振动台实验方案设计实例

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π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，Sg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=SE/SlSρ=1，即Sl=SE/Sρ，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Sa>1，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：式中：为结构反应应力，为结构构件尺寸，为构件的弹性模量，为构件的质量密度，为时间，为结构反应变位，为结构反应速度，为结构反应加速度，为重力加速度，为结构自振圆频率。取,,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,,的幂次单项式。定义A在原型结构中的数值为，在模型中的数值为，那么在模型设计中量A的相似比为。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。你一般得情况鄙下，膝振动第台试垃验是词模型蒸试验固，要码做到哗所有赔物理批量完印全相命似是断十分惧困难禁的，丛甚至紫是不膨可能傲的。转因此边在实皱际试销验中啦只能悄要求横保证熔主要誓的物瓣理量遍相似葛，不筒能要讲求所小有的朽物理鼓量都鼓严格纳相似柜。悉根据耗表辜1-盾1驰（模课型苏/士原姻形献=1厚/3旱5超）摔模型冷与原奸型的偿相似姥关系航，盯根据谁振动付台的金承载鸣能力付，同挨时估捕算模急型重毛量后艳，对偿模型智配重佛进行欣初步覆验算绩。亭其中易弹性朱模量通的相吧似关喘系需悄根据杨模型遭材料俘试块澡的测增试结策果加套以调何整。归表品1拢-1疾眠勿模型勺与原存型的振相似摸关系勇（几沸何比炕：模彼型尾/姨原梦型穿=1境/3铁5索）报相似士系数殃符号辱公式际比值捧（模种型匠/酬原型五）俊尺寸劳S扎l罪模型怖l巷/绘原型载l救1/肥35馆弹性均模量唤S灿E里模型穗E抵/疾原型运E维1/虾4.情0循加速吧度差S杜a废S拔a咸=值S糕E录S堤l下2寸/猜S谅m卫2.者24伪5奖质量逐S衬m所模型想m寨/肚原这型垃m听1/吊11宫00朋0裹时间粗S腔t构S沿t搂=掀0.葵11午28跪频率魄S贪f步S腿f尖=1祥/惧S喊t花8.袖86优41村速度企S以v稼S觉v算=笑0.斩2锁53桐3歪位移杂S倦u您S赏u欠=糟1/语35馋应力焰1/豆4.灶0室应变戒1府刚度疤S哈k同0.钩0您07角1爸阻尼咽Sc盐0.绿00戚08天1闲1.水3个模型摊设计态及模专型氧材料教模型掠比例盏选株用邀1/料3只5厘，依酬据相贿似理倒论进坟行模碌型设藏计。川在模辟型设普计、败制作洗过程辨中与阅甲方扎和设凡计单铲位进皱行甲3凯～牌4莫次讨校论和使确认溪。屯1虾）模也型混迹凝土鱼模型减用闪微粒档混凝雄土制吧作，女材料弃为水谣泥沙答浆。落水泥醒为貌42丈5茄R订号硅箭酸盐共水泥丧，骨垃料为虫粗砂氏和细汁砂。敏选用麻不同纠配合您比使搭微粒忘混凝书土达合到不云同的登强度项等级寻和弹园性语模俘量，弱以模称拟原逗型板C3依0六～纪C贝60邀混凝猴土。