结构实验技术：地震模拟振动台试验

1§5.4

地震模拟振动台试验一、概论1、方法：通过电液伺服加载系统驱动振动台面模拟真实地震动的试验方法，是在实验室内研究结构地震反应和破坏机理的最直接方法。2一、概论2、试验目的研究结构的动力特性，破坏机理及震害原因。验证抗震计算理论和计算模型的正确性。研究动力相似理论，为模型试验提供依据。为结构抗震静力试验，提供试验依据。3一、概论

3、优点：可以真实的反应结构实际地震反应；可以很好的反映应变速率对结构材料强度的影响

4、缺点：设备昂贵，受台面尺寸限制，不能做大比例模型试验；受尺寸效应影响，很难评价结构的抗震能力4振动台是用来产生模拟的地震地面运动，对结构的抗震性能进行研究。如图为一地震模拟振动台的示意图。试验时，振动台台面产生水平或竖向往复运动，其运动规律与结构遭遇地震时的运动规律相同。安装在振动台上的模型结构受到台面运动的加速度作用，产生惯性力，从而再现地震对结构的作用。二、振动台基本原理

振动台基础作动器台面结构模型油路6三、振动台基本性能指标

1、

台面尺寸和台面最大负载台面尺寸及台面负载决定了进行试验的结构模型尺寸(重量)。台面尺寸及台面负载越大，结构模型的尺寸就可以越大，试验结构的性能也就越接近真实结构的性能。目前，世界上最大的振动台台面尺寸为20m×15m(日本)，其台面负载为1200t72、台面运动自由度

在工程实践中，地震记录很少有地面运动的旋转分量，这与强震观测有关。因此，虽然目前已投入运行的地震模拟振动台大部为6个自由度上模拟地震地面运动的能力，但在结构抗震试验中，一般仍以水平方向和垂直方向的振动为主。三、振动台基本性能指标

83、

频率范围、最大位移、速度和加速度

已有的地震记录的最高频率一般不超过10Hz，考虑试验结构模型的特点，地震模拟振动台的频率范围大多为0—50Hz，有的振动台的最高频率响应可以达到80～120Hz，主要用于较小比例的结构模型的振动台试验。振动台最大位移一般为±100mm。振动台的最大加速度可以达到20m／s2(2g，g为重力加速度)。94、输入波形地震模拟振动台试验的主要目的是检验结构在遭遇地震时的性能。一般要求振动台能够模拟地震地面运动，输入的振动波形应为不规则的地震波。此外，振动台可以用来对结构施加各种振动激励，输入的波形还包括正弦波、三角波等规则波，以及随机的不规则白噪声波等。建设单位年代振动形式台面尺寸(m)台面自重(t)模型重(t)最大加速度(g)最大速度(mm/s)最大位移(mm)工作频率(Hz)激振力(kN)油源流量(L)控制方式生产厂家备注中国建筑科学研究院*2004三向六自由度6.1*6.13760X：±1.5Y：±1.0Z：±0.8X：±1000Y：±1200Z：±800X：±150Y：±250Z：±1000~502000MTS三参量MTS全套MTS,台面首钢制造，目前正在调试北京工业大学*2002水平单自由度3*3625X：±1.0X：±600X：±1250.4~50250330位移部分MTS部分控制自制中国水利水电科学研究院*1987三向六自由度5*523.520X：±1.0Y：±1.0Z：±0.7X：±400Y：±400Z：±300X：±40Y：±40Z：±300.1~1202*3401*5904*2001155三参量反馈Schenck工作频率高，正准备升级控制同济大学*19831995三向六自由度4*41025X：±1.2Y：±0.8Z：±0.7X：±1000Y：±600Z：±600X：±100Y：±50Z：±500~501200三参量反馈MTS部分部件由国内红山厂配套，运行良好哈尔滨工业大学*1987三向六自由度3*4312X：±1.3X：±600X：±1253.4~40250330位移Schenck共用油源，Schenck作动器，其余自制中国地震局工程力学研究所*19861997三向六自由度5*52030X：±1.0Y：±1.0Z：±0.7X：±600Y：±600Z：±300X：±80Y：±80Z：±500.5~402*2502*2504*250自制红山设备开发能力强，全套国产河海大学*1985水平竖向双向四自由度2*2.86X：±1.0Z:±0.8X：±500Z:±340X：±50Z:±340.1~100150208MTS另有2*6m滑台广州大学1995三向六自由度3*310X：±1.0Y：±1.0Z：±2.0X：±100Y：±100Z：±100X：±100Y：±100Z：±500~50MTS全套引进MTS大连理工大学1985水平+竖向+摇摆3*35.210X：±1.0Z:±0.7X：±500Z:±350X：±75Z:±500.1~50152数字MTS原为单自由度昆明理工大学1984水平竖向双向2*1.50.5~80MTS台湾交通大学水平单自由度3*3510X：±125150武汉理工大学2003水平单自由度3*361.35001000.4~40国产西安建筑科技大学水平单自由度2*24.5中国核动力研究所英国SeverTest重庆公路研究所台面尺寸比较最大工作频率比较最大加速度比较最大速度比较1美国Nevada大学Reno分校振动台阵

