模拟震动台试验的了解

地震模拟振动台试验的了解

姓名：图尔荪江学号：1083310402

摘要阐述了正确认识振动台模型试验的重要性，并指出了试验中的一些有待提高的做法，同时论述了振动台模型试验的发展动态。

关键词振动台试验;试验方法;发展动态;

自20世纪60年代开始建立地震模拟振动台系统开始，全球的模拟振动台系统已经超过100台，国内各高校以及科研单位也陆续建立了近20台振动台系统?。振动台系统已从简单的单向运动向复杂的三向六个自由度发展，试验的内容也由砌体结构模型试验、框架结构模型试验、筒体结构模型试验向桥梁结构模型试验、具有隔震和减震装置的结构模型试验、结构与地基共同工作的模型试验等新的领域发展。对目前振动台模型试验中认识上和做法上有待提高的一些问题以及振动自摸型试验发展动态谈一些看法。

1. 正确全面认识振动台模型试验

由于振动台模型试验耗资大，要求高，于是就有采用静力试验或拟动力试验来研究结构性能的做法。其实振动中的物体除了受到干扰力的作用外，还受到与加速度相关的惯性力，与速度相关的阻尼力以及与位移相关的恢复力的作用。静力试验虽然经济并对加载设备没有太大的要求，但仅限于静力试验。拟动力试验，其突出的优点是与计算机相联，恢复力模型来自实际的构件，但是试验本身还是不能反映速度相关型材料的性能，因此拟动力试验实际上还是静力试验。虽然最近几年有研究发展的快速(实时)拟动力试验(FFr)，考虑了速度的影响，但是对设备的要求非常高，并且试验的边界条件很难精确的模拟【"。因此，首先要认识到振动台模型试验才是真正的模拟了地震的动力试验。

另外，有把结构构件在拟静力、拟动力试验中的量测内容来要求振动台模型试验的做法，当不能满足时，就认为振动台试验没有用。应该说不同的试验方法都有各自的特点和适用范围，振动台模型试验主要从宏观方面研究结构地震破坏机理、破坏模式和薄弱部位，评价结构整体抗震能力并衡量减震和隔震的效果14 J。振动台模型试验是目前所有试验方法中最为直接的试验方法，在试验中能详细地了解结构在大震作用下的抗震性能，对构件的破坏机理有直观的了解。另外，振动台模型试验往往是评估新型结构、超限结构以及具有隔震、减震装置结构等抗震性能的重要手段。对于大跨桥梁、大跨建筑物及管道线还需要用振动台台阵来研究基于多点地震波输入下的抗震性能。

振动台试验是目前并可能在将来的一段时间内解决结构在地震作用下的非线性反应和倒塌机理比较有效的手段¨J。

2. 试验中有待解决的一些问题

虽然振动台模型试验有不少的优点，但是在实际的试验中还有不少问题有待提高，已经有不少的文献对此进行讨论与研究，主要是集中在模型相似、加载速率、地震波形精确复现等几个方面。

2．1欠质量失真

目前，世界上振动台最大的竖向负重是美国的ucSD振动台系统，为2 000 t，大部分振动台的负重在100 t以下。对于高层建筑来说，当模型采用与原型相同的材料时，按照相似要求，模型的质量通常都超出了振动台的负载能力，如果将模型做得很小，即模型比例太小，那失真就会很严重。因此，目前绝大部分高层建筑或大型建筑的振动台模型都是欠质量的。

由于模型欠质量，在振动台模拟地震作用下，地震作用变小，为了解决这个问题，通常采用加大地面运动加速度或采用正弦波让振动频率与模型的自振频率相一致，产生共振使结构达到破坏。然而这种方法是误区的，因为，这样做的结果是结构竖向构件的轴向压力小了，而结构的整体弯矩变大，如图l所示。这与结构的实际受力是不符的，以此试验结果直接指导工程设计，将会导致严重的错误。正确的做法应是适当地调整模型的比例，并在模型上附加质量块。

2．2对竖向构件施加预应力

在欠质量，提高加速度的同时，用预应力钢筋柬对竖向构件施加压力，以弥补上述轴向压力的不足，但这种做法是错误的，因为在地震作用下，预应力钢筋中的应力是变化的，因此它对竖向构件产生的轴向压力并不是个恒值，另外，更重要的是预应力钢筋改变了抗侧力构件的性能，造成严重的失真。

2．3截取结构的底部做试验

为了节省试验的费用，或是当振动台竖向负载能力不能满足试验条件时，截取结构的底部几层做振动台试验。由于结构的边界条件难以模拟，结果使结构的整体弯矩变小。

2．4模型的相似率

由于振动台尺寸、承载能力和试验费用的限制，小比例模型在抗震试验特别是振动台试验中得到了广泛的应用。但是，由于几何尺寸的传统的相似律是在弹性范围内获得的，因而在结构的非弹性性能分析方面已显示出一些不足。另外，将复杂的原型结构的简化和构件细部的模拟方面也是不够精确。