但在模繁型制茄作过吧程中搁同时坏浇注友规定雾数量仓的砂巷浆立光方体施试块汪和棱中柱体胞试块面以测随定微争粒混截凝土篮材料懒的强饼度和映弹性舍模量篮。试歌块和隙模型沙同时该养护迹。材染料性身能试陡验在朗广州肠大学辜广东你省重姜点育实验相室既（教土育部头、科田技部适共建颤重点碧实验虚室）钥进行橡。弹纤性模赴量的沉测定谢是将胳棱柱剃体试堤块（毙尺散寸旨70冤.7恭mm睡×7网0.测7m席m×亭24尽0m章m耀）置宜于箱10值t妈标准循压力积试验父机上里进行赞重复窑加载仪。使奖用荷酬载传究感器恳、千去分表滤测荷扔载和墓变形山，然惹后绘继出应钟力变女形曲悄线，委重复笔进行帆加载招和卸点载，渗直到于曲线抢的残贤余变里形不暗再增狮长为守止，摧加载卸和量恒测按祖照《岛混凝身土结讲构试披验方蕉法标钢准》忌（蓄GB宁50近15异-9暴2到）的家要求愤进行芝。障2木）模究型钢膛筋律模型证钢筋衣采用努回火遮镀锌左铁丝含。根毁据刚教度条也件选乱用直骨径公为欲22吐＃衰－私8费＃竖等多兄种规扛格的尤回火欣镀锌两铁丝犹。根喊据模趁型和把原型扁配筋捉率相马似的配原则铁进行民模型女配筋鞭，并摆满足戏构造洒要求掠。缓3柳）模裕型型切钢杜对型插钢的狱模拟呈采用致刚度潮相似蛛原则辅，梁夕柱型呈钢、四型钢养混凝只土内计型钢膛及支楼撑型梅钢（踢包括悄工字催型、土十字茅型和扣箱型刊）用牢不同隔厚度均的薄缩钢板糖（或坝紫铜番）群焊接伴而成哥，模元拟实笛际工洋程中咳不同诵截面袍的型栋钢。挤4糕）模建型钢参结构吹对模吹型内早连杆应、梁纤、柱莫等钢焦结构率构件盾，采毅用刚惧度相剧似的确原则原设计千，选捕用成隔品钢扫结构停构件懂（或扰紫铜挖构件稿）岸加工醋成形搞。捆5闪）模肯型钢眉管混风凝土悬模型班钢管蔬混凝建土采陈用钢男管（杯或紫锈铜管研）微乱粒混队凝土备来制暖作。旦钢管律（或颗紫铜脏管）机内灌荷注微概粒混回凝土盛，微帆粒混挎凝土念中加肿入膨还胀剂江以防部止钢饼管（棍或紫益铜管慌）与若混凝圈土之柴间离吨析。怀根据摘钢管孟（或抹紫铜孔管）盛混凝限土构碑件整睡体刚团度相颈似原鞋则，号尽量若兼顾闪模型条的强天度相季似，诚选择华不同孙壁厚唯和直抓径的弱钢管涉（或碑紫铜仰管）捷和不稳同配佛合比乡的微割粒混荣凝土大。在黎模型杠制作鼓前，舅先进亲行小幼比例纺的构座件试用验，啊确定摧材料慨的刚勉度和绢强度殃。拔防屈途曲支灯撑模长拟垒防屈剪曲支响撑答（程UB霉B球）初民步拟颤定小株震作拜用下僵按刚号度相翼似来魂模拟渡，大文震时炸考虑哥换一指批栋UB逢B他，按抱阻尼悦相似棵模拟属。具茫体模缝拟方三案还冻要与陕设计钢方及颈制作亲方沟维通协项商确筋认。研1.膨4皱谨测点召布置骆测点逗的布潮置主精要考唇虑测费试模题型的觉动力码特性龙、结叔构的遍地震谦反应融以及腥关键搂部位遇的受万力情萍况和精弹塑养性变绣形情炮况。撇因此啊，需绵要在确适当气部位粘布设框加速右度传哄感器航、位骑移传疤感器单及应锦变片源。演1.总4颗.1尼测点楼布置戏原则历1尊）模蜂型动凤力特天性的暮测试道由于盖在振沉型分蜻析中穗只需叶加速灶度数尸据，北在测蓬点布温置上存可仅彻布置每加速件度传嫁感器从。测疯点主僵要分辉布在蔬结构赠模型温两个含水平只主振真型方左向上拥，中圣间点察（谱A课点）杂主要励用于央单方如向主歼振型蠢的测执试，棵外围榜点（误F狱点）讯主要闪用于柄空间弟扭转桶振型径的测春试。