结构检验 结构抗震实验方法 第三章

1、第三章第三章 地震模拟振动台实验方法地震模拟振动台实验方法 赵均海赵均海 教授教授3.1 3.1 引引 言言地震模拟振动台可以很好的再现地震过程和进行人工地震的实验，它是实验室中研究结构地震反应和破坏机理的最直接方法 (视频)这种设备还可以用于研究结构动力特性、设备抗震性能以及检验结构措施等内容，是目前抗震研究中的重要手段之一。振动台有一维 、 二 维 和 三 维 的 ， 台 面 尺 寸 从0.8m0.5m16m16m不等，频率范围根据用途不同可以从01000Hz不等。3.2 3.2 地震模拟振动台的发展状况地震模拟振动台的发展状况地震模拟振动台始建于20世纪60年代末的美国Berkley加州

2、大学，它6.1m6.1m的水平、垂直两向振动台。随后日本国立防灾科学技术中心建成了当时世界上最大的15m15m水平或垂直单独工作的地震模拟振动台。到目前为止，根据文献1，2和最近有关资料的不完全统计，国际上已经建成了近百座地震模拟振动台(见表3-13-4)，主要分布在日本、中国和美国三个国家，其中日本拥有的振动台规模最大、数量最多。中国的地震模拟振动台规模和数量也相当可观。其余的一部分地震模拟振动台分布在其它有地震的国家，如墨西哥、加拿大、法国、英国、葡萄牙、伊朗、前南斯拉夫、前苏联、意大利、罗马尼亚、希腊和德国等。根据地震模拟振动台的承载能力和台面尺寸，振动台基本可以分成三种规模，既小型的承

3、载能力为10t以下，台面尺寸在2m2m之内；中型的一般承载力在20t左右，台面尺寸在6m6m之内；而大型地震模拟振动台的承载力可达数百吨以上。目前国际上正在建造的最大振动台台面尺寸为15m25m，我国正在建造的最大振动台台面为6m6m或者更大。从表3-13-4可以看到，多数地震模拟振动台的规模是属于中型的，既台面尺寸在2m2m6m6m之间，建造这样规模的地震模拟振动台从投资、日常维护和能源消耗三方面考虑都是比较合理的。从驱动方式来看，大部分模拟振动台都采用电液伺服方式，即采用高压液压油作为驱动源，这种方式具有出力大、位移行程大、设备重量轻等特点。一部分小型振动台采用电动式的。从激振方向来看单项

4、和双向的较多，但是随着科学技术的发展和抗震研究水平的提高，三向模拟振动台不断增多。其中一部分是将原有的单向或双向振动台改造成三向振动台。关于地震模拟振动台的使用频率一般是050Hz，个别有特殊要求的震动台可达100Hz以上。振动台的位移幅值一般在100mm以内，速度在80cm/s之内，加速度可达2g。从模拟控制方式分主要有两种，一种是以位移控制为基础的PID控制方式，另一种是以位移、速度和加速度组成的三参量反馈控制方式。地震模拟振动台的数控方式主要还是采用开环迭代进行台面的地震波再现。目前新的自适应控制方式已经在电液伺服控制中有所应用，对于地震模拟振动台主要有三种方式：一种是在PID控制基础上

5、进行的连续矫正PID5,6；另外两种是在三参量反馈控制的基础上建立的自适应逆控制方法和联机迭代法7。模拟地震振动台作为抗震研究的重要实验设备已经经历了四、五十年的发展，在承载能力、运动参数、控制自由度、控制技术、实时波形再现以及数据的采集及数据处理方面都得到了长足的进步。目前我们应用的地震模拟振动台主要有以下特点：(1)载重和台面尺寸越来越大，一般都具有三向振动、六个自由度控制。为了能应用于原子能设施的抗震试验，其运动参数，如加速度、速度、行程位移都有所增大，为此泵源动力大大提高。(2)控制方式以散参量闭环多自由度控制为基本控制方式，但在控制中增加了自适应去谐波控制(ACH)自适应反函数控制(

6、AIC)和实时迭代控制(OLI)，使控制的波形更好，波形迭代更快，效率更高。(3)计算机系统CPU采用大量生产的Intel-Pentium处理器，计算机系统由原来的小型机种改为商用的PC机，其他外部设备也采用通用配置。总的来说，硬件成本大幅度下降。(4)以窗口操作系统支持的地震试验和数据采集，分析软件包是试验数据能够容易、快捷输到其它存储媒体上，以便在广泛使用的PC机上进行各种分析操作。地震波的波形和谐的再现由采用迭代修正输入波形的离线迭代方式，发展为实时修正控制回路的一个补偿滤波器硬件，使得期望的地震波形和反应谱能够在线的得以实现。3.3 地震模拟振动台的设计和建造地震模拟振动台的设计和建造

