振动台试验(终极版)

一、前言

模拟地震振动台可以很好地再现地震过程和进行人工地震波的试验，它是在试验室中研究结构地震反应和破坏机理的最直接方法，这种设备还可用于研究结构动力特性、设备抗震性能以及检验结构抗震措施等内容。另外它在原子能反应堆、海洋结构工程、水工结构、桥梁工程等方面也都发挥了重要的作用，而且其应用的领域仍在不断地扩大。模拟地震振动台试验方法是目前抗震研究中的重要手段之一。

20世纪70年代以来，为进行结构的地震模拟试验，国内外先后建立起了一些大型的模拟地震振动台。模拟地震振动台与先进的测试仪器及数据采集分析系统配合，使结构动力试验的水平得到了很大的发展与提高，并极大地促进了结构抗震研究的发展。

二、常用振动台及特点

振动台可产生交变的位移，其频率与振幅均可在一定范围内调节。振动台是传递运动的激振设备。振动台一般包括振动台台体、监控系统和辅助设备等。常见的振动台分为三类，每类特点如下：

1、机械式振动台。所使用的频率范围为1~100Hz，最大振幅±20mm，最大推力100kN，价格比较便宜，振动波形为正弦，操作程序简单。

2、电磁式振动台。使用的频率范围较宽，从直流到近10000Hz，最大振幅±50mm，最大推

力200kN，几乎能对全部功能进行高精度控制，振动波形为正弦、三角、矩形、随机，只有极低的失真和噪声，尺寸相对较大。

3、电液式振动台。使用的频率范围为直流到近2000Hz，最大振幅±500mm，最大推力

6000kN，振动波形为正弦、三角、矩形、随机，可做大冲程试验，与输出力（功率）相比，尺寸相对较小。

4、电动式振动台。是目前使用最广泛的一种振动设备。它的频率范围宽，小型振动台频率

范围为0~10kHz，大型振动台频率范围为0~2kHz，动态范围宽，易于实现自动或手动控制；加速度波形良好，适合产生随机波；可得到很大的加速度。原理：是根据电磁感应原理设置的，当通电导体处的恒定磁场中将受到力的作用，半导体中通以交变电流时将产生振动。振动台的驱动线圈正式处在一个高磁感应强度的空隙中，当需要的振动信号从信号发生器或振动控制仪产生并经功率放大器放大后通到驱动线圈上，这时振动台就会产生需要的振动波形。组成部分：基本上由驱动线圈及运动部件、运动部件悬挂及导向装置、励磁及消磁单元、台体及支承装置。

三、组成及工作原理

地震模拟振动台的组成和工作原理

1.振动台台体结构

振动台台面是有一定尺寸的平板结构，其尺寸的规模由结构模型的最大尺寸来决定。台体自重和台身结构是与承载试件的重量及使用频率范围有关。一般振动台都采用钢结构，控制方便、经济而又能满足频率范围要求，模型重量和台身重量之比以不大于2为宜。振动台必须安装在质量很大的基础上，基础的重量一般为可动部分重量或激振力的10~20倍以上，这样可以改善系统的高频特性，并可以减小对周围建筑和其他设备的影响。

2.液压驱动和动力系统

液压驱动系统给振动台以巨大的推力，按照振动台是单向(水平或垂直)、双向〔水平一水平或水平一垂直)或三向(二向水平一垂直)运动，并在满足产生运动各项参数的要求下，各向加载器的推力取决于可动质量的大小和最大加速度的要求;自前世界上已经建成的大中型的地震模拟振动台，基本是采用电液伺服系统来驱动。它在低频时能产生大推力，故被广泛应用。

3.控制系统

在目前运行的地震模拟振动台中有两种控制方法:一种是纯属于模拟控制;另一种是用

数字计算机控制。模拟控制方法有位移反馈控制和加速度信号输入控制两种。在单纯的位移反馈控制中，由于系统的阻尼小，很容易产生不稳定现象，为此在系统中加入加速度反馈，增大系统阻尼从而保证系统稳定。与此同时，还可以加入速度反馈，以提高系统的反应性能，由此可以减小加速度波形的畸变。为了能使直接得到的强地震加速度记录推动振动台，在输入端可以通过二次积分，同时输入位移、速度和加速度三种信号进行控制。

