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。