7、地震模拟振动台是一项复杂的高技术产品，它的设计和建造涉及到土建、机械、液压传动、电子技术、自动控制和计算机技术等。地震模拟振动台作为一个复杂的系统主要由如下几个部分组成：台面和基础，高压油源和管路系统，电液伺服作动器，模拟控制系统，计算机控制系统和相应的数据采集处理系统。图3-1为地震模拟振动台系统的示意图，图3-2为地震模拟振动台各组成部分。图图 3-1 地震模拟振动台系统示意图地震模拟振动台系统示意图 (a)台面和基础(b)高压油源和管路系统 (c)电液伺服作动器(d)控制系统和数据 采集处理系统图图3-2 地震模拟振动台各组成部分地震模拟振动台各组成部分3.3.1 振动台的主要技术参数振

8、动台的主要技术参数振动台最主要的技术参数是激振力和使用频率范围，这些参数在很大程度上取决于作动器的工作性能。合理地选择这两个参数使地震模拟振动台既满足实验要求，又能节省投资是十分重要的。建筑结构的原材料特性和构造要求决定了其模型实验时的几何相似比Se不宜过小，一般不小于l/10，当实验研究内容进入到弹塑性范围时，这个相似比还应大一些(否则尺寸效应的影响可能非常严重)。根据结构模型的相似要求，振动台的再现加速度和实际加速度之比为Sa=1。按照目前国家抗震设计规范规定；度地震区的最大加速度为0.4g，因此振动台能在最大荷载下达到3倍最大加速度(1.2g)就具有较大的加速度裕量了，据此可以算出作动器

9、的最大激振力(等于加速度与整个运动质量的乘积)。而振动台的频率上限是由伺服阀特性和系统流量控制的，从模型方面考虑，多数情况下模型的频率相似比 ，可见如果模型的几何相似比为l/10，那么振动台在满载时上限频率不应低于33Hz。所以使用频率的选择必须适当，过高地要求上限频率就必须加大伺服阀和油泵的流量，从而导致投资增加；目前多数振动台的使用频率范围是050Hz。能够综合反映地震模拟振动台激振力和频率特征的是最大功能曲线，如图3-3所示。图图3-3 作动器最大功能曲线（作动器最大功能曲线（A表示空载、表示空载、 B表示半载、表示半载、C表示满载表示满载）(该曲线为哈尔滨建筑大学3m4m地震模拟振动台

10、作动器的最大能曲线)。最大功能曲线全面反映了位移、速度、加速度、频率和荷载之间的关系。当台面负荷减小时（C-A），则可以提高输入加速度；当要提高振动台的频率时，则台面的位移幅值就要减小；同样在低频情况下要想获得较大的加速度也不现实，除非增加投资采用能力更大的作动器。3.3.2 台面与基础台面与基础振动台的台面需要有足够的刚度和承载力，以便台面的自振频率能够避开振动台的使用频率范围，不至于造成系统的共振。一般要求台面的一阶弯曲频率高于 倍的使用频率上限，这样基本可以保证台面自身的动力特性不影响振动台的波形再现精度。振动台的台面应当尽可能地轻，这样可以获得更大的台面承载力或者说获得更大的激振加速度

11、。当然台面的自重减小会造成试件动力特性对振动台系统特性影响更加敏感，这个问题目前可以通过模控和数控技术进行补偿来解决。另外，从理论上讲，当台面满载时，台面的自振频率会降低，但根据使用经验证实，由于台面和模型之间几乎是刚性联接，试件和台面组成了一个整体，所以此时台面的频率不仅不降低，反而有所提高。 图3-4 振动台台面从材料方面来考虑，振动台的台面应当重量轻、刚度大，铝材料可能是最适合的材料，因为铝材密度小，局部刚度也很高。但是从经济性来考虑钢结构的台面是最广泛应用的。大多数的振动台台面是采用钢板焊接而成的格栅结构，如图3-4所示地震模拟振动台的基础设计处理是十分重要的，如果设置不合理会对人身和

12、建筑物造成严重影响，这方面的例子是有的。目前基础设计的主要依据是根据基础振动对人、建筑物影响的定量分区曲线进行的。研究结果表明，振动台低频段的激振力主要由土壤抵抗，而20Hz以上的较高频率激振力主要由基础的质量作用抵消，基础与台面的加速度比值恰好等于台面(包括试件在内)质量与基础质量的比值。如果基础的最大加速度为0.005g，则基础的最小重量应等于20倍的最大激振力。通常是选择最大台面重量(包括试件)的2050倍作为基础的重量。基础越大则振动台的相对运动越小，振动台的性能就越好。在共振区基础的振幅较大，为了减小振幅，只有提高基础的阻尼比，然而土壤能够提供给基础的阻尼是非常有限的，所以合理地选择

13、基础的几何形状，增大基础的几何阻尼是一条有效的途径。采用浅而大的基础将可以有效地增大几何阻尼。另一个问题是地震模拟振动台的工作频率范围比较宽，基础的自振频率一般都处于振动台的工作频率范围内，这是基础设计无法避免的。当振动台输入随机波时问题不大，当进行周期振动或扫频实验时，可能产生较严重的共振问题。3.3.3 液压源及管路液压源及管路如果按照地震波的最大速度值来设计液压泵站的流量，那么需要采用较大流量的液压泵站。地震过程是一个短时间的脉冲过程，而较大流量的液压泵站将会造成很大的能源浪费，这样作既不经济也不合理。目前的做法是采用较小的液压泵站(见图3-2(b)，利用大型蓄能器来提供给作动器瞬时所需

