振动台模型试验地完整
超限高层建筑结构振动台试验模型设计的研究
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超限高层建筑结构振动台试验模型设计的研究!
钱德玲5 6张泽涵5 6戴启权5 6杨远威5 6蒋玉敏5 6钱礼平3
!5/合肥工业大学土木与水利工程学院" 合肥6374448# 3/安徽省建筑科学研究设计院" 合肥6374445$
66摘6要! 针对超限高层建筑高度高%层数多%整体结构复杂等特点"依据一致相似率对一超限高层建筑进行 振动台试验模型设计& 通过计算探讨超限高层建筑结构模型分别采用人工质量模型%忽略重力模型%欠人工质 量模型三种方式的合理性& 研究结果表明’欠人工质量模型的设计是合理可行的"可以通过附加人工质量来调 整加速度相似比至合理水平"以利于振动台试验的实施& 通过合理的配重模型设计"可以减小重力失真效应造 成的不利影响"从而使振动台试验更加准确地反映原型结构在地震作用下的动力响应和动力特性& 66关键词! 振动台试验# 超限高层建筑# 模型设计# 欠人工质量模型 66!"#’ $%&$’(%) *+,-.+/(%$0%(%%‘
地震模拟振动台及模型试验研究进展
地震模拟振动台及模型试验研究进展1. 本文概述随着城市化进程的加快和建筑工程技术的不断发展，地震灾害对人类社会的威胁日益凸显。
为了提高建筑结构的抗震能力，减少地震灾害造成的人员伤亡和经济损失，地震模拟振动台及模型试验研究成为了工程抗震领域的重要研究方向。
本文旨在综述地震模拟振动台及模型试验的研究进展，分析现有技术的优缺点，探讨未来发展趋势，为相关领域的研究和实践提供参考。
地震模拟振动台作为一种重要的试验设备，可以模拟地震波对建筑物的影响，为研究者提供一种可控、可重复的实验手段。
模型试验则是将实际建筑结构按比例缩小，通过模拟地震作用下的响应，来研究结构的抗震性能。
这两者的结合为抗震研究提供了强有力的技术支持。
本文首先介绍了地震模拟振动台的工作原理和技术特点，然后对近年来国内外在模型试验方面的研究进行了梳理，包括试验方法、试验对象和试验结果等方面的内容。
接着，本文分析了当前研究中存在的问题和挑战，如模型与原型之间的相似性、试验数据的准确性等。
本文探讨了地震模拟振动台及模型试验的未来发展趋势，包括技术革新、数据分析方法的改进以及与其他抗震技术的结合等方面。
2. 地震模拟振动台技术概述定义：地震模拟振动台是一种用于模拟地震作用的实验设备，通过在实验模型上施加特定的振动，来模拟地震时的地面运动。
原理：振动台通过驱动系统产生可控的振动波形，这些波形可以模拟实际的地震波形或特定的地震动参数。
综合模拟环境：结合温度、湿度等环境因素，进行更全面的地震模拟。
3. 地震模拟振动台的发展历程地震模拟振动台的发展可以追溯到20世纪初。
最初，地震模拟振动台主要用于建筑结构的抗震性能研究。
早期的振动台设备简单，只能模拟一维地震波，且模拟的地震波频率范围有限。
这些早期的尝试为后来的研究奠定了基础。
20世纪50年代，随着电子技术和材料科学的发展，地震模拟振动台进入了快速发展阶段。
这一时期的振动台设备开始能够模拟多维地震波，频率范围也得到扩大。
高层建筑结构振动台模型试验与原型对比的研究
与结 构动 力模 型 相 关 的 主要 物 理 量 有¨ ６ ］ ： 结 构 的几何 尺 寸 Ｌ、 结 构 的位 移 ｘ、 重力 加 速 度 ｇ、 地 震 加 速度 ｎ 、 质量 、 密度 Ｐ 、 阻尼 ｃ 、 泊松 比 ｕ 、 速 度 、 转角 、 应 力 、 应变 ｅ 、 弹性 模量 Ｅ、 时间 ｔ 、 刚度 ｋ 、 频 率 等 。用 量 纲 分 析 法 可 写 出各 物 理 量 在 质 量 系 统 下 的各物 理量 的量纲 矩阵 如表 １ ｌ ７ 。
量 间关 系 的数学 方程应 该相 同 ］ 。这就 要求模 型与原 型要 做到 几何 相 似 、 各 个 物 理 量 问满 足 一 定
Ｌ Ｘ ｇ ａ ｍ Ｆ Ｄ ｆ ｕ
０
￡ Ｅ ｋ
Ｍ ０ Ｏ ０ ０ １ １ １ １ ０ ０ ０ １ ０ １ １ ０ Ｌ １ １ １ ｌ ０ １ — ３ ０ ０ １ ０ ～ １ ０ — １ ０ ０ 丁 ０ Ｏ 一 ２— ２ ０ — ２ Ｏ 一 １ ０ — ２ ０ — ２ ０ — ２— ２一 ｌ
