振动台模型试验若干问题

振动台结构模型试验中

的若干问题

上海同济大学一、振动台模型试验的意义振动台结构模型试验是地震工程的主要研究手段之一。振动台模型试验具有以下的作用：（1）研究结构的地震破坏机理和破坏模式，评价结构的抗震能力；（2）研究结构中地震作用的分布，为检验结构的抗震分析方法提供依据；（3）寻找结构中可能存在的薄弱环节，为采取有效的抗震措施提供依据；（4）验证新型结构体系的抗震分析模型，为发展新的结构抗震设计理论提供依据；（5）研究各种介质之间的相互作用问题，例如结构与地基的相互作用、结构与流体的相互作用、结构与散体的相互作用等等，为认识这类问题的破坏机理、建立分析模型和发展设计方法提供依据。随着经济的发展和世界各国对科技的不断重视，以及世界上接连发生的几次破坏性地震的惨痛教训，世界各国的地震工程研究人员越来越认识到振动台试验的作用。20世纪90年代以来振动台试验设备的建设和在振动台上进行模型或原型结构或部件试验研究进入了一个新的发展时期。二、振动台模型试验技术的发展据不完全统计，全世界共有模拟地震振动台系统约近百套。目前世界上最大的振动台为日本NIED的15m×20m六自由度振动台，承载能力为1200t，将于2005年建成。我国建成的模拟地震振动台约20套。国内在建的最大的振动台为6m×6m三向六自由度振动台。全世界大型的模拟地震振动台统计

（台面负载>50t）(1)

设置部门台面尺寸(m)最大试件t东大生产技术所10×2170日本电力研究所6×6.5125日本国有铁道研究所12×810012×8400日本土木研究所6×8100意大利ENEA16×16150罗马尼亚建科院7×780日本科技厅防灾中心15×15500全世界大型的模拟地震振动台统计

（台面负载>50t）(2)三菱重工6×680日本原子能工程试验中心15×151000英国GEC4.3×4.3100前苏联HRI6×650日本PWRI8×8300日本科技厅防灾中心6×675中国模拟地震振动台统计(1)

设置部门台面尺寸(m)最大试件(t)同济大学4×425哈尔滨工力所5×520中国水利科学研究院5×520广州大学3×310河海大学2×2.86中国模拟地震振动台统计(2)

大连工学院3×310云南工学院1.5×22.5香港理工大学3×310台北NCREE5×530北京理工大学2×2

5中国核工业设计院6×6

在建中国建筑科学研究院6×6

在建

大型6自由度振动台试验系统水下振动台试验系统振动台台阵广州大学的

振动台同济大学的

振动台大连理工大学的振动台中国水科院的振动台同济大学土木工程防灾国家重点实验室1983年从美国MTS公司引进模拟地震振动台。试验室MTS振动台基本性能参数如下：台面尺寸 4.0m×4.0m振动波形 周期波、随机波等最大试件质量 25吨频率范围 0.1~50Hz控制振动方式 三方向六自由度数据采通道 96三、同济大学振动台模型试验部分振动台建筑结构模型试验研究项目东方明珠电视塔上海大剧院浦东国际机场侯机楼南方电力调度中心深圳商隆中心大厦上海九百城市广场浦东香格里拉扩建工程深圳京广中心上海交银金融大厦浦东青少年活动中心南京多媒体大厦上海仙乐斯广场重庆建设大厦上海凯旋门大厦浦东世茂滨江花园广州天王中心广州南航大厦北京LG大厦广州越秀大厦高桥国际金融中心上海星海大厦广州国际金融大厦上海东方明珠广播电视塔浦东国际机场候机楼上海大剧院浦东青少年活动中心（平面U型，斜柱，双塔楼）上海长寿商业广场（大底盘双塔楼，高位转换）凯旋门大厦星海大厦上海交银金融大厦北京LG大厦上海九百城市广场浦东世茂滨江花园浦东香格里拉酒店扩建工程广州天王中心广州南航大厦本项目研究获得广东省科技进步二等奖