14、的巨大能量10。一般的地震波持时是在lmin之内，这样就为采用大型蓄能器进行压力补偿提供了可能，在容许的压力下降范围内，蓄能器提供大的流量，而液压泵站可以是小流量的，这种供油方法是地震模拟振动台比较经济的供油方式。液压管路主要用于将油泵与作动器联系起来,为作动器提供高压油，一般是用钢管(见图3-2(b)将高压油引到作动器附近，再用软管与作动器联接起来；需要注意的是软管不宜太长，否则在实验过程中软管可能产生振动，严重时将造成管路损坏。3.3.4 振动台的技术指标振动台的技术指标评价振动台的性能有许多技术指标11，对于单水平向的地震模拟振动台应着重考虑的是如下几项：加速度波形失真度，加速度竖向分量

15、，台面主震方向的加速度不均匀度，横向加速度分量，背景噪声和地震波再现能力。表3-5为一单水平向3m4m地震模拟振动台的实测结果12。表表3-5 振动台技术指标测试结果振动台技术指标测试结果关于主震方向的加速度不均匀度国内一般规定在20%以内，美国要求小于10%，而日本则要求小于5%(避开局部共振)。对于横向加速度分量国内规定是小于20%，一些振动台的实测结果也是在15%左右。美国MTS公司、日本三维振动设施委员会和德国SCHENCK公司均要求横向加速度分量小于5%，但是实现这个数值还是有一定困难的。背景噪声定义为振动台输入信号为零时，由于油源振动以及电路噪声等造成的台面加速度反应，一般是用信噪

16、比来表示。国内一般要求信噪比大于50dB，而美国MTS公司和日本规定背景噪声指标应小于最大功能的l%，德国SCHENCK公司提出小于0.015g。但是这些规定均存在一些问题，一般抗震实验中使用的地震波最大加速度在0.3g左右，如果按这个数值考虑则信噪比的数值就较小，噪声对实验的影响增大了。 地震波的再现能力是振动台的一项重要技术指标，但它在概念上比较笼统，没有具体的标准，一般是通过台面再现的波形和期望的波形进行比较来判断。3. 4 控制系统与控制方法控制系统与控制方法3.4.1 模拟控制模拟控制地震模拟振动台的控制系统主要由两部分组成，一部分是模拟控制部分，另一部分是数控部分。也有设备公司新开

17、发了一种控制软件，即在期望信号的基础上生成一个具有给定误差的上下波形包络，当再现信号位于包络之中时即认为波形再现满足要求；这种方法对于小型振动台可以使包络与期望加速度波形的误差小于3%。模拟控制的方法目前主要有两种：一种是采用位移反馈控制的PID控制方法，同时利用压差反馈作为提高系统稳定的补偿，德国SCHENCK公司就是采用这种方法；另一种方法是将位移、速度和加速度共同进行反馈的三参量反馈控制方法，美国MTS公司就是采用这种控制方法。图3-5是采用PID控制方式的单作动器驱动的振动台系统框图，文献13对这种控制方式下的单向地震模拟振动台进行过较详细的分析讨论。图3-6是采用三参量反馈控制的单作

18、动器振动台系统。图3-5和图3-6只是用于单向振动台的单作动器控制回路，对于一般的三向地震模拟振动台，其模拟控制系统是相当复杂的，既要考虑到两个水平方向X和Y的独立控制，又要能够解决交叉耦合的影响，对于垂直方向z也存在相同的问题。图图3-5 PID控制方式的振动台系统控制方式的振动台系统图图3-6 三参量控制方法的振动台系统三参量控制方法的振动台系统多数情况下每个水平方向都是用两个作动器驱动的；与单个作动器相比，双作动器驱动主要是二者的同步问题，目前主要采用两种方法来控制双作动器，一种称为大闭环反馈法，另一种称为单独闭环反馈法，如图3-7所示。图图3-7 双作动器的两种同步控制方法双作动器的两

19、种同步控制方法大闭环控制方法的优点是调整方便，因为形式上双作动器的控制相当于一个单独的作动器；而单独闭环控制方法的优点是两个作动器相互之间的影响较小，但调整起来比较麻烦。与第二章中双水平向周期性加载实验的情形相类似，振动台在两个水平方向也存在着耦合问题，所以在振动台的两个水平方向控制中要将耦合影响尽可能地消除掉。根据第二章的式(2-11)和式(2-12)，可以在控制系统中采用补偿的方法来消除耦合的影响，其原理如图3-8所示；从图中可见，只要将X方向的命令信号平方之后与Y方向的命令信号叠加作为Y方向的系统输入即可消除X方向在Y方向造成的影响，反之将Y方向命令信号补偿到X方向则可以消除Y方向运动在