为了提高振动台控制精度，采用计算机进行数字迭代的补偿技术，实现台面地震波的再现。试验时，由振动台台面输出的波形是期望再现的某个地震记录或是模拟设计的人工地震波。由于包括台面、试件在内的系统的非线性影响，在计算机给台面的输入信号激励下所得到的反应与输出的期望之间必然存在误差。这时，可由计算机将台面输出信号与系统本身的传递函数(频率响应)求得下一次驱动台面所需的补偿量和修正后的输入信号。经过多次迭代，直至台面输出反应信号与原始输人信号之间的误姜小与预先给定的量值，完成佚代补偿并得到满意的期望地震波形。

4.测试和分析系统

测试系统除了对台身运动进行控制而测量其位移、加速度等外，还可对被测试模型进行多点测量，一般是测量位移、加速度和应变等，根据需要来了解整个模型的反应。位移测量多数采用差动变压器式和电位计式的位移计，可测量模型相对于台面的位移或相对于基础的位移;加速度测量多采用应变式加速度计、压电式加速度计，近年来也有采用差容式或伺服式加速度计。

电液式激振器的优点是重量轻、体积小，但却能产生很大的激振力，这种电液式激振器又称为动力千斤顶、电液伺服千斤顶、加振器、作动器等。电液式振动台推力可达几十kN~几百kN，主要用于大型结构物的振动试验，诸如汽车的行驶模拟试验、工程结构的抗震试验、飞行器的动力试验以及电工、电子产品的整机环境试验、筛选试验等。

四、加载设计

1、地震模拟振动台试验的加载设计

地震模拟振动台试验的加载设计是非常重要的，荷载选取过大，试件可能很快进人塑性阶段甚至破坏倒塌，难以完整地量测和观察到结构的弹性和弹塑性反应的全过程，甚至可能发生安全事故。荷载选取太小，不能达到预期日的。产生不必要的重复。影响试验进展，而且多次加载能对试件产生损伤积累。因此，为获得系统的试验资料，必须周密地考虑试验加载程序的设计。

进行结构抗震动力试验，振动台台面的输人一般选用地面运动的加速度。常用的地震波谱有天然地霞记录和拟合反应谱的人工地震波。

振动台是一个非线性系统，直接用地震波信号通过D/A转换和模拟控制系统放大后驱动振动台，在台面上无法得到所要求的地震波。在实际试验时，地展模拟振动台的计算机系

统将根据振动台的频谱特性。对输入的地震波进行分析、计算，经处理后再进行D/转换和模拟放大，使振动台能够再现的地震波。

2、在选择和设计台面的输人运动时，需要考虑下列有关因素：

(1)试验结构的周期

如果模拟长周期结构并研究它的破坏机理，就要选择长周期分量占主导地位的地震记录或人工地震波，以便使结构能产生多次瞬时共振而得到清晰的变化和破坏形式

(2)结构所在的场地条件

如果要评价建立在某一场地土上的结构的抗震能力，就应选择与这类场地土相适应的地震记录，即要求选择地震记录的频谱特性尽可能与场地的频谱特性相一致，并需要考虑地震烈度和震中距离的影响。在进行实际工程地震模拟振动台试验时，这个条件尤其重要。(3)考虑振动台台面的输出能力

主要考虑振动台台面的输出的频率范围、最大位移、速度和加速度、台面承载能力等性能，在试验前应认真核查振动台台面特性曲线是否满足试验要求。

3、地震模拟振动台试验的加载过程和试验方法

地震模拟振动台试验的加载过程包括:结构动力特性试验、地震动力反应试验和量测结构不同工作阶段(开裂、屈服、破坏阶段)自振特性变化等试骏内容。

结构动力特性试验，是在结构模型安装在振动台以前，采用自由振动法或脉动法进行试验量测。试验时应将模型基础底板或底梁固定。模型安装在振动台上以后则可采用小振幅的白噪声输人振动台台面，进行激振试验，量侧台面和结构的加速度反应。通过传递函数、功率谱等频谱分析，求得结构模型的自振频率、阻尼比和振型等参数。也可采用正弦波输人连续扫频，通过共振法测得模型的动力特性。当采用正弦波扫频试验时，应特别注意由于共振作用对结构模型强度所造成的影响，避免结构开裂或破坏。