原 型 相 似 关 系 的准 确 性 ， 振 动 台 模 型试 验 可 以真 实 地 反 映原 型 结 构 的地 震 响 应 ， 据此 ， 根 据模 型 的试原 型 结 构 进 行 抗 震 性 能 的评 估 。 关键 词 ：高 层 建 筑 ； 振 动 台试 验 ； 模 型结 构 ； 原型结构 ； 相似关 系
振动台结构模型试验概述
【摘 要】 简述 了振动 台模 型试验 的意义及试验类型 、振动台的分类及相关技术 、试验模 型的模 型相似理论
对试验的影响 、相关试验 的步骤 以及设计 ，并结合 目前 的发展趋势对未来 的振动台技术作出简要展望。
【关键词】 振动台试验；模型相似理论；试验设计；振动台发展趋势
【中图分类号 】 ＴＵ３１１．３
z z z PsgiolePfrp
范耀 源等 ：振动 台结构模 型试验概述
８７
ＤＯＩ：１０．１３９０５／ｊ．ｃｎｋｉ．ｄｗｊｚ．２０１６．０５．０３１
振 动 台 结 构 模 型 试 验 概 述
范耀 源 ， 罗宇 杰 ， 芦伟 鹏
（广 州 大 学 土木 工 程 学 院 ， 广 州 ５１０００６）
［７］ 尹 华 伟 ，汪 梦 甫 ，周 锡 元 ．结 构 静 力 弹 塑 性 分 析 方 法 的 研 究 和 改进 ［Ｊ］．工程力学 ，２００３，２Ｏ（４）：４５—４９．
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ｔｉｍａｔｅ ｓｅｉｓｍｉｃ ｄｅｍａｎｄｓ ｆｏｒ ｂｕｉｌｄｉｎｇｓ：ｔｈｅｏｒｙ ａｎｄ ｐｒｅｌｉｍｉｎａｒｙ ｅｖａｌ－
ｕａｔｉｏｎ［Ｒ］．Ｂｅｒｋｅｌｅｙ，ＣＡ：Ｒｅｐｏｒｔ Ｎｏ． ＰＥＥＲ ２００１／０３，Ｐａｃｉｆ ｉｃ
［１］ Ｂｕｉｌｄｉｎｇ Ｓｅｉｓｍｉｃ Ｓａｆｅｔｙ Ｃｏｕｎｃｉｌ．ＮＥＨＲＰ Ｇｕｉｄｅｌｉｎｅｓ ｆｏｒ ｔｈｅ Ｓｅｉｓ— ｍｉｅ Ｒｅｈａｂｉｌｉｔａｔｉｏｎ ｏｆ Ｂｕｉｌｄｉｎｇｓ，ＦＥＭＡ 一２７３［Ｍ］．Ｆｅｄｅｒａｌ Ｅｍｅｒ－
振动台试验中小缩尺比模型材料试验研究
比表面积 ! I43O<Y3 #
7S4
初凝时间 d I(" 30S
表 (N)(&O 级硅酸盐水泥试验结果
9GCSJ(N9JDEFJD[SEDLX)(&O ?LFESGUMHJVJUE
终凝时间 d I("
安定性 d II
4‘ # 抗折强度 d \_)
4‘ # 抗压强度 d \_)
4S3
3/S
‘/7
07/3
杨等通过抗折强度和劈裂强度试验对微粒混凝土受 拉性能进行了研究*0+ % 沈 德 建 等 在 试 验 研究 的 基 础上建立考虑应变率和初始静载影响的微粒混凝土 抗压强度和弹性模量计算方法*S+ % 然而"在小缩尺 比的地下结构振动台模型试验中"需采用低弹性模 量微粒混凝土模拟原型结构中的混凝土"且两者的 力学性能之间应满足一定的相似条件% 因此"有必 要对低弹性模量微粒混凝土的性能进行研究%
7R?7:#@7291359=!4 "69B75@133Q5A137@"!73@197:#13 #2 5B1I#2; 91<379759
n$)" ?:"<H=,$3 6^)"<j(=,"<3 6\)_:"<J,3 6R("<j)"*("3 6+=:" T$4 !3BT-=,,*,K+(L(*>"<("::’("<" +=)"<. )" a"(L:’%(&G" 9(. )" 835513" +=(")& 4B!"%&(&$&:,K@:,A=G%(-%" +=(")T:(%I,*,<(-)*D$’:)$" D:(E("<3555‘3" +=(")#
振动台模型试验若干问题
2.50E+04 2.00E+04 1.50E+04 1.00E+04 5.00E+03 0.00E+00
0
y = 1400.3x R2 = 0.3033
5
10
15
立方体强度(MPa)
应力应变曲线
应力比
微粒混凝土应力应变曲线
1.200 1.000 0.800 0.600 0.400 0.200 0.000
有机玻璃
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； 有机玻璃的特点是弹性模量低 其泊桑比（0.35-0.38）也较接近混凝土 的泊桑比（0.25-0.27） 有机玻璃是透明的，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。
