SSI体系阻尼特性振动台模型试验研究_张之颖

上解释困难 。
SSI效应下阻尼体系的试验确定 , 可以通过 振动 试验或地震过程 , 采用系统频域识别方法进行 。 较小 动力下的试验结果 , 主要用 以指导 “第一 阶段抗震设 计 ”, 大动力下的阶段性检测 , 可以了解非线性开展过 程对体系阻尼特性的变化影响 。
试验时 , 首先要在 SSI体系不同部位设置 n个位 移或加速度传感器 。 因加速 度传感器的频响范 围较 宽 , 故本次试验是以加速度传递函数的实测为基础 的 。可以证明 , 除符号 相反外 , 加速度传递函数 与位 移传递函数取得的模态参数是一致的 。 本文 SSI体系 阻尼特性的考察 , 是以体系不同部位的实测加速度传 递函数的对比为基础的 , 测量点 l获得的第 r阶模态 的阻尼比 , 可直接根据半功率带宽法求得 。
ShakingtabletestsofthedampingbehaviorofSSIsystems
ZhangZhiying1 ChoChongdu2 Lǜ Xilin3 LouMenglin3 (1.Xi′anJiaotongUniversity, Xi′an710049, China;2.InhaUniversity, Incheon402751, Korea; 3.StateKeyLaboratoryforDisasterReductioninCivilEngineering, TongjiUniversity, Shanghai200092, China)
基金项目 :土木工程防灾国家重点实验室重点基金项目 (2006-A-02) 作者简介 :张之颖, 博士 , 副教授 收稿日期 :2008-09-11
将十分困难 [ 4-5] 。 虽然完全符合经典阻尼特 性的实际结构是 极少
的 , 一般动力体系都具有不同程度的非经典阻尼特 性 , 但由于经典阻尼特性能使体系动力分析得到极大 的简化 , 因此在实用上 , 在误差允许的条件下 , 实际工 程结构常被近似为经典阻尼体系进行动力分析 。
在土木工程中 , 当结构体系不考虑地基协同作用 时 , 一般被公认可以近似为经典阻尼体系 。 但当考虑 地基 -结 构 相 互 作 用 (Soil-StructureInteraction, 简 称 SSI)时 , 多数学者认为[ 6-9] , 由于体系组成材料的不同 , 各部分材料的耗能特性存在差异 , 因此 , “考虑地基协 同作用的体系 ”不能被近似为经典阻尼特性 。 现有的 一些研究基本也是在此思想认识主导下进行的 , 而且 在这一认识前提下的研究 , 亦多以公式推导和数值模 拟分析为主 , 对 SSI体系实际阻尼机制的研究甚为欠
表 1 模 型构件数量及细部尺寸 Table1 SSIsystem membersandsizes
构件名称
尺寸
数量 /位置
板 (长 ×宽 ×厚 ) 0.6m×0.6m×0.012m 1 ×12块
梁 (长 ×宽 ×高 ) 0.6m×0.03m×0.06m 4 ×12 根
结构 柱 (长 ×宽 ×高 ) 0.3m×0.05m×0.06m 4 ×12根
第 43卷 第 2期
张之颖等 · SSI体系阻尼特性振动台模型试验研究
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缺 。 文献 [ 7]对比了一些非经典阻尼体系复模态分析 方法 , 可以看出对于自由度较多的实际 SSI体系 , 这些 方法不仅计算量巨大且精度难以保证 。文献 [ 8]提出 了非经典阻尼 多自由度 SSI体系 动力分析的 一种方 法 , 其 必 须 在 复 模 态 解 耦 的 基 础 上 , 采 用 CloughPenzien非平稳随机地震动模型 , 取得体系相对位移方 差的时域解和等效平稳化位移方差后 , 方可求出相对 最大地震位移 。文献 [ 9] 以多自由度 SSI体系为例 , 提 出了通过交替式频 -时域方法求解非经典阻尼体系的 算法 , 以期提高计算速度 。文献 [ 10] 对非经典阻尼体 系的复特征值的求解建议了一 种较为简单的数值解 法 , 但当体系阻尼比大于 0.01时 , 该方法的精度将受 到很大影响 。
承台板 (长 ×宽 ×厚 ) 0.7m×0.7m×0.01m
1块
桩 (长 ×宽 ×高 ) 1.2m×0.045m×0.045m 9根
粉质黏土 (厚 ×直径 )
0.25m×3.0m
第 1层
地基 黏质粉土 (厚 ×直径 )
1.0m×3.0m
第 பைடு நூலகம்层
中砂 (厚 ×直径 )
0.35m×3.0m
第 3层
地基模型箱 [ 5] 为圆形 , 其径向纵剖面尺寸为 3m× 2.058m, 由钢底板 、钢支柱 、活动钢顶板和橡胶膜箱壁 组成 。 为能近似模拟地基土 与无限土域间的动 力相 互作用 , 模型箱壁选用厚 0.005m的橡胶膜 , 并为提供 足够的径向刚度 , 又不影响振动时土层的水平剪切位 移 , 橡胶膜外侧 用 4@60钢筋作环向加固 。 橡胶膜 箱壁底部固定在钢底板上 , 上端壁口与活动钢顶板相 连接 , 活动钢顶板支承在箱壁周围的 4个钢支柱上 , 柱 顶设有万向 节 , 以保证土层发生水平 剪切位移时 , 不 受支架附加水平约束影响 。