根据试脸目的的不同，在选择和设计振动台台面输人加速度时程曲线后，试验的加截过程可以是一次性加载或多次加载的不同方案。

五、加载过程及试验方法

1、一次性加载

一次性加载试验的特点是：结构从弹性阶段、弹性阶段直至破坏阶段的全过程是在一次加载过程中全部完成的。试验加载时要选择一个适当的地震记录，在它的激励下能使试验结构产生全部要求的反应。在试验过程中，连续记录结构的位移、速度、加速度和应变等输出信号，观察记录结构的裂缝形成和发展过程，以研究结构在弹性、弹塑性以及破坏阶段的各种性能，如刚度变化、能量吸收能力等，并且还可以从结构反应确定结构各个阶段的周期和阻尼比。这种加载过程的主要特点是：可以较好地连续模拟结构在一次强烈地震中的整个表现与反应。但是因为是在振动台台面运动的情况下进行观测，所以对试验过程中的量测和观察设备要求较高，在初裂阶段，往往很难观攀到结构各个邵位上的细微裂缝。破坏阶段的观测更具危险，这时只能采用高速摄影或摄像的方法记录试验过程，因此在没有足够经验的情况下很少采用这种加载方法。

2、多次性加载

目前，在地震模拟振动台试验中，大多数的研究者都采用多次性加载的方案进行试验研究。一般情况下可以分为以下几个阶段:

（1）动力特性试验。测定结构在各试验阶段的各种不同动力特性。

（2）振动台台面输入振动信号，使结构产生中的程度的开裂。例如结构底层墙、柱微裂缝或结构薄弱部位的微裂缝。

（3）加大台面输入的振动信号，使结构产生中等程度的开裂。例如剪力墙、梁柱节点等部位产生明显的裂缝，停止加载后裂缝不能完全闭合。

（4）加大台面输入的加速度幅值，使结构变为机动机构，若稍加荷载就会发生破坏，受拉、受压钢筋屈服，裂缝进一步发展并贯穿整个截面，但结构还具有一定的承载能力。

（5）继续加大振动台台面的振动幅值，使结构变为机动机构，若稍加荷载就会发生破坏倒塌。

在各个试验阶段，被试验结构各种反应的测量和记录与一次性加载时相同，可以明确地得到结构在每个试验阶段的周期、阻尼、振动变形、刚度退化、能量吸收能力和滞回特性等。但由于采用多次加载，对结构将产生变形积累的影响。

六、观测及测量反应

1、地震模拟振动台试验的观测设计和反应量测

地震模拟振动台试验，一般需观测结构的位移、加速度、应变反应，结构的开裂部位、裂缝的发展、结构的破坏部位和破坏形式等。在试验中位移和加速度测点一般布置在产生最大位移或加速度的部位，对于整体结构的房屋模型试验，则在主要楼面和顶层高度的位置上布置位移和加速度传感器(要求传感器的频响范围为。0～100 Hz)。当需要测量层间位移时，应在相邻两楼层布置位移或加速度传感器，将加速度传感器测到的信号，通过二次积分即可转化为位移信号。在结构构件的主要受力部位和截面，应测量钢筋和混凝土的应变、钢筋和棍凝土的粘结滑移等参数。测得的位移、加速度和应变传感器的所有信号被连续输人计算机或专用数据采集系统进行数据采集和处理，试验结果可由计算机终端显示或利用绘图仪、打印机等外围设备输出。

七、安全措施

1、地震模拟振动合试验的安全措施

试件在模拟地震作用下将进人开裂和破坏阶段，为了保证试验过程中人员和仪器设备的安全，振动台试验必须采取以下安全措施：

（1）试件设计时应进行吊装验算，避免试件在吊装过程中发生破坏.

