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1、振动台结构模型试验中振动台结构模型试验中的若干问题的若干问题上海同济大学上海同济大学一、振动台模型试验的意义一、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
2、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15m20m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6m6m三向六自由度振动
3、台。全世界大型的模拟地震振动台统计全世界大型的模拟地震振动台统计（台面负载（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102170日本电力研究所66.5125日本国有铁道研究所128100128400日本土木研究所68100意大利ENEA1616150罗马尼亚建科院7780日本科技厅防灾中心1515500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6680日本原子能工程试验中心15151000英国GEC4.34.3100前苏联HRI6650日本PWRI88300日本科技厅防灾中心6675中国模拟地震振动台统计中国模拟地震振动台统计(1) 设置部门台
4、面尺寸(m)最大试件(t)同济大学4425哈尔滨工力所5520中国水利科学研究院5520广州大学3310河海大学22.86中国模拟地震振动台统计(2) 大连工学院3310云南工学院1.522.5香港理工大学3310台北NCREE5530北京理工大学225中国核工业设计院66在建中国建筑科学研究院66在建大型大型6自由度振动台试验系统自由度振动台试验系统水下振动台试验系统水下振动台试验系统振动台台阵振动台台阵广州大学的广州大学的振动台振动台同济大学的同济大学的振动台振动台大连理工大学的振动台大连理工大学的振动台大连理工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中国水科院的振动台中国水科院
5、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同济大学土木工程防灾国家重点实验室19831983年从年从美国美国MTSMTS公司引进模拟地震振动台。公司引进模拟地震振动台。试验室试验室MTSMTS振动台基本性能参数如下：振动台基本性能参数如下：n n台面尺寸台面尺寸 4.0m4.0 m4.0m4.0 mn n振动波形振动波形周期波、随机波等周期波、随机波等n n最大试件质量最大试件质量 2525吨吨n n频率范围频率范围0.150Hz0.150Hzn n控制振动方式控制振动方式 三方向六自由度三方向六自由度n n数据采通道数据采通道9696三、同济大学振动台模型试验三、同济大学振
6、动台模型试验部分振动台建筑结构模型试验研究项目部分振动台建筑结构模型试验研究项目东方明珠电视塔东方明珠电视塔东方明珠电视塔东方明珠电视塔上海大剧院上海大剧院上海大剧院上海大剧院浦东国际机场侯机楼浦东国际机场侯机楼浦东国际机场侯机楼浦东国际机场侯机楼南方电力调度中心南方电力调度中心南方电力调度中心南方电力调度中心深圳商隆中心大厦深圳商隆中心大厦深圳商隆中心大厦深圳商隆中心大厦上海九百城市广场上海九百城市广场上海九百城市广场上海九百城市广场浦东香格里拉扩建工程浦东香格里拉扩建工程浦东香格里拉扩建工程浦东香格里拉扩建工程深圳京广中心深圳京广中心深圳京广中心深圳京广中心上海交银金融大厦上海交银金融大厦
7、上海交银金融大厦上海交银金融大厦浦东青少年活动中心浦东青少年活动中心浦东青少年活动中心浦东青少年活动中心南京多媒体大厦南京多媒体大厦南京多媒体大厦南京多媒体大厦上海仙乐斯广场上海仙乐斯广场上海仙乐斯广场上海仙乐斯广场重庆建设大厦重庆建设大厦重庆建设大厦重庆建设大厦上海凯旋门大厦上海凯旋门大厦上海凯旋门大厦上海凯旋门大厦浦东世茂滨江花园浦东世茂滨江花园浦东世茂滨江花园浦东世茂滨江花园广州天王中心广州天王中心广州天王中心广州天王中心广州南航大厦广州南航大厦广州南航大厦广州南航大厦北京北京北京北京LGLG大厦大厦大厦大厦广州越秀大厦广州越秀大厦广州越秀大厦广州越秀大厦高桥国际金融中心高桥国际金融中心
8、高桥国际金融中心高桥国际金融中心上海星海大厦上海星海大厦上海星海大厦上海星海大厦广州国际金融大厦广州国际金融大厦广州国际金融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北京LG大厦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
9、体结构抗震性能研究砌体结构抗震性能研究底部两层框架砌体结底部两层框架砌体结构抗震试验研究构抗震试验研究砌体结构地震倒砌体结构地震倒塌试验研究塌试验研究桩土结构相互作用研究桩土结构相互作用研究国家自然科学基金国家自然科学基金重点项目重点项目桩土桩土结构相互作用研究结构相互作用研究核安全壳抗震试验核安全壳抗震试验95重点攻关项目重点攻关项目快堆主钠池堆芯抗快堆主钠池堆芯抗震安全评价方法研震安全评价方法研究（究（19962001） 结构控制试验结构控制试验结构隔震技术研究结构隔震技术研究中日合作项目中日合作项目25吨吨 钢结构基础钢结构基础组合隔震性能研究组合隔震性能研究基础研究项目基础研究项目钢筋
10、混凝土框架减隔钢筋混凝土框架减隔震性能研究震性能研究钢管拱桥结构抗震试验研究钢管拱桥结构抗震试验研究 非结构构件试验非结构构件试验玻化石幕墙抗震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
11、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
12、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n n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。n n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。n n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。n n施工方法、振捣方式和养护条件都与普通混凝土相同。n n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。n n
13、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。n n微粒混凝土的材料特性见下页。n n微粒混凝土强度与弹性模量关系n n微粒混凝土强度与弹性模量关系应力应变曲线n n曲线分为上升段和下降段n n上升段 y=x*(2-x)n n下降段 y=x/(x+a(x-1)n n曲线与普通混凝土具有较好的相似性n n初始弹性模量与强度保持一致的相似关系有机玻璃n n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；n n有机玻璃的特点是弹性模量低n n其泊桑比（）也较接近混凝土的泊桑比（）n n有机玻璃
14、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。 n n有机玻璃的材料特性为1、弹性模量 E=2600MPa2、泊桑比 3、容重g=1200 kg/m34、极限强度为25.6 MPa材料材料屈服强度屈服强度(MPa)(MPa)极限强度极限强度(MPa)(MPa)弹性模量弹性模量(MPa)(MPa)伸长率伸长率(%)(%)镀锌铁丝镀锌铁丝2863302863303754603754602102105 52626白铁皮白铁皮2753052753053504003504002102105 52020紫铜紫铜195195 1.110 1.1105 53030铝合金铝合金17