3. 振动台试验的发展动态

3．1混合模拟试验方法

越来越多的结构抗震控制装置被安置到结构中，比如TMD系统、AMD系统等。对这些系统的试验验证和数字模拟显得越来越重要。在振动台试验的新方法方面进行了一些研究，指明了振动台试验和数值模拟相结合的杂交试验是未来的发展方向。混合试验的核心是整个结构的一部分做振动台试验，其余部分做数值模拟试验，同时考虑了这两部分结构的相互试示意图如图2所示

这试验方法最重要的是要保持质量比(试验部分质量／计算部分质量)尽可能的低。该方法在验证TMD、AMD等结构控制系统在模拟动态荷载条件下的性能方面具有明显的优点，在不更换硬件(AMD系统等)设置的情况下可以试验不同特性的主结构的性能。文献还通过原型试验验证了提出的试验方法，两者结果具有较好的一致性。

子结构地震模拟振动台试验是国内有学者提出的新的实时拟动力试验方法¨引，子结构地震模拟振动台试验方法将传统的子结构拟动力试验和振动台相结合，一方面可以解决振动台不能进行大比例足尺模型试验的弊端，另一方面可以解决子结构拟动力试验由于子结构采集中力加载所带来的差别，目前还存有不少的问题，试验加载如图3所示。

3．2 台阵试验

随着社会的发展，管道、多跨桥梁等细长型结构日益增多，细长型结构通过增大地震模拟振动台的规模显然是不科学的，因为无限增大振动台规模不仅投资巨大，另外由于相似比的原因，大型振动台在有些方面还是不能满足要求，为此，多台小型振动台组成的地震模拟振动台台阵建设是今后的一种发展趋势¨引。地震模拟振动台台阵不仅可以分开独立进行小型结

构试验，也可以组成大型振动台进行大尺寸、多跨、多点地震输入的结构抗震试验。日本最早建设台阵是在1979年，由日本建设省土木研究所建立的4台3 m×2 m的单水平向地震模拟振动台组成的台阵。美国内华达大学里若分校(Nevada—Reno)于2003年建立了三台4．3 m×4．5 m双水平向地震模拟振动台组成的台阵。国内重庆交通科学设计院动力实验室由6 m×3 m的六自由度地震模拟振动台组成的台阵，其中一台固定，另一台可移动，以进行可变跨度达20 m的地震模拟试验。目前北京工业大学已建设完成由9台1 m×1 m振动台和试验室原有的3 m×3 m振动台组成10子台地震模拟振动台台阵系统，台湾国家地震工程研究中心拟建由3台3 m×3 m振动台组成的地震模拟振动台台阵，同济大学计划建立由4台6 mx 4 m振动台组成的双水平向台阵系统。

3．3介入新的控制技术

信息通讯技术和控制测量技术的一体化为试验设备的远程控制提供了可能，也为试验数据的共享提供了可能，目前进行的先进的控制技术有虚拟技术，远程控制技术以及试验资源的网络共享技术。

所谓虚拟仪器指通过计算机的软硬件技术去模拟和扩展传统仪器的功能，实现软件就是仪器，虚拟仪器技术的高度发展，为组建设备状态监测和故障诊断仪器提供了全新的技术手段，它通过软件将计算机硬件资源与仪器硬件有机地融合为一体，从而把计算机强大的计算处理能力和仪器硬件的测量、控制能力结合在一起，实现多种信号采集分析的集成系统¨刮。实验室内的液压设备，传感器设备，采集设备都比较多，在电液伺服控制加载系统中加入虚拟技术，可以省略传统的信号发生器等硬件设备，其精度更高，性能更稳定，操作简单并且能根据试验要求做进一步扩展和优化。

(Networked structural laboratories nets lab )网络结构实验室是将异地分布的单一结构实验室通过互联网连接在一起，形成功能强大的网络结构实验室以进行结构远程协同拟动力试验，从而提高综合试验能力，达到资源共享的目的。例如美国国家科学基金委员会的地震工程模拟网络计划(Network for Earthquake engineering simulation ），中国也有研究中心目前正在建立基于网络的地震工程模拟平台ISEE，试图通过数值模拟程序和设备控制程序实现世界范围内的网络化结构试验。通过试验数据的共享，研究条件可以得到提高，如果这种共享可以实现的话，那么各子结构的试验研究和数据传输将形成一个巨大的网络，为主体结构的地震安全提供重要的数据资料。

参考文献

l 邱法维，钱嫁茹．陈志鹏．结构抗震实验方法．北京：科学出版社，2000：4l一47

2 朱伯龙．结构抗震试验．北京：地震出版社．1989：2l—120

3 鲁亮，吕西林．振动台模型试验中一种消除重力失真效应的动力相似关系研究．结构工程师，2001：45—48

4 黄维平，王连广．人1=质量在砖混结构振动台试验中的作用．

地震工程与工程振动，200l，2l(3)：99一103

5 张敏政．地震模拟试验中相似律应用的若f问题．地震工程与工

程振动，1997。17(2)：52—58

《建筑结构试验》

课程论文

论文题目：地震模拟振动台试验的了解

姓名：图尔荪江·斯拉吉艾合麦提

专业：土木工程学院

班级：土木一班

学号：1083310402

指导教师：田玉滨

2011年4月5日