有机玻璃的材料特性为 1、弹性模量 E=2600MPa 2、泊桑比 µ= 0.35-0.38 3、容重g=1200 kg/m3 4、极限强度为25.6 MPa
材料 屈服强度 极限强度 弹性模量6~330 375~460 2×105
伸长率 (%) ~26
造复合土（或重塑土）模拟土体结构。
微粒混凝土材料 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。 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。 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。 施工方法、振捣方式和养护条件都与普通混 凝土相同。
1000 100
前苏联HRI
6×6
50
日本PWRI
8×8
300
沉管隧道振动台模型地震反应试验研究
doi: 10. 13928/j. cnki. wrahe. 2020. 04. 010
中图分类号：TU93
文献标识码：A
开放科学（资源服务）标识码（OSID）: 文章编号：1000-0860（2020）04-0088-10
Shaking table model test study on seismic response of animmersed-tube tunnel CHENG Xinjun1'2 , JING liping 1, CUI Jie 3, LIANG Haian2 , XU Kunpeng 1, CHEN Xing 2
其傅里叶谱形状吻合较好，结构加速度小于土体加速度，沉管隧道结构的地震反应受地基土的影响较
大。靠近接头监测点的加速度反应更大，管段之间出现相对运动，接头是沉管隧道抗震设计的关键部
位，模型结构的中墙、侧墙与结构顶板节点为此类型隧道的不利位置。试验研究成果为隧道抗震研究
提供参考。
关键词：沉管隧道；隧道管段接头；地震反应机理；砂土液化；振动台试验
收稿日期：2019-03-31 基金项目：国家重点研发计划（2016YFC0800205）；国家自然科学基金资助项目（51438004, 51408566）；中央级公益性研究所基本科研业务
费专项基金资助项目（2014B03）；东华理工大学博士科研启动基金项目（DHBK2018049） 作者简介：程新俊（1988—）,男，讲师，博士，主要从事地下结构抗震研究。E - mail： chengxinjuniem@ 通信作者：景立平（1963—）,男，研究生，博士生导师，博士，主要从事岩土工程抗震研究。E - mail： jlp_iem@ 163. com
装配式柔性橡胶接头，开展了饱和砂土中的多段式沉管隧道振动台模型试验 。沉管隧道模型由3节微
12层钢筋混凝土标准框架振动台模型试验报告(PDF)-1
弹模均值(MPa) 7.751×103
名称 铁丝
型号
20＃ 18＃ 14＃
表 4 钢筋的材性试验结果
直径 (mm)
面积 (mm2)
0.90
0.63
1.20
1.13
2.11
3.50
屈服强度 （MPa）
327 347 391
极限强度 （MPa）
397 420 560
2.5 测点布置
试验中采用加速度计、应变传感器量测模型结构的动力响应。加速度计的方向有 X、Y、 Z 三个方向。
4.1 AutoCAD 文件 ............................................................................................................. 12 4.2 输入地震波数据文件............................................................................................... 12 4.3 测点记录数据文件 ................................................................................................... 12 4.4 传递函数数据文件 ................................................................................................... 12