20、X方向造成的影响。图图3-8 双作动器交叉耦合的补偿方法双作动器交叉耦合的补偿方法三向地震模拟振动台控制中最复杂的部分是垂直方向的控制，因为四个竖向作动器所受外荷载最为复杂，不仅有台面和试件的重力荷载，而且还有倾复力矩、偏心力矩等。四个作动器不仅要控制其平移，而且要控制其倾斜和摇摆，同时也要考虑消除与水平运动方向的交叉耦合影响。一般情况下四个作动器的竖向平移控制与图3-7所示的同步控制方式类似，只是将两个作动器扩展到四个作动器；而倾斜和摇摆控制则是根据四个作动器的位置将其信号进行相关的加、减组合作为反馈信号对每个作动器进行适当的控制补偿。文献14提出了一种用动态激振系统与静力平衡系统为一体的竖

21、向振动控制结构方案，通过三参量反馈控制的方法，可以有效地改善系统的动态特性，提高系统的频宽，同时该系统具有很强的抗干扰能力和跟踪能力。3.4.2 数字控制数字控制地震模拟振动台实验面对的试件多种多样，地震模拟振动台所要控制的是一个非常复杂的对象，而且这个对象是无法用数字模型来准确描述的，它不仅与模拟控制系统、作动器、台面有关，而且与试件的特性也有关系，尤其是被试结构模型在实验过程中不断出现弹性塑性的变化直至整个结构破坏，所以整个振动台系统在实验过程中特性变化很大。在这种情况下，只采用模拟控制方法是远远不够的，需要采用数字控制技术，而且要实现准确控制振动台的目的则必须采用自适应控制方法才行，这在

22、目前还很难做到，一是技术复杂，二是投资太大。所以目前地震模拟振动台的数字控制基本都是采用数字迭代方法。地震模拟振动台的数字迭代法是一种开环控制方法，图3-9为数字控制系统模型。数字迭代控制方法是每次驱动振动台之后，将台面再现结果与期望信号进行比较，根据二者的差异对驱动信号进行修正后再次驱动振动台，再比较台面再现结果与期望信号，直到台面再现结果满足要求为止。这个过程具体可以通过三个步骤来完成：首先：通过输入输出信号建立系统的传递 函数；其次：由期望信号和传递函数重新计算输 入信号；第三：重新检验台面的再现情况。图图3-9 数字控制系统模型数字控制系统模型根据图3-9，设x(t)为输入信号，y(t

23、)为台面再现加速度反应，x0(t)为台面的期望信号，则系统传递函数为()()()Y jH jX j(3-1)传递函数H(jw)是一个求得的实验结果，根据台面期望信号x0(t)的傅里叶谱X0(jw)，则驱动信号由下式求出：0()()()XjX jH j(3-2)系统中存在着控制误差、测量误差和非线性误差等，所以降低这类误差的影响需要采用多次迭代修正输入信号的方法。图3-10和图3-11给出的是两种常用的迭代程序框图15一种称为直接迭代法，即每次驱动振动台之后直接采用输入输出信号求取传递函数；第二种称为修正迭代法，它是通过计算台面反应值和期望值的差值来修正输入信号的。上述两种方法在实际中都是比较有

24、效的，理论上第二种方法迭代精度更高，但是第一种方法简单适用、处理速度快。图图 3-10 直接迭代法程序框图直接迭代法程序框图图图3-11 修正迭代法程序框图修正迭代法程序框图关于波形再现精度问题是很复杂的，在具体应用过程中往往是通过台面上的再现信号和期望信号的图形比较来判断再现精度的，一般是较大峰值处两者的差值小于5%就可以接受，而在零线附近的小峰值处误差可能大一些，图3-12是一个经过三次迭代后台面再现的地震波(上)与期望地震波(下)的比较，两者虽然在小幅值处有一些差别，但是整个波形吻合得非常好。图图3-12 台面再现波形台面再现波形(上上)与期望波形与期望波形(下下)的比较的比较刘永昌等人

25、16提出了一种地震模拟振动台波形再现的定量判别方法，该方法首先将期望信号和台面响应信号的误差能量定义为：212211()Nnnn NQxayNN(3-3)式中：xn是期望信号，yn是响应信号，N1和N2分别为信号序列的起点和终点，是一个待定参数根据Q取最小值的原则可以求得值为：21212Nnnn NNnn Nx yy (3-4)将式(3-4)带入式(3-3)可得：2212112221211NnnNn NnNn Nnn Nx yQxNNy(3-5)定义相对误差为：212212111xyNnn NQKxNN (3-6)式中：2122111/222Nnnn NxyNNnnn Nn Nx yKxy(3

26、-7)显然|Kxy|l，当Kxy趋近于l时相对误差趋近于0，所以Kxy可以作为期望信号xn和响应信号yn相似的一种度量。文献16的应用结果表明，当取Kxy0.95时，响应信号yn和期望信号xn已经非常吻合。从另一个角度来看，地震波本身也是随机信号，完全精确地再现期望信号也没有多大的实际意义。而针对于实验模型进行理论计算时，采用的输入地震动可以直接应用台面再现的时程记录，这样可以保证理论计算结果和实验结果是采用了完全相同的地震记录3.4.3 数据采集和处理数据采集和处理振动台实验中采集数据需要许多传感器和测试仪器，不同的试件由于实验目的、试件特征等内容都相差很大，所以使用的仪器仪表在种类和数量上