（2）试件与振动台的安装应牢固，对安装螺栓的强度和刚度应进行验算。

（3）试验人员在上下振动台台面时应注意台面和基坑地面之间的间隙，防止发生坠人或摔伤事故。

（4）传感器应与试件牢固连接，并应采取预防掉落的措施，避免因振动引起传感器掉落或损坏。

（5）有可能发生倒塌的试件，应在振动台四周铺设软垫，并利用吊车通过绳索或钢丝绳进行保护，防止试件倒塌时损坏振动台和周围设备。进行倒塌试验时，应将传感器全部拆除、同时认真做好摄像记录工作。

（6）试验过程中应做好警戒标志，防止与试验无关的人员进入试验区。

八、振动台试验实例

例题高层建筑结构模型地震模拟振动台试验

上海星海大厦位于江宁路普陀路口，该大厦地下2层，地上24层(局部25层)，立面从4层至20层开有巨大门洞。由于受建筑造型的限制，结构采用门式结构，两门框之间成20°。试验模型为l:25微粒混凝土整体模型。通过模拟地震振动台试验研究该结构的自振频率、振型，研究结构在遭受7度多遇、基本烈度和罕遇地震作用时的加速度、位移和应变反应以及结构的开裂、破坏部位和破坏形式。

（1）模型设计与制作

结构动力模型设计时，很难完全满足模型与原型之间的相似关系。该试验主要研究地震时结构的性能，因此设计主要应满足抗侧力构件相似关系。使墙、柱、梁、板构件及其节点满足尺寸、配筋(配筋按等强度换算)等相似关系，用设置配重的方法满足质量和荷载的相似关系。模型包括地下室、裙房和上部结构。模型相似系数见表1。

表1 模型相似系数

物理量相似系数物理量相似系数

长度1/25 弹性模量1/3.516

时间0.075 应力1/3.516

频率13.333 位移1/25

密度 1.0 加速度7.110

模型主体采用微粒混凝土和镀锌铁丝制作，墙、柱、梁、板等构件尺寸及配筋由相似关系计算得出。柱中纵向钢筋与箍筋的连接采用焊锡焊接。梁、板中配有点焊铁丝网或镀锌铁丝。

微粒混凝土设计强度为C12. 8、C11. 4和C 10.0，弹性模量为9528~8532N/mm2，实测结果见表2 。弹性模量与理论值较接近，强度都低于理论值。小比例模型在弹性阶段与原型相似较好，破坏阶段只能供参考。本试验尽量满足弹性模量相似，使模型与原型在自振频率方面相似较好，但开裂烈度模型小于原型，破坏程度模型大于原型。

由于模型比例较小，制作精度要求较高，因此对施工精度有特殊要求。该模型采用有机玻璃板作为外模，可以在浇筑过程中及时发现问题，保证浇筑密实。内模采用泡沫塑料。使用这种材料易于拆模。实际模型外形见图形。

表2 微粒混凝土强度及弹性模量（N/mm2）

楼层fcu Ec

实测值理论值实测值理论值

地下2~地上3 10.0 12.8 9524 9528 4~13 8.73 11.4 9474 9243

14~19 5.31 8.5 6338 8532

20~屋顶7.84 11.4 8955 9243

(2)振动台试验方法

①试验采用的波形

上海星海大厦场地类别为IV类场地土。根据原型场地条件以及原型结构的动力特性，

输人波形选用EL-Cen tro波、San-Fernando波及拟合规范反应谱的人工地震波。试验时，分为多遇地震、基本烈度地震和罕遇地震三种加速度，依次输人上述三种波形。

②测点布置

沿模型高度在3个主轴方向布置了23个加速度传感器。测量模型的加速度反应，同时布置了21.片应变片，测量模型关键部位主要构件的应变反应。

（3）试验结果

①试验现象

在七度多遇地震作用下，未发现可见裂缝.但在输人三向San-Fernando地震波时.模型自振频率下降，表明结构刚度下降，模型已出现微细裂缝。

在输入罕遇地震波时，3、4、5层剪力墙发现可见裂缝;输入San-Fernando地震波时，裂缝数量增多，部分剪力墙钢筋鼓出；输入人工地震波时，裂缝扩张，数量进一步增多。