2 试验设计
2.1 试验装置
地震模拟振动台主要性能参数：
台面尺寸
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国家自然科学基金重点项目资助（No. 50338040, 50025821）同济大学土木工程防灾国家重点实验室振动台试验室研究报告（A20030609-405）
12层钢筋混凝土标准框架
振动台模型试验的完整数据
Benchmark Test of a 12-story
Reinforced
Concrete Frame Model on Shaking
Table
报告编制：吕西林李培振陈跃庆
同济大学
土木工程防灾国家重点实验室振动台试验室
2004年1月
目录
1 试验概况 (1)
2 试验设计 (1)
2.1 试验装置 (1)
2.2 模型的相似设计 (1)
2.3 模型的设计与制作 (1)
2.4 材料性能指标 (4)
2.5 测点布置 (4)
2.6 加速度输入波 (5)
2.7 试验加载制度 (9)
3 试验现象 (9)
4 试验数据文件 (12)
4.1 AutoCAD文件 (12)
4.2 输入地震波数据文件 (12)
4.3 测点记录数据文件 (12)
4.4 传递函数数据文件 (12)
12层钢筋混凝土框架结构
振动台模型试验
1 试验概况
试验编号：S10H
模型比：1/10
模型描述：单跨12层钢筋混凝土框架结构
激励波形：El Centro波、Kobe波、上海人工波、上海基岩波
工况数：62
试验日期：2003.6.16
试验地点：同济大学土木工程防灾国家重点实验室振动台试验室
2 试验设计
2.1 试验装置
地震模拟振动台主要性能参数：
台面尺寸 4.0m×4.0m
最大承载模型重25t
振动方向X、Y、Z三向六自由度
台面最大加速度X向1.2g；Y向0.8g；Z向0.7g
频率范围0.1Hz～50Hz
2.2 模型的相似设计
表1中列出了模型各物理量的相似关系式和相似系数。
2.3 模型的设计与制作
模型比为1/10，梁、柱、板的尺寸由实际高层框架结构的尺寸按相似关系折算。
原型和模型概况见表2，模型尺寸和配筋图见图1。
模型材料采用微粒混凝土和镀锌铁丝。
微粒混凝土是一种模型混凝土，它以较大粒径的砂砾为粗骨料，以较小粒径的砂砾为细骨料。
微粒混凝土的施工方法、振捣方式、养护条件以及材料性能都与普通混凝土十分相似，在动力特性上与原型混凝土有良好的相似关系，而且通过调整配合比，可满足降低弹性模量的要求。
考虑计入隔墙、楼面装修的重量和50％活载，在板上配质量块配重。
在标准层上布置每层19.4 kg配重，在屋面层上布置19.7 kg配重。
表2 原型和模型概况
2.4 材料性能指标
在浇筑模型的同时预留了试样，混凝土材性试验结果见表3，钢筋材性试验结果见表4。
表3 混凝土材性试验结果
注：（1）立方体抗压强度试件尺寸为70.7mm×70.7mm×70.7mm；
（2）弹性模量试件尺寸为100 mm×100 mm×300mm；
（3）试样组号0F对应浇筑模型底座的微粒混凝土，不计入弹性模量平均值；
（4）混凝土材性试验日期为2003年6月2日。
表4 钢筋的材性试验结果
2.5 测点布置
试验中采用加速度计、应变传感器量测模型结构的动力响应。
加速度计的方向有X、Y、Z三个方向。
试验测点布置见图2。
测点传感器接线对应表见表5。
2.6 加速度输入波
试验选用地震波形有El Centro波、Kobe波、上海人工波及上海基岩波，试验中的某些工况同时输入X、Y双向或X、Y、Z三向El Centro波或Kobe波。
图3～图6分别为El Centro波、Kobe波、上海人工波和上海基岩波的加速度时程曲线及傅氏谱。
El Centro波是1940年5月18日美国IMPERIAL山谷地震（M7.1）在El Centro台站记录的加速度时程，它是广泛应用于结构试验及地震反应分析的经典地震记录。
其主要强震部分持续时间为26秒左右，记录全部波形长为54秒，原始记录离散加速度时间间隔为