27、也不尽相同：常用的测试传感器有加速度计(用于测量加速度响应)、位移传感器(用于测量试件的相对位移或绝对位移)、应变片(主要用于测量试件不同部位的应变响应)这些传感器及相关仪器的选择在建筑抗震试验方法规程中已经给出了一些具体原则17，对于一般的结构模型进行振动台实验，按照这些原则选择测量仪器设备就可以了；对于特殊的试件(例如刚度非常大的试件)，那么在测量仪器方面还要根据实验情况作适当的考虑。目前振动台实验的数据采集都实现了计算机采集和存贮，即在实验过程中将所有的测试信号由计算机同步地采集到计算机中，这样不仅有利于实验数据的保存，而且为下一步的实验数据处理提供了先决条件。3.5 地震模拟振动台的实

28、际应用地震模拟振动台的实际应用地震模拟振动台的应用范围非常广泛，涉及的领域很多。试件的形式除了最为常见的建筑结构和构件之外，其它方面的实验应用也非常多，例如桥梁结构、塔桅结构、水工结构、离岸结构、核电结构、基础工程、岩土工程、城市管道、电力设备、化工设备、通讯设备、室内装饰与家具、人体工程与地震心理等等。振动台实验数据的处理工作比较容易进行，因为目前振动信号处理的软件比较多，用这些软件可以非常方便地得到试件响应的频谱、均值、方差等内容。然后可以将这些分析结果或图形打印输出。在过去的几十年中，地震模拟振动台实验在抗震研究和工程实际中取得了重要成果，几届世界地震工程大会都有大量的实验与应用的文章；

29、另外，国内外与地震工程和结构工程相关的杂志每年都有大量的振动台实验文章发表。为了比较全面详细地介绍地震模拟振动台实验过程，这里以一个具体实验为例进行介绍。文献27中提出了一种耗能-隔震柔性底层框架结构体系，分析表明这种隔震和耗能减震方法是很有效的。为了研究这种采用耗能-隔震柔性底层之后结构的隔震性能、损伤情况以及与传统的钢筋混凝土框架进行对比，针对三种不同类型的1:4模型试件进行了不同工况下的振动台实验283.5.1 实验模型的设计和制作实验模型的设计和制作为了进行比较，试件制作考虑了三种类型，如图3-13所示；图中(a)为传统的钢筋混凝土框架结构，(b)为不加橡胶隔震器的耗能-隔震柔性底层结

30、构，(c)为加入橡胶隔震器的耗能-隔震柔性底层结构。三种试件均为三层结构模型，实验着重研究耗能-隔震柔性底层框架结构的抗震性能和减震效果，并与传统的钢筋混凝土结构的实验结果进行比较，研究两种结构体系在地震作用下的耗能分布、损伤分布以及整体结构的损伤情况。图图3-13 三种结构类型的试件三种结构类型的试件原型结构的设计工况为7度抗震设防、2类场地条件、近震。钢筋混凝土框架为剪切型的，按我国现行抗震设计规范设计29，结构每层重量为40t，总重量为120t，三层柱子的尺寸和配筋等完全相同，柱截面为正方形，尺寸为bh=240240mm，保护层a=40mm，混凝土采用C30钢筋为4 20，配筋率=1.2

31、5，最大轴压比为n0=N/(Rabh0)=0.24(Ra=25 MPa)，柱高H=3000mm，箍筋选用 8200，柱端箍筋局部加密到间隔s=100mm。钢管混凝土耗能-隔震柔性底层框架的上部两层为钢筋混凝土框架，与图3-13(a)所示框架完全相同钢管混凝土柱采用普通的A3钢管，外径D=159mm，壁厚t=6mm，柱高也为3000mm橡胶隔震器在设计中采用厂家生产的标准产品，但在模型实验中由于没有合适型号的标准橡胶隔震器，采用了自制的橡胶隔震器，具体参数是通过实验测定的根据地震模拟振动台的承载能力和尺寸要求，以及模型制作和安装等方面的考虑，模型的相似比选定为1:4，模型的各相似常数列于表3-6

32、中表表3-6 框架实验模型的相似常数框架实验模型的相似常数根据表3-6中给出的相似常数，模型试件的有关尺寸列于表3-7表表3-7 实验模型的参数实验模型的参数图3-14为三层钢筋混凝土框架模型和耗能-隔震柔性底层框架模型的配筋图，为了保证框架为剪切型的，横梁的截面设计得较大，纵筋为4 14螺纹钢，箍筋为 6l00，混凝土强度与柱的相同,经验算梁的线刚度大于柱的线刚度5倍以上，可以保证框架模型为剪切型图图3-14 三层实验模型的配筋图三层实验模型的配筋图由于实验模型的尺寸较小，整体制作比较困难，所以每个试件按单榀制作，然后将两榀框架组合在一起形成一个完整的试件。三层的单榀钢筋混凝土框架制作了两个