试验过程中 , 振动台模拟地震强度按小量级分级 递增 , 水平 x向输入中 , 每级模拟地震强度下的波形依 次为 ElCentro波 、上海人工波和 Kobe波 。 各级模拟 地震前均分别作了加速度峰值为 0.07g的白噪声扫 描 , 以测定体系动力特性的宏观变化情况 。 水平 x向 各级振动台 输入的加速度设定峰值见表 2, 表中 Wn 代表白噪声输入 。
2 SSI体系阻尼特性的振动台试验
2.1 试验模型 本次试验 SSI体系的选取 , 是以上海常见的民用
建筑及工程地基为背景 , 模型以一个 12层带桩基的小 高层作为结构对象 , 以软土为主的多层土作为相应地 基 , 按几何相似关系缩 比为 1/10, 模型编 号为 PS10。 模型各构件细部尺寸见表 1。
(1.西安交通大学 , 陕西西安 710049;2.韩国仁荷大学 , 仁川 402751; 3.同济大学土木工程防灾国家重点实 验室 , 上海 200092)
摘要 :土与结构由于材性上的差异 , 其 相互作用体系通常被认为是非经典阻尼体系 。 在振动台模型试验 的基础上 , 研究软弱地基基础上的土 -结构相互作 用体系的阻尼特性问题 。 在递增的振动台模拟地震作用下 , 通 过对模型 体系 不同部位测点的传递函数 、自振频率 、模态阻尼比等实测数据的对比 , 考察 SSI体系合成模态 、合成模 态阻尼比 的存 在性及其动力非线性产生后 的变化规律 。 结 果表明 , 土 -结构 相互作 用体系 具有十 分明 显的经 典阻 尼特性 , 在 SSI 体系抗震设计方法中可以按 经典阻尼体系考虑 。 关键词 :土 -结构相互作用 ;经典阻尼 ;振动台试验 ;合成模态 中图分类号 :TU435 TU447 文献标识码 :A 文章编号 :1000-131X(2010)02-0100-05
动 , 并在同一时刻通过平衡位置 。 而非经典阻尼动力 体系具有复模态振型 , 其主要特征为 [ 6] :各点位移之
间有不同的相位差 , 不存在各点位移均为零或同时达
到最大位 置的时刻 ;各点 位移之间 的比值随 时间变
化 , 没有稳定的 节点或节线 。 即 :非经典 线性动力系
统不存在实模态的 “振型 ”, 其复模态振型在物理意义
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土 木 工 程 学 报
20 10 年
2.2 测试方法 考虑到土受重塑影响 , 模型需静置一定时日至沉
降稳定后再进行振动台试验 。 试验以水平 x方向作为主要振动方向 , 试验模型
的不同部位根据考察内容设置了相应的传感器 , 包括 加速度传感器 、应变传感器 、动土压力传感器 、动孔隙 水压力传感器 。因本文以 SSI体系阻尼特性作为试验 考察目标 , 故图 1给出了水平 x向加速度测点剖面布 置图 。
1 SSI体系阻尼特性的测试基础
Caughey和 O′Kelly提 出了具有正则 模态的经典
阻尼体系理论上的充要条件 [ 11]
CM-1 K =KM-1 C
(1 )
但在试验中 , 是否为经 典阻尼体系 , 须对 体系整体实
模态的存在性进行 考察 。 对于正则模态 经典阻尼体
系 , 可以观察到 , 在每个模态中 , 体系的各部分同相振
Abstract:Asystem involvingsoil-structureinteractionisoftenconsideredasanon-classicaldampingsystem dueto distinctivedifferencesbetweenthematerialpropertiesofsoilandstructure.Anexperimentalinvestigationbasedon shakingtabletestisconductedtoexploretheactualdampingbehaviorofsoftsoil-structureinteraction system. Measurementsofthetransferfunctions, thenaturalfrequenciesandthemodaldampingratiosofdifferentpartsofthe systemrevealtheexistenceofcompositemodeandmodaldampingratioalongwithnonlineardynamicbehaviorofthesoilstructuresystem undergraduallyincreasingearthquakeaction.Theexperimentalresultsindicatethattheclassical dampingbehaviorispronouncedinsoil-structureinteractionsