土动力学4-3课件

第四章土的动力指标及其测定第五节振动台试验5/12/2024土动力学大型振动台试验是近十多年发展起来用于土的液化势研究的室内大型动力试验设备。它具有以下优点：1、可以通过电液伺服机构最大限度地模拟地震波的作用，使土层在输入的水平加速度作用下受剪。2、可以弥补小型试验中难以克服的问题。3、可以利用大试样模拟天然土层的应力条件。4、可以减少小型仪器的“边界效应”影响。5/12/2024土动力学振动台试验在抗震研究中的作用研究结构的动力特性、破坏机理和震害原因验证抗震设计理论和计算模型的正确性研究动力相似理论检验产品的抗震性能为结构抗震静力试验提供依据5/12/2024土动力学试验设计应考虑的因素试验结构的周期结构所在场地条件振动台台面的输出能力5/12/2024土动力学在正式的试验前，采用自由振动法或脉动法量测结构的动力特性装上模型后，可采用小振幅的白噪声输入进行激振试验或采用正弦波输入的连续扫描，通过共振法测得动力特性5/12/2024土动力学建筑结构动力特性主要包括结构的自振频率、阻尼系数、振型等基本参数。这些参数称为动力特性参数或振动模态参数这些参数由结构形式、质量分布、结构刚度、材料性质、构造联结等因素决定，与外荷载无关5/12/2024土动力学振型测量结构上各点在振动时的位移、速度和加速度都是时间和空间的函数在某一固有频率下结构振动时各点的位移呈现一定的比例关系5/12/2024土动力学将此时结构各点的位移连接起来，即形成一定形式的曲线，这就是结构对应于某一固有频率的不变的振动形式，称为振型采用自由振动法或强迫振动法测量结构的振型时，可在结构的不同部位布置传感器，根据同一时刻不同部位的振动幅值来确定结构的振型5/12/2024土动力学结构反应量测主要量测结构或构件的位移和加速度反应测点布置在产生最大位移或加速度部位5/12/2024土动力学加载过程一次性加载多次性加载动力特性试验振动台输入运动加大台面运动继续加大台面运动输入破坏性动载5/12/2024土动力学为了确保试样在受振过程中处于“自由场”状态，试样的长高比>10。振动荷载必须是接近于地震时剪切波自基岩向上垂直输入的情况。必须控制试样的均匀性和代表性。应根据实际效果选用砂雨法、振密法、填捣法、沉积法等。5/12/2024土动力学超载压力增加时，引起饱和砂样所需的循环次数也增加。抗液化阻力随加速度幅值的增大而减小。振动台试验的缺点在于制备大型试样极不经济，而且不同的制备方法所造成的差异反映在应力比上可差200%。5/12/2024土动力学5/12/2024土动力学实例一、神户码头地震模拟试验5/12/2024土动力学5/12/2024土动力学5/12/2024土动力学5/12/2024土动力学5/12/2024土动力学5/12/2024土动力学5/12/2024土动力学5/12/2024土动力学5/12/2024土动力学5/12/2024土动力学振动波形：正弦波激振频率：5Hz、10Hz激振加速度：250～800gal5/12/2024土动力学平均粒径d50:0.17mm不均匀系数Cu：1.39孔隙比：非液化层0.62~0.71基底土0.62,0.90,0.92,0.97,1.00,1.06

5/12/2024土动力学5/12/2024土动力学5/12/2024土动力学5/12/2024土动力学5/12/2024土动力学5/12/2024土动力学变形破坏机理地基模型的运动以侧向位移为主，位移方向朝向离岸方向，表明重力作用是地基运动的主要影响因素。挡土墙在振动液化过程值的变形破坏主要取决于基底土和墙后填土的动力特性由于墙后填土在振动过程中的收缩特性，仅仅基底土起着抵抗墙体运动的作用。5/12/2024土动力学随着超静水压力的增加，基底土的强度降低，并在墙趾附近产生局部液化，使挡土墙失去稳定。墙后动土压力的增加，为挡土墙的运动提供了条件。墙后液化土层在重力作用下随着挡土墙一起产生侧向流动。5/12/2024土动力学结论墙后填土在远离挡土墙的区域迅速液化，而靠近挡土墙的地方超静水压力增加很慢，说明墙后砾石层能够起到减低液化趋势的作用。地基模型的运动以侧向位移为主，位移方向朝向离岸方向，表明重力作用是地基运动的主要影响因素。基底土的强度降低和局部液化是挡土墙变形破坏的主导因素，墙后动土压力的增加，为挡土墙的运动提供了条件。5/12/2024土动力学实例二、上海东方明珠广播电视塔振动试验