在输入罕遇地震波时，裂缝进一步扩大，许多部位裂缝贯通，钢筋屈服，部分剪力墙出现斜裂缝。试验结束后模型并未倒塌。

②模型动力特性

台面输入地震波前，用白噪声对模型进行扫频，得到模型的固有谐振频率和阻尼比(见表3)，

该结构的自振特性有以下特点：

表3 模型自振频率（Hz）及阻尼比

频率序号 1 2 3 4 5 6

频率（Hz）9.766 13.021 39.714 41.667 43.620 48.177

阻尼比0.0423 0.0578 0.0319 0.0244 0.0139 0.0157

振型形式斜向扭转X向东塔Y 东塔X 西塔Y

①模型的第一振型为斜向振型。其他振型多为空间振型。

②东、西塔楼有各自的局部振动，由于两塔楼的质量和刚度不完全一致(施工和使用所至)，使两塔楼的自振频率有差异，结构的振型密集。

根据各次地震波输人时模型加速度反应的频谱分析可知，输人多遇三向地震波

(San-Fernando)时，x向自振频率下降、结构刚度开始改变，表明结构出现微裂缝。随着地展波输入幅值的增大，结构刚度不断减小。输人七度罕遇地震EL-Centro地震波时，模型x方向第一自振频率降至4. 557Hz, Y方向的第一自振频率降至2.604Hz。Y方向的开裂程度比x 方向的开裂程度严重，刚度蜕化也很严重。模型开裂后自振频率下降，振型变化很大。第一振型由试验前的斜向振动变成Y向振动，第二振型变成X向振动，表明结构的主惯性轴发生较大转动。

（4)模型加速度反应

①结构东西两方面的加速度反应不一致，这是由于高振型和扭转振型所致模型开裂后，在两塔楼的中部，加速度反应较大，且随着开裂程度的加剧，自振频率降低，高振型与地震波卓越频率合拍，导致塔楼中部引起较大的加速度反应。

②动力放大系数随地震烈度提高而减小，说明模型刚度下降，阻尼增大，结构进入非线性阶段后，使动力放大系数有所降低。

③在相同烈度水平下，模型加速度反应一般以输入人工波时为最大。

（5)模型位移反应

①模型东西两侧位移反应不一致，产生的原因主要是：

a.结构不对称。

b.结构反应为空间反应(翘曲，扭转等)。

②在同一烈度的不同地震波作用下，模型的位移反应一般以输入人工波时位移反应最大。

（6）模型应变反应

①剪力墙应变

在7度多遇地震作用下，最大应变出现在第3层，应变值为290με，表明剪力墙出现微细裂缝；在7度基本烈度地震作用下，最大应变仍出现在第3层，应变值为720με，剪力墙已经开裂;在7度罕遇地震作用下，最大应变仍出现在第3层，应变值为949με。

②柱应变

在7度多遇地震作用下，最大应变出现在底层，应变值为135με，相应的应力为1. 16MPa;在7度基本烈度地震作用下，最大应变仍出现在底层，应变值为289με,柱出现微裂;在7度罕遇地震作用下。最大应变还出现在底层，应变值为448με，柱已经开裂。

③梁应变

梁的最大应变出现在第21层深梁底，在7度多遇地震作用下，应变值为129με，相应的应力为1.16MPa;在7度基本烈度地震作用下，应变值为697με，侧点处已经开裂；在7度罕遇地震作用下下，应变值为999με。3层深梁的应变反应很小，表明该处深梁有较大的强度储备。

由21层深梁底应变反应可知，门洞处深梁跨度小应力大，跨度大应力小。总之，结构中剪力墙的应变反应最大，为梁、柱应变反应的两倍多，因此在试验中剪力墙首先开裂，且破坏最为严重。