SE S l 2/ S m 2.245 质量Sm 模型 m/原型 m 1/11000 时间St St = a l s s 0.1128 频率Sf Sf=1/ S t 8.8641 速度Sv

9、S v = alS S 0.2533 位移Su Su = l S 1/35 应力 S ESS 1/4.0 应变S1S1 刚度Sk lamk SSSS/0.0071 阻尼Sc lamc SSSS/0.00081 1.3 模型设计及模型材料 模型比例选用 1/35，依据相似理论进行模型设计。 在模型设计、 制作过程中 与甲方和设计单位进行34 次讨论和确认。 1）模型混凝土 . . 模型用 微粒混凝土制作， 材料为水泥沙浆。水泥为425R号硅酸盐水泥，骨 料为粗砂和细砂。选用不同配合比使微粒混凝土达到不同的强度等级和弹性模 量，以模拟原型 C30 C60混凝土。 在模型制作过程中同时浇注规定数量的

10、砂浆立方体试块和棱柱体试块以测 定微粒混凝土材料的强度和弹性模量。试块和模型同时养护。 材料性能试验在广 州大学广东省重点实验室（教育部、科技部共建重点实验室）进行。弹性模量的 测定是将棱柱体试块（尺寸70.7mm 70.7mm 240mm ）置于 10t 标准压力试验机上 进行重复加载。使用荷载传感器、 千分表测荷载和变形， 然后绘出应力变形曲线， 重复进行加载和卸载， 直到曲线的残余变形不再增长为止，加载和量测按照 混 凝土结构试验方法标准 （GB5015-92 ）的要求进行。 2）模型钢筋 模型钢筋采用回火镀锌铁丝。 根据刚度条件选用直径为22 8等多种规格 的回火镀锌铁丝。 根据模型和

11、原型配筋率相似的原则进行模型配筋，并满足构造 要求。 3）模型型钢 对型钢的模拟采用刚度相似原则，梁柱型钢、 型钢混凝土内型钢及支撑型钢 （包括工字型、十字型和箱型）用不同厚度的薄钢板（或紫铜）焊接而成，模拟 实际工程中不同截面的型钢。 4）模型钢结构 对模型内连杆、梁、柱等钢结构构件，采用刚度相似的原则设计，选用成品 钢结构构件（或紫铜构件）加工成形。 . . 5）模型钢管混凝土 模型钢管混凝土采用钢管 （或紫铜管）微粒混凝土来制作。 钢管（或紫铜管） 内灌注微粒混凝土， 微粒混凝土中加入膨胀剂以防止钢管（或紫铜管） 与混凝土 之间离析。根据钢管（或紫铜管）混凝土构件整体刚度相似原则，尽量兼

12、顾模型 的强度相似， 选择不同壁厚和直径的钢管 （或紫铜管） 和不同配合比的微粒混凝 土。在模型制作前，先进行小比例的构件试验，确定材料的刚度和强度。 6）防屈曲支撑模拟 防屈曲支撑（ UBB ）初步拟定小震作用下按刚度相似来模拟，大震时考虑换 一批 UBB ， 按阻尼相似模拟。 具体模拟方案还要与设计方及制作方沟通协商确认。 1.4 测点布置 测点的布置主要考虑测试模型的动力特性、结构的地震反应以及关键部位的 受力情况和弹塑性变形情况。 因此，需要在适当部位布设加速度传感器、位移传 感器及应变片。 1.4.1 测点布置原则 1）模型动力特性的测试 由于在振型分析中只需加速度数据，在测点布置上

13、可仅布置加速度传感器。 测点主要分布在结构模型两个水平主振型方向上，中间点（A点）主要用于单方 向主振型的测试，外围点（F点）主要用于空间扭转振型的测试。 2）模型结构地震反应的测试 为了解结构模型在X、Y、Z 三个方向上的地震反应情况，加速度传感器和位 移传感器沿结构的三个方向布置。在 A点布置加速度传感器及位移传感器。同时 . . 为了考虑结构的扭转效应，在F 点布置位移传感器。 加速度传感器及位移传感器沿结构高度布置，测点的竖向分布间距以反映结 构模型的整体情况为原则。 3）应变测点的布置 应变测点布置在重点观测的柱、梁的杆件上，具体布置根据计算结果，并与 设计方商讨确定， 监测重点部位

14、的受力情况和弹塑性变形情况。 1.4.2 测点布置方案 结构测点的平面及竖向布置图见图1-6、1-7。模态测试及地震反应测试用加 速度传感器测点布置方案见表1-2，共有 74 个通道。 应变测点布置在结构复杂连接、转换桁架、主要受力构件、以及防屈曲支撑 构件等处。 具体布置方案将根据计算结果与设计方商讨后确定。 1.5 试验工况及顺序 在进行结构地震反应试验之前，先进行结构的模态测试，分别在X、Y、Z 三个方向输入白噪声， 测定结构震前的动力特性， 为了保证模型在弹性变形范围 内，白噪声的加速度幅值采用0. 05g 。模态测试工况见表1-3。 表 1-3 模态测定试验工况 试验序号输入地震波输

15、入方向输入加速度峰值 (g) 1 白噪声（ 0.140Hz）X 0.05 2 白噪声（ 0.140Hz）Y 0.05 3 白噪声（ 0.140Hz）Z 0.05 在每个地震水准试验前后， 各输入一次白噪声用以测定结构动力特性的变化 情况。 . . 在多遇地震作用下 ，分别按甲方提供的人工波1、天然波 1、天然波 2 三个 地震波进行 X向、Y向和 Z向的单向输入，以便用来与按建筑抗震设计规范 弹性计算的结果进行比较和验证。 然后再进行最危险方向74度方向输入和 X+Y+Z 三向输入。模型试验工况及顺序见表1-4。 在设防烈度地震作用下 ，分别进行 X向和 Y向单向输入， 以便与结构动力弹 塑性

16、时程分析结果进行比较。 然后进行 X+Y+Z三向输入。模型试验工况及顺序见 表 1-5。 在罕遇地震作用下， 根据前面的实验选用最不利地震波，分别进行X向和 Y 向单向输入和 X+Y+Z三向输入，以便与结构动力弹塑性时程分析结果进行比较。 模型试验工况及顺序见表。 表 1-2 多遇地震试验工况及顺序 试验序号输入地震波输入方向输入加速度峰值（ g） 4 人工波 1 X 0.06 5 天然波 1 X 0.06 6 天然波 2 X 0.06 7 人工波 1 Y 0.06 8 天然波 1 Y 0.06 9 天然波 2 Y 0.06 10 人工波 1 Z 0.06 11 天然波 1 Z 0.06 12

17、 天然波 2 Z 0.06 13 白噪声（ 0.140Hz）X+Y+Z 0.05 . . 14 人工波 1 74 度方向0.06+0.85 0.06 15 天然波 1 74 度方向0.06+0.85 0.06 16 天然波 2 74 度方向0.06+0.85 0.06 17 白噪声（ 0.140Hz）X+Y+Z 0.05 18 人工波 1 X+Y+Z 0.06+0.85 0.06+0.65 0.06 19 天然波 1 X+Y+Z 0.06+0.85 0.06+0.65 0.06 20 天然波 2 X+Y+Z 0.06+0.85 0.06+0.65 0.06 21 白噪声（ 0.140Hz）X+Y+Z 0.05 单纯的课本内容，并不能满足学生的需要，通过补充，达到内容的完善 教育之通病是教用脑的人不用手，不教用手的人用脑，所以一无所能。教育革命的对策是手脑联盟，结果是手与脑的力量都可以大到不可思议。