33、，用于组装成一座三层钢筋混凝土框架试件；二层的单榀钢筋混凝土框架制作了四个，与八根钢管混凝土柱一起组成二座三层的耗能-隔震柔性底层框架试件在每榀框架上放置了相应的预埋件，用于将两榀框架组装成完整的试件；每根钢管混凝土柱与钢筋混凝土框架之间采用四根M10的螺栓进行连接，其强度大于钢管混凝土柱的强度，可以保证联接件不产生破坏。钢筋混凝土框架中梁、柱的纵筋和箍筋的力学性能以及钢管混凝土的钢管性能列于表3-8中表表3-8 钢筋和钢管的力学性能钢筋和钢管的力学性能(N/mm2)由于框架模型是剪切型的，其研究的重点主要放在框架结构的柱子上，所以在保证实验结构模型是剪切型的前提下，根据相似比，实验模型框架柱

34、采用了微粒混凝土，配合比为 水 泥 ： 水 ： 细 骨 料 ： 粗 骨 料 l:0.25:1.25:2.5，水泥为425号普通的硅酸盐水泥，细骨料为最大粒径小于2.5mm的砂料，粗骨料是最大粒径在2.5-5.0mm之间的砂料框架梁采用了普通的混凝土浇注。有关立方强度列于表3-9，钢管混凝土柱中填充的混凝土与钢筋混凝土柱是完全一样的，也是微粒混凝土，而且是同时进行浇注的表表3-9 混凝土立方体强度混凝土立方体强度(N/mm2)3.5.2 钢筋混凝土框架模型的振动台实验钢筋混凝土框架模型的振动台实验(1)实验步骤和量测内容三层剪切型钢筋混凝土框架模型是在3m4m地震模拟振动台上进行的，试件每层的配

35、重2t，共计6t，实验简图如图3-15所示图图3-15 三层钢筋混凝土框架的振动台实验简图三层钢筋混凝土框架的振动台实验简图对于钢筋混凝土框架模型的振动台实验，图中的隔震器是没有的，隔震器是在进行耗能-隔震柔性底层框架模型实验时才安装的。 实验输入的地震波为EL-Centro(S-N)波；根据模型的相似比，将输入地震波的持时进行了压缩处理。输入的地震波峰值首先调整为0.05g进行了输入。采用小幅值输入，一方面是为了得到结构在弹性范围的动力特性，另一方面是为了将振动台的台面反应进行迭代，以期达到理想的效果。此后将输入地震波的加速度峰值加大到0.5g，进一步研究结构模型在强震作用下的破坏情况。实验

36、过程中直接测量的结构反应信号是位移和加速度，采用的是位移传感器和加速度传感器，测点布置在结构的梁端上，如图3-l5所示。考虑到可能出现的扭转效应，在两榀框架的2层和3层均布置了位移和加速度传感器，以备后期数据处理时用于修正。图3-15中a0a5代表加速度传感器，d0d5代表位移传感器。位移和加速度信号均由计算机自动采集存贮于磁盘中。(2)实验结果。钢筋混凝土三层框架模型经过小震过程(输入0.05g)和强震过程后(输入0.5g)，根据模型的地震反应记录可以得到其频谱特性如图3-16所示，表3-10进一步给出了两种地震工况后模型各阶频率的具体数值。图图3-16 两种峰值加速度下实验模型反应的频谱图

37、两种峰值加速度下实验模型反应的频谱图表表 3-10 实验模型的各阶频率实验模型的各阶频率(Hz)振动台输入0.5g的EL-Centro地震波后，实验模型各层的位移反应和加速度反应示于图3-17中。图中各层的位移为相对于地面的位移，加速度为绝对加速度。图图3-17 三层三层RC框架模型结构的地震反应框架模型结构的地震反应(EL-Centro波波0.5g)由于振动台实验中无法直接测量试件的层间剪力，为了得到试件各层的滞回曲线和滞回耗能，需根据结构各层测得的数据间接求出。由于实验数据是数字化的结果，所以试件各层的剪力由下式计算：( )( )nkikkikr tm x t(3-8)式中：下标k代表层号

38、， 为第k层在ti时刻的绝对加速度值，mk为第k层的质量实验模型在地震作用下的层间滞回耗能可由下式计算： 11112mhkkikikikiiErtrtxtxt(3-9)式中：为第k层的层间位移，求和上限m为振动持时下的采样点总数。图3-18给出了试件在地震作用下的层间滞回曲线，图3-19给出了各层的累积滞回耗能随时间的变化。图图3-18 三层三层RC框架模型在地震作用下的层间滞回曲线框架模型在地震作用下的层间滞回曲线图图3-19 三层三层RC框架模型在地震作用下的层间累积滞回耗能框架模型在地震作用下的层间累积滞回耗能为了进一步评价三层钢筋混凝土框架模型的地震损伤，采用Y.J.Park和A.H.