广州越秀大厦深圳商隆中心

南方电力调度中心枢纽工程（广州）短肢剪力墙住宅结构广州国际金融大厦上海仙乐斯广场砌体结构抗震性能研究底部两层框架砌体结构抗震试验研究砌体结构地震倒塌试验研究桩土结构相互作用研究国家自然科学基金重点项目——桩土结构相互作用研究核安全壳抗震试验95重点攻关项目—快堆主钠池堆芯抗震安全评价方法研究（1996—2001）结构控制试验结构隔震技术研究中日合作项目——25吨钢结构基础组合隔震性能研究基础研究项目——钢筋混凝土框架减隔震性能研究钢管拱桥结构抗震试验研究非结构构件试验玻化石幕墙抗震试验模型动力相似理论模型材料研究模型制作技术试验测试技术数据分析与整理模型试验结果在原型结构中的应用四、振动台模型试验关键技术研究模型动力相似理论动力相似理论包括动力模型设计理论、动力模型试验技术，以及用模型推算原型结构性能等一系列理论与实践问题。研究表明，对于弹塑性和极限强度模型试验，若满足所有相似条件，则结构系统的动力反应，可以相当精确地用缩尺模型来模拟。理论上完全相似的模型是难以实现的：

（1）受振动台性能的限制（2）受材料性能的限制（3）不能实现对重力加速度的相似变换考虑主要的参数的相似要求，而对另一些次要条件适当放松要求，以实现现有试验条件下对原型结构较好的模拟。模型的相似关系模型动力相似关系应满足模型和原型几何尺寸相似、材料性能相似、荷载相似、模型动力反应相似以及边界条件的相似条件。相似关系见表。难点在于不同材料的相似匹配。同一模型中的不同材料应满足相同的相似关系，它们的相似常数应相同。模型材料研究对于高层钢筋混凝土结构，动力模型材料一般可由微粒混凝土、镀锌铁丝和铁丝网制作而成，模型的物理特性主要由微粒混凝土来决定。经常采用铜、铝合金以及钢材来模拟钢结构。有时也采用有机玻璃制作整体结构模型。桩土结构作用时，可采用砂、黏土甚至人造复合土（或重塑土）模拟土体结构。微粒混凝土材料对微粒混凝土进行了充分深入的研究，在模型施工前，需要做微粒混凝土级配试验，以确定具体的级配关系。模型缩比较大时，构件尺寸较小，精度要求较高，对施工有特殊要求。微粒混凝土用较大的砂砾作为粗骨料代替普通混凝土中的碎石，以较小粒径的砂砾作为细骨料代替普通混凝土中的砂砾，具有数级连续级配。施工方法、振捣方式和养护条件都与普通混凝土相同。微粒混凝土力学性能与原型混凝土应具有较好的相似性。微粒混凝土模型试验时可以做到模型开裂甚至破坏，具有试验现象比较直观的优点。根据多年模型制作经验，采用有机玻璃板作为外模，这样既可以使浇筑表面平整光滑，又可在浇筑过程中及时发现问题，保证浇筑密实。微粒混凝土的材料特性见下页。微粒混凝土强度与弹性模量关系微粒混凝土强度与弹性模量关系应力应变曲线曲线分为上升段和下降段上升段

y=x*(2-x)下降段

y=x/(x+a(x-1))曲线与普通混凝土具有较好的相似性初始弹性模量与强度保持一致的相似关系有机玻璃有机玻璃适于弹性模型的制作。可用于研究复杂体形结构动力特性和多遇烈度地震下的反应；有机玻璃的特点是弹性模量低其泊桑比（0.35-0.38）也较接近混凝土的泊桑比（0.25-0.27）有机玻璃是透明的，在模型制作及加工过程中的任何缺陷都可以立即查出来，从而可及时改正。