1：505/12/2024土动力学模型和原型的主要相似关系物理量相似系数相似值长度Sl1/50密度Sρ6.975弹性模量SE0.5质量Sm5.58×10-5时间St0.075频率Sf13.39速度Sv0.267加速度Sa3.58模型质量373.94kg附加铅块4056.06kg5/12/2024土动力学测试内容包括加速度、位移和应变反应试验目的是研究模型他的自振频率、振型、阻尼和在多遇7、8、9度，罕遇7、8度地震作用下结构的地震反应、破坏现象和破坏机理按相似关系推算原型塔的地震反应和抗震性能根据试验目的选用三类地震波：根据地震危险性分析得到的人工地震波、天然地震记录波和拟合规范反应谱的人工地震波5/12/2024土动力学试验结果振型12345频率2.6043.9068.46413.0217.58阻尼比0.0300.0300.0250.0180.0305/12/2024土动力学模型位移包络图5/12/2024土动力学实例三

上海凯旋门大厦模型振动试验

1：255/12/2024土动力学模型相似系数物理量相似系数物理量相似系数长度1/25应变1频率11.19质量6.4×10-5密度1位移1/25弹性模量1/5加速度5.05/12/2024土动力学输入地震波型EL-CENTRO地震记录波PASADENA地震记录波根据地震危险性分析得到的人工地震波应变测点共25个，分别布置在1、6、25、26、27层柱和6、25、26、27层梁上加速度测点共21个5/12/2024土动力学模型动力特性模型的振型形式与计算机对原型的计算结果基本一致扭转频率旁都伴有平动频率，这一现象将导致结构在地震动下容易引发扭转振动输入地震波时自振频率下降，结构刚度改变，表明模型出现了微裂缝地震结束时自振频率增高，说明部分裂缝闭合，钢筋又进入弹性阶段5/12/2024土动力学加速度反应结构东、西塔楼加速度反应不一致模型开裂后，在两塔楼中部加速度反应较大，且随着开裂程度的加深，加速度反应越来越大根据相似关系，可得原型结构自振频率。前三阶频率与场地卓越频率较近，可能发生共振，且第三频率为扭转频率，易引起结构扭转破坏5/12/2024土动力学位移与应变模型顶部，东西两侧位移基本接近。两塔楼中部，东西两侧位移相对较大。说明扭转反应对结构顶部作用不大，而对塔楼中部影响很大两塔楼之间相对位移反应较大顶点最大位移X方向350mm，Y方向559mm。相应的总位移角分别为1/303，1/190。都满足规范要求柱的最大应变出现在底层柱，在基本地震烈度下该点已微裂，在罕遇地震烈度下该点已裂开。局部弯曲引起的应变约为整体弯曲引起的应变的50%梁的最大应变出现在26层过街楼大梁处，在基本地震烈度下该点接近微裂，在罕遇地震烈度下该点已裂开。5/12/2024土动力学破坏部位在多遇地震作用下，结构基本处于弹性阶段，仅部分构件出现微裂，设计满足规范要求在基本烈度地震作用下，结构开裂，塔楼处部分柱钢筋屈服，但结构不会整体倒塌，设计基本满足规范要求在罕遇地震作用下，结构普遍开裂，塔楼处严重破坏，局部丧失承载力由于模型相似设计时，忽略了重力加速度作用，所以原型结构的实际震害将更严重5/12/2024土动力学门式结构不利于抗震结构刚度在门洞处发生突变该结构开裂后自振频率下降高振型与场地卓越周期频率合拍结构为一开口薄壁杆，抗扭性能差结构扭转频率附近都有平动频率，易引发扭转振动5/12/2024土动力学结构薄弱部位6-11层柱25、26层门洞处柱、梁12层以下梁底部剪力墙、柱5/12/2024土动力学模型试验结果比计算机模拟结果大对于剪切变形，频率增大40%对于整体弯曲变形，则刚度和频率将增77.3%更多实际上，试验值比计算值平均大77.3%5/12/2024土动力学由于模型试验结果与有限元计算结果相差较大，为此对建成后的大厦进行了自振特性测试分三段布置速度传感器测点第一段测点为30、25、20层第二段测点为20、15、10层第三段测点为10、6、1层5/12/2024土动力学分析结果振型号振型形式实测自振频率模型试验结果计算结果自振频率误差%自振频率误差%1南北0.5570.63413.820.335-39.862东西0.7230.92427.800.499-30.983扭转0.9381.073