尺2抽）模四型结躲构地抚震反罪应的棉测试锅为了的解结窝构模筐型丈在雪X踪、潮Y念、伸Z件三个衬方向举上的格地震于反应绪情况绝，加逢速度半传感索器和蝴位移脏传感寄器沿境结构似的三当个方令向布凝置。伤在顾A鞭点布手置加主速度概传感电器及温位移毛传感薄器。装同时升为了苗考虑震结构恩的扭御转效扫应，柴在洲F迎点湿布置例位移常传感舱器。掉加速势度传俩感器渣及位状移传泻感器寻沿结歉构高渠度布瓣置，颠测点扔的竖技向分组布间备距以衣反映塌结构坏模型讯的整皱体情马况为均原则壳。夫3农）应违变测凑点的跟布置源应变溪测点师布置洋在重满点观纵测的窃柱、耗梁的炒杆件剩上琴，找具体餐布置泼根据许计算聪结果瞧，并吃与设沫计方团商讨退确定荡，霸监测史重点物部位庸的受腊力情佩况和可弹塑贤性变划形情变况。迈1.帅4.帐2惑测点焰布置马方案银结构住测点俭的平短面缠及竖新向倾布置武图见炮图姥1-外6察、焰1-滋7怨。模焰态测盆试蔬及地抬震反胸应测短试抢用加景速度觉传感貌器测梳点布冲置方白案见接表象1-踢2迅，填共货有作74屿个通萄道。片应变扛测点厦布置弃在结哄构复侍杂连阴接、单转换句桁架摧、主客要受刷力构准件、蓬以及逢防屈芝曲支赚撑构传件等无处。喝具体立布置鸣方案找将割根据得计算孝结果塘与设渡计方挤商讨笑后确嘉定愤。剧1.待5铲悠试验薪工况很及顺洽序看在进中行结栏构地访震反偶应试验验之抄前，缠先进券行结熊构的口模态纹测试夕，分目别览在蔬X固、羊Y眉、纳Z雨三个愁方向黎输入徒白噪坛声，型测定匀结构社震前蚕的动押力特瓜性，勾为了挎保证渔模型峡在弹脊性变爪形范疯围内霸，白灾噪声忧的加航速度疲幅值冲采用辜0.慰0歪5牢g够。模荒态测族试工象况见覆表边1-证3器。坚表终1-签3衬衰模态慢测定陷试验垦工况碌试验隔序号蹄输入荡地震依波伶输入杯方向隶输入暖加速雪度峰舱值忍(嗽g)轰1引白噪炮声稻（疮0.闸1~翼40命H直z呜）政X另0.纵05蓬2考白噪救声吗（友0.肯1~屿40毕H旦z战）革Y伶0.道05便3数白噪此声译（盲0.街1~蒜40仗H沙z这）欠Z屯0.鸟05甲在每涌个遭地震帆水准从试验朴前后痒，各浅输入全一次丛白噪件声用傲以测剪定结辩构闷动力谋特性坝的变乒化情婚况专。商在多析遇地策震作衰用下锅，分遥别匠按甲沟方提挂供的搞人工稍波掉1劈、天教然滋波城1幻、天敏然代波雕2驳三巴个地践震波戴进筋行春X强向互、肚Y录向异和换Z淘向的素单向臣输入友，抛以便谷用来过与奇按《看建筑忠抗震怀设计镰规范断》弹妙性计碌算虎的苍结果俗进行罚比较廉和验袄证。答然后兄再进碰行图最危瓦险方慎向熄7更4舱度方兼向输脸入缓和除X+穗Y愉+午Z末三向赛输入诵。模敌型试衰验工掌况及享顺序算见伪表女1-悠4使。宾在火设防讽烈度恒地震刘作用唐下坛，露分别马进扛行璃X悲向者和研Y创向单次向输脆入，影以便慈与结懒构动缴力弹或塑性替时程玉分析顿结果指进行设比较敬。约然后泽进我行狡X+勿Y苏+Z迅三向弹输入拜。织模型逃试验导工况芦及顺玉序见副表额1-甘5迹。愿在罕宴遇地蔑震作塞用下零，尤根据坦前面夺的实惜验选李用最拖不利条地震淹波，散分别绣进崭行督X尺向返和除Y匪向单纪向输饰入匠和晕X+每Y静+减Z样三向驳输入赔，费以便译与结足构动旦力弹昂塑性级时程上分析蜻结果究进行尖比较中。模线型试享验工浆况及徒顺序还见表麦。俗表夫1-燃2译膜