0.02秒，N-S分量、E-W分量和U-D分量加速度峰值分别为341.7gal、210.1gal和206.3gal。
32 柱底应变E17 56 南内
33 柱底应变E18 58 南外
试验中选用N-S分量作为X向输入。
其时程曲线和傅氏谱如图3所示（图中峰值缩比为0.1g）。
Kobe波是1995年1月17日日本阪神地震（M7.2）中，神户海洋气象台在震中附近的加速度时程记录。
这次地震是典型的城市直下型地震，记录所在的神户海洋气象台的震中距为0.4km。
主要强震部分的持续时间为7秒左右，记录全部波形长约40秒，原始记录离散加速度时间间隔为0.02秒，N-S分量、E-W分量和U-D分量加速度峰值分别为818.02gal、617.29gal和332.24gal。
试验中选用N-S分量作为X向输入。
其时程曲线和傅氏谱如图4所示（图中峰值缩比为0.1g）。
上海人工波（Shw2）的主要强震部分持续时间为50秒左右，全部波形长为78秒，加速度波形离散时间间隔为0.02秒。
其时程曲线和傅氏谱如图5所示（图中峰值缩比为0.1g）。
上海基岩波（Shj）的主要强震部分持续时间为30秒左右，全部波形长为64秒，加速度波形离散时间间隔为0.02秒。
其时程曲线和傅氏谱如图6所示（图中峰值缩比为0.1g）。
（a）X方向（N-S分量）
（b）Y方向（E-W分量）
（
a）
X方向（N-S分量）
（b）Y方向（E-W
分量）
（c）Z方向（
U-D
分量）
图4 Kobe波时程及其傅氏谱
图5 上海人工波（Shw2）时程及其傅氏谱
2.7 试验加载制度
试验中，台面输入加速度峰值按小量级分级递增，按相似关系调整加速度峰值和时间间隔。
加载制度见表6。
每次改变加速度输入大小时都输入小振幅的白噪声激励，观察模型系统动力特性的变化。
3 试验现象
试验时安装在振动台上的模型如图5所示。
试验中，在前7个工况下（相当于原型体系承受七度多遇地震），在S10H 结构上没有发现任何裂缝。
在第9工况SH2后（相当于原型体系承受七度地震），在4层平行于X 振动方向的框架梁的梁端首先出现细微的自上而下和自下而上发展的垂直裂缝，缝宽小于0.05mm 。
在第16工况后，平行于X 振动方向的4～6层框架梁的梁端均有垂直裂缝，缝宽约0.08mm ，各柱中未观察到裂缝；平行于Y 振动方向的框架梁柱中也未发现裂缝。
在第18工况SH3后，平行于X 振动方向的3～6层框架梁的梁端垂直裂缝贯通，最大缝宽在第4层处，约0.15mm 。
在第21工况双向EY3后，平行于Y 振动方向的框架中，于第4～6层梁的梁端先出现垂直裂缝，缝宽约0.08mm 。
之后，随着输入激励加大，梁端裂缝
增大，开裂的梁的位置向上层、向下层发展。
经62个工况后，北侧和南侧的平行于X 振动方向的框架上，1～10层的梁端或柱端均有裂缝，其中2～8层梁端裂缝贯通，3～6层最严重，拉出或压碎，缝宽达4mm ，形成塑性铰；西侧和东侧的平行于Y 振动方向的框架上，1～9层的梁端或柱端均有裂缝，其中3～6层最严重，梁柱节点裂通甚至拉出或压碎，缝宽达3mm ，形成塑性铰。
在最上部2～3层基本没有裂缝。
试验结束时，模型已成为不稳
图6 上海基岩波（Shj ）时程及其傅氏谱
图7 S10H 试验
定的机动结构。
试验后S10H框架结构的裂缝图如图6所示。
注：EL——El Centro波（X单向）；EY——El Centro波（X、Y双向）；EZ——El Centro波（X、Y、Z三向）；
KB——Kobe波（X单向）；KY——Kobe波（X、Y双向）；KZ——Kobe波（X、Y、Z三向）；
SH——上海人工波（X单向）；SJ——上海基岩波（X单向）；X∶Y∶Z＝1∶0.85∶0.5
北侧西侧南侧东侧图8 S10H试验后框架结构裂缝图
4 试验数据文件
4.1 AutoCAD 文件
模型尺寸和配筋图：S10H_Modal.dwg 试验测点布置见图：S10H_Sensor.dwg
4.2 输入地震波数据文件
文件名：El Centro 波：elx.txt ely.txt elz.txt Kobe 波：kbx.txt kby.txt kbz.txt 上海人工波：shw2.txt 上海基岩波：shjibo.txt 时间间隔：0.00392 秒
4.3
4.4。