39、S.Ang提出的钢筋混凝土结构双参数损伤模型30,31，基于实验数据并经计算得到三层钢筋混凝土框架模型在EL-Centro(S-N)地震波作用下的损伤指数，峰值加速度为0.5g，计算结果列于表3-11。表表 3-11 三层三层RC框架的地震损伤框架的地震损伤表中的损伤结果与试件的物理破坏特征相比较，与文献31中描述的情况吻合良好，底层柱子根部水平裂缝贯穿整个截面，二层和三层柱根的水乎裂缝也达到三分之一的截面尺寸。3.5.3 耗能耗能-隔震柔性底层框架模型的振动台实隔震柔性底层框架模型的振动台实验验(1)耗能-隔震柔性底层结构的有关问题对于耗能-隔震柔性底层结构体系，其构造和设计上主要有两个问题

40、： 一是钢管混凝土柱与橡胶隔震器的重力分配问题，因为在应用过程中需要隔震器承担一定的重量，使隔震器和柱子合理地分担上部结构的重量； 另一个问题是底层的失稳问题，由于底层是柔性的，地震作用下底层变形较大，所以失稳问题是必须考虑的。耗能-隔震柔性底层主要由钢管混凝土柱和隔震器组成，所以它的失稳问题可从钢管混凝土柱和隔震器两方面来考虑。对于钢管混凝土柱，它在结构中属压弯构件，可按有关的计算方法和规程设计计算32,33。根据钢管混凝土柱在耗能-隔震柔性底层结构中的作用，如果没有隔震器的承重作用，则按一般结构的倒塌定义，当钢管混凝土柱在水平地震力下超过极限位移，且承载力下降到最大承载力的80%时即认为结

41、构倒塌。正是由于隔震器的承重作用，并具有很强的水平变形能力，所以耗能-隔震柔性底层的水平位移超过钢管混凝土柱的破坏位移后仍保证结构不倒塌，因此隔震器是否失稳将成为关键对于橡胶隔震器，当竖向荷载保持恒定时，根据有关实验结果34，在一定范围内水平荷载与水平位移呈线性关系，最大剪切变形由叠层橡胶的几何尺寸与材料特性所决定。叠层橡胶隔震器的破断剪切变形率(即破断水平位移/橡胶的总厚度ntr)大约为3.7甚至更高，取安全系数1.5则橡胶隔震器的最大允许水平位移为：2.5Hrnt(3-10)式中：n为橡胶的层数，tr为每层橡胶的厚度。由于隔震器在耗能-隔震柔性底层结构中起承重作用，所以上式可作为底层不失稳

42、的允许最大变形。(2)实验步骤和测量内容。耗能-隔震柔性底层框架模型的尺寸与上节中的钢筋混凝土框架模型完全一样，实验步骤和量测内容也与上节完全相同，直接测量框架模型的各层位移和加速度。输入的地震波仍是先输入较小幅值的地震波以测得结构弹性范围的动力特性，然后输入较大的地震波使结构产生破坏，用以比较耗能-隔震柔性底层框架模型与钢筋混凝土结构之间地震反应和地震损伤的差异。具体工况是先未放置橡胶隔震器(称为DMl模型)，输入0.1g和0.5g的EL-Centro波之后加入橡胶隔震器(称为DM2模型)，同样进行输入0.1g和0.5g的EL-Centro波的实验。(3)实验结果图3-20分别给出了模型DM

43、1和DM2在0.1g和0.5g地震输入下，模型结构地震反应的频谱特性，具体数值列于表3-12。图图3-20 两种模型两种模型DM1和和DM2的频谱特性的频谱特性表表 3-12 实验模型的各阶频率实验模型的各阶频率(Hz)从表3-12可以看到，DMl经0.5g的EL-Centro地震波后频率有所下降，说明结构模型有了一定的损伤，但对试件的表面观察未发现上部二层钢筋混凝上框架柱出现裂纹。而DM2在0.5g的EL-Centro地震波后在二层和三层柱根处均出现了一定的裂纹，这主要是由于加入了橡胶隔震器后增大了底层的刚度，造成了破坏的位移。图3-21给出了输入加速度峰值为0.5g的EL-Centro波时

44、，结构模型DMl的各层位移反应和加速度反应图图3-21 结构模型结构模型DM1的地震反应的地震反应(EL-Centro波波0.5g)图3-22为同样输入下结构模型DM2的各层位移反应和加速度反应图图3-22 结构模型结构模型DM2的地震反应的地震反应(EL-Centro波波0.5g)图3-23分别给出了结构模型DMl和DM2在0.5g的EL-Centro(S-N)地震波作用下各层的滞回曲线，其中层间剪力是按式(3-8)计算得到的。根据式(3-9)，可以得到结构模型DMl和DM2的层间累积滞回耗能，其结果示于图3-24中。图图2-23 模型模型DM1和和DM2的层间滞回曲线的层间滞回曲线(EL-