三个台面尺寸均为4.35m×4m，竖向承载能力为45吨,最大水平位移为

300mm，最大加速度为1g，总投资为1000万美元左右，由美国MTS公司生产。

Buffalo大学的线型地震模拟振动台阵由二个振动台组成，其二个台面尺寸均为3.6m×3.6m，竖向承载能力为50吨,最大水平位移为

150mm，最大加速度为1.15g，总投资为700万美元左右，由美国MTS公司生产。2美国Buffalo大学振动台阵

国内重庆交通科研设计院建成了由一个固定的Ａ台和一个可沿轨道移动的Ｂ台组成的二台线型地震模拟试验台组；其A台和B台的台面尺寸均为3m×6m，竖向承载能力均为35吨，最大水平位移为

150mm，最大加速度为1g，B台可在纵向20m范围移动，设备总投资为3200万人民币，由英国一家公司生产。

3重庆交通科研设计院振动台阵

北京工业大学建成了由原固定一个3m×3m台和新建九个可沿轨道移动的1m×1m台组成的十子台阵地震模拟试验台组；新建振动台竖向承载能力均为5吨，最大水平位移为

75mm，最大加速度为1.5g。

4北京工业大学振动台阵ABCD

多功能振动台组系统由四个可沿轨道移动的A、B、C、D台线型组成（6m*6m,6自由度）,预期投资1亿元。

5同济大学4台振动台阵（规划）

中间固定台为4m×4m，两个可移动边台为2.5m×2.5m；最大竖向承载能力为10t-22t-10t，台面最大位移均为

250mm；预计投资为1800万人民币。6福州大学3台振动台阵（规划）211、加速度加速度传感器为绝对传感器，可将其直接安装在模型结构的各个楼层位置。为了准确地测量模型结构基底的加速度，除在振动台台面安装加速度传感器外，在模型结构基底也安装加速度传感器。通过实测的加速度，可以推算各楼层所受的惯性力作用。四、数据采集

地震模拟振动台试验是一种高速动态试验，试验中采集的数据主要包括模型结构各测点的加速度、位移和应变。

222、位移位移传感器为相对传感器，在振动台试验中，要设置位移传感器安装支架，安装支架应有足够的刚度且不受振动台运动的影响。将位移传感器固定在安装支架上，测量模型结构与安装支架之间的相对位移。四、数据采集

233、应变对于钢结构模型，可直接采用电阻应变计量测试验中的应变变化。对于混凝土结构和砌体结构模型，由于反复受力的特点，电阻应变片很容易因开裂而失效。常采用位移传感器在一定标距下的测量值作为该标距范围内的平均应变。四、数据采集

24此外，由于试验速度快，模型结构的损伤和破坏过程的观测和记录应由图像采集系统自动完成。地震模拟振动台试验为破坏性试验，希望得到模型结构倒塌破坏时的有关数据，例如，倒塌前各楼层的惯性力分布。因此，试验时要采取可靠的安全措施，一方面防止人员受到伤害，另一方面，还要保护测量仪表，避免不必要的损失。四、数据采集

25五、加载方法

根据场地类别、烈度和震中距离，设计和选择台面输入加速度时程曲线；输入加速度幅值和持续时间（对于拟合人工地震动，持续时间宜≥20s）；加载前采用正弦频率扫描法或白噪声激振法测定试体的自振频率、振型和阻尼比等动力特性；

26五、加载方法

依据试体模型计算的地震反应，估计逐次输入台面加速度幅值；输入某一幅值的加速度时程曲线，量测试体的动力反应（加速度、速度、位移和应变等）、放大系数和弹性性能；如此，逐级加大幅值，直至试体开裂，进入弹塑性阶段，观测与记录裂缝开展情况；继续加大幅值，或保持某一峰值反复输入，直至试体破坏，记录试体破坏特征及相关数据。27抗震试验方法对比方法优点缺点拟静力试验加载制度简单明确；很容易得到构件恢复力模型和承载力计算公式；能评价构件的抗震性能；（性价比最高的抗震试验方法）加载制度主观确定，与实际地震作用历程无关，很难