15、0170 3.310 3.3104 4紫铜、铝合金、白铁皮n n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；n n利用锡焊和螺丝将构件连接在一起；n n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n n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。n n砂浆按相似关系调整，但其灰缝厚度不能太小；n n设计模型时应按砌体结构抗侧承载力建立相似关系。土n n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；n n在弹塑性地震反应时，土体与上部结构的非线性程度发
16、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；n n地震反应前后均应取模型土样进行检验；模型制作技术模型制作技术钢筋的绑扎型钢的制作模板的使用n n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。桩桩-土土-结构相互作用模型箱的制备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试验对模型箱的基本要求（1）能像土体那样发生剪切变形；（
17、2）尺寸要足够大，能消除模型箱边界效应的影响。1.1 SPSI Tests in University of California, Berkeley, USA1.2 SSI Tests in Japan1.3 SSI Tests in a joint research between Waseda Univ. and UCSD1.4 SSI Tests in this Project（Tongji Univ.)国内外桩国内外桩-土土-结构相互作用模型试验概况结构相互作用模型试验概况1.1 SPSI Tests in University of California, Berkeley, US
18、A (1998)Flexible Wall BoxFlexible Wall BoxShaking Table Model Tests of Soil-Pile-Shaking Table Model Tests of Soil-Pile-Superstructure Interaction in Soft ClaySuperstructure Interaction in Soft Clay1.2 SSI Tests in Japan (1995-2000)Large-scale Shear Box of the Simple Shear TypeLarge-scale Shear Box
19、of the Simple Shear TypeShaking Table Test of Reinforced Earth Shaking Table Test of Reinforced Earth Retaining Wall with Shear BoxRetaining Wall with Shear BoxShaking Table Test of Soil-Pile Interaction with Shaking Table Test of Soil-Pile Interaction with Shear BoxShear BoxThe experiments are cond
20、ucted using a 5 meter long by 1.2 meter wide soil-box that is 2 meters tall. It is constructed of steel with acrylic window panels in one side for viewing the soil movement. (2000-2001)1.3 joint test between &1.4 layered soil-structure test in Tongji (1999-1.4 layered soil-structure test in Tongji (
21、1999-2001)2001)Scale factor1/20, 1/10Layered soilsilty clay,sandy silt, medium sand Unidirectional and bi-directional excitation试验测试技术研究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数据采集与分析整理STEX 3 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系统标定与控制定期对标准传感器进行计量标定对振动
22、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
23、的幅度。根据试验采集的加速度、位移和应变的数据，可以分析模型结构的地震响应。此外，试验还可宏观观察结构变形和开裂状况。 n n试验可直观且准确再现结构在不同烈度地震作用下的地震反应；n n模型响应与原型在相应地震作用下的响应具有相似性，从而对原型结构的抗震性能进行研究；n n根据试验结果，提出改善结构抗震性能的建议。试验成果在实践中得到应用，对工程设计给予指导。 振动台模型试验中的有关基础理论和应振动台模型试验中的有关基础理论和应用技术方面还有许多问题需深入研究：用技术方面还有许多问题需深入研究：（1）振动台模型试验的动力相似理论研究，）振动台模型试验的动力相似理论研究，包括不同介质模型试验的
24、相似要求，非线包括不同介质模型试验的相似要求，非线性阶段和破坏阶段的动力相似要求，重力性阶段和破坏阶段的动力相似要求，重力效应失真时的相似要求，模型尺寸效应的效应失真时的相似要求，模型尺寸效应的影响及考虑方法，模型缩小后加载速率提影响及考虑方法，模型缩小后加载速率提高对模型试验结果的影响等等。高对模型试验结果的影响等等。五、振动台模型试验中需要研究的问题五、振动台模型试验中需要研究的问题（2）模型制作中的有关实用技术，包括不同）模型制作中的有关实用技术，包括不同结构材料的代换或配置，构件截面特性的结构材料的代换或配置，构件截面特性的等效，材料特性的合理控制等等。等效，材料特性的合理控制等等。（
25、3）不同缩尺模型材料的力学性能试验与计）不同缩尺模型材料的力学性能试验与计算模拟技术及方法等。算模拟技术及方法等。（4）模型试验数据的分析方法，包括数字滤）模型试验数据的分析方法，包括数字滤波，加速度、速度和位移的相互转换，小波，加速度、速度和位移的相互转换，小波变换等新兴分析技术的应用，试验数据波变换等新兴分析技术的应用，试验数据的网络化标准等等。的网络化标准等等。（5）利用试验数据识别模型结构及原型结构）利用试验数据识别模型结构及原型结构损伤的理论与方法，用模型试验结果推算损伤的理论与方法，用模型试验结果推算原型结构动力性能、抗震能力的理论与方原型结构动力性能、抗震能力的理论与方法等等。法等等。（6）远程试验中的控制策略、传输方式、数）远程试验中的控制策略、传输方式、数据共享和保护等基础技术与方法研究。据共享和保护等基础技术与方法研究。（7）振动台模型试验标准的研究。）振动台模型试验标准的研究。