45、Centro波波0.5g)图图2-24 模型模型DM1和和DM2的层间滞回耗能的层间滞回耗能(EL-Centro波波0.5g)第二章针对钢管混凝土柱的地震损伤问题，基于Y.J.Park和A.H.S.Ang提出的双参数损伤模型，通过实验的方法确定了损伤模型的参数。表3-13给出了模型DM1和DM2在0.5g的EL-Centro(S-N)地震波输入下的损伤值，其中底层的钢筋混凝土柱的地震损伤值采用了第二章的有关公式。3-13 DM1模型和模型和DM2模型的地震损伤指数模型的地震损伤指数3.5.4 两种结构体系的地震实验结果比较与分析两种结构体系的地震实验结果比较与分析上述两部分分别给出了三层钢筋混

46、凝土框架模型(简称RC模型)和耗能-隔震柔性底层结构模型DMl、DM2的地震实验结果。下面将从不同的方面比较两种结构体系在地震作用下的性能。(1)各层反应量的比较。根据上述三种模型结构的振动台实验结果，将0.5g的EL-Centro波输入下三种模型的最大层间位移和层加速度数值列于表3-14。表表 3-14 最大层间位移和加速度反应试验结果最大层间位移和加速度反应试验结果从表3-14的结果可见，DMl和DM2模型的底层位移与RC模型大致相当，但上部两层的层间位移均小于RC模型的实验结果，第二层和第三层减小量最大可达11和63。从各层的加速度反应来看，耗能-隔震柔性底层结构体系能有效地降低各层加速

47、度反应，与RC模型相比，各层降低了58%、47和33。另外，从表中可以看到，DM2模型的减震效果不如DMl模型，这主要是加入了橡胶隔震器之后，底层的刚度和屈服力增大所致，从而造成了地震损伤沿着层高上移。如果底层钢管混凝土柱的刚度、橡胶隔震器的刚度与上层钢筋混凝土柱的刚度分配理想，则DM2模型的减震效果会更加明显。图3-25给出了RC模型(虚线)与DMl模型(实线)层间变形和各层加速度的实验结果比较。图图2-25 RC模型和模型和DM1模型的地震实验结果比较模型的地震实验结果比较(2)累积滞回耗能和损伤分析。为了进一步分析和比较耗能-隔震柔性底层结构与一般钢筋混凝土结构的抗震性能，需要研究两种结

48、构体系在地震作用下的滞回耗能和损伤状况。根据前面的实验结果，RC模型和DMl、DM2模型在相同地震作用下各层的累积滞回耗能及分布是有所不同的，具体数值列于表3-15。表表 3-15 三种框架模型的地震累积滞回耗能及其分布三种框架模型的地震累积滞回耗能及其分布从表中的实验数据可见，对于RC模型，各层的滞回耗能占总滞回耗能的百分比分别为57、28和15%，而耗能-隔震柔性底层结构模型的底层滞回耗能占有很大的比重；对于DMl和DM2两种模型分别为71和63。比较DMl和DM2，由于DM2模型底层刚度的增加，从而影响了各层的耗能分布，使结构上层的累积耗能有所增加；即使如此，DM2模型与RC模型相比，其

49、上部的滞回耗能无论是绝对量值还是耗能分布均小于RC模型的数值。从采用双参数损伤模型的计算结果来看，耗能-隔震柔性底层结构的损伤比钢筋混凝上结构的损伤轻微。根据表3-13的计算结果，DMl模型比RC模型的各层损伤分别降低了27、36%和52%；比较DM2模型和RC模型，其结果分别是36、18和35。显然，底层刚度增加后造成了损伤的上移，这一点与表3-11的耗能及其分布的结果是一致的。因此，单纯从减轻上部结构的损伤来看，底层的刚度和屈服位移比较小是有利的，但从损伤在结构各层的分布上还是需要合理地考虑控制上部结构刚度与底层刚度的比例，以利于发挥结构整体的能力。3.5.5 结结 论论这里通过一座三层的

50、钢筋混凝上框架模型的振动台实验、两座三层的耗能-隔震柔性底层框架模型的振动台实验，研究了两种结构体系在地震作用下的损伤情况，得到了如下的结论：(1)新提出的耗能-隔震柔性底层结构体系，经实验的检验，证明这种结构体系可以有效地减轻上部结构的地震损伤；比较两种结构体系的实验结果可见，DMl和DM2模型上部各层的层间位移、层间滞回耗能和损伤指数均小于RC模型的相应值。(2)从耗能-隔震柔性底层本身来看，其层间位移和滞回耗能与钢筋混凝土结构的底层位移和滞回耗能大致相等，但其地震损伤指数却小于钢筋混凝土结构的相应值，这主要是因为钢管混凝土柱具有较好的延性和较好的抗损伤能力。(3)由于耗能-隔震柔性底层中

51、采用了橡胶隔震器作为支承部件承担了一部分结构的重量，所以采用双参数损伤模型计算底层钢管混凝土柱的地震损伤不尽合理，事实上得到的底层损伤指数是偏于保守的。对于如何更准确地刻划耗能-隔震柔性底层的地震损伤还需作进一步的研究工作。参考文献参考文献1 黄浩华. 地震模拟振动台的发展情况介绍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.

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