有机玻璃的材料特性为1、弹性模量E=2600MPa2、泊桑比µ=0.35-0.383、容重g=1200kg/m34、极限强度为25.6MPa材料屈服强度(MPa)极限强度(MPa)弹性模量(MPa)伸长率(%)镀锌铁丝286~330375~4602×105~26白铁皮275~305350~4002×105~20紫铜1951.1×105~30铝合金1703.3×104紫铜、铝合金、白铁皮紫铜、铝合金、白铁皮用于模拟型钢；型钢截面采用弯制或焊制；利用锡焊和螺丝将构件连接在一起；紫铜、铝合金、白铁皮的材料特性变化较大，可以根据模型设计时的不同要求来选择，一般选弹性模量较低的材料。砌体对于砌体结构模型，则可采用专门制作的小砌块来砌筑，模型材料的弹性模量、强度等应按相似系数确定。砂浆按相似关系调整，但其灰缝厚度不能太小；设计模型时应按砌体结构抗侧承载力建立相似关系。土通常采用级配细砂、筛分的粘土以及其他散粒材料拌合的混合物模拟土体；在弹塑性地震反应时，土体与上部结构的非线性程度发展很难保持一致，在模型设计时应考虑相似关系的变化；具体处理时应根据研究目的有所侧重；地震反应前后均应取模型土样进行检验；模型制作技术钢筋的绑扎型钢的制作模板的使用内模采用泡沫塑料，这种材料易成型、易拆模，即使局部不能拆除，对模型刚度的影响也很小；将内模切割成一定形状，形成构件所需的空间布置，绑扎好钢筋后进行浇筑，边浇边振捣密实，每一次浇筑一层，次日安置上面一层的模板及配筋，重复以上步骤，直到模型全部浇筑完成。桩-土-结构相互作用模型箱的制备刚性箱体剪切型箱体柔性箱体试验对模型箱的基本要求（1）能像土体那样发生剪切变形；（2）尺寸要足够大，能消除模型箱边界效应的影响。1.1SPSITestsinUniversityofCalifornia,Berkeley,USA1.2SSITestsinJapan1.3SSITestsinajointresearchbetweenWasedaUniv.andUCSD1.4SSITestsinthisProject（TongjiUniv.)国内外桩-土-结构相互作用模型试验概况1.1

SPSITestsinUniversityofCalifornia,

Berkeley,USA(1998)FlexibleWallBoxShakingTableModelTestsofSoil-Pile-SuperstructureInteractioninSoftClay1.2SSITestsinJapan(1995-2000)Large-scaleShearBoxoftheSimpleShearTypeShakingTableTestofReinforcedEarthRetainingWallwithShearBoxShakingTableTestofSoil-PileInteractionwithShearBoxTheexperimentsareconductedusinga5meterlongby1.2meterwidesoil-boxthatis2meterstall.Itisconstructedofsteelwithacrylicwindowpanelsinonesideforviewingthesoilmovement.(2000-2001)1.3jointtestbetween&1.4layeredsoil-structuretestinTongji(1999-2001)Scalefactor

1/20,1/10Layeredsoil

siltyclay,

sandysilt,mediumsandUnidirectionalandbi-directionalexcitation试验测试技术研究加速度传感器位移传感器（接触式、非接触式（激光））应变传感器压力传感器（动液压力、动土压力、孔隙水压力等等）数据采集与分析整理STEX3系统（MTS试验机）传感器标定白噪声各类地震波的生成试验数据的分析整理频谱分析模型结构参数识别系统标定与控制定期对标准传感器进行计量标定对振动台的动态性能进行标定试验时先用低幅值白噪声激励确定振动台与试件一体的传递函数矩阵；然后用期望地震波时程与传递函数矩阵之逆的卷积来控制系统。模拟地震振动台试验的激励波形必须考虑场地类别和地震危险性分析、建筑结构动力特性等因素。试验时分别根据模型所要求的动力相似关系对原型地震波作修正后，作为模拟地震振动台的输入波。输入波形的加速度幅值根据设防要求从常遇烈度到罕遇烈度，从小到大依次改变以模拟不同烈度地震对结构的作用。试验步骤模型结构特性发生变化时，结构的频率和阻尼比都将发生变化。在模型承受不同的地震烈度作用前后，均用白噪声对其进行扫频，得到模型自振频率和结构阻尼比的变化可以反映出结构刚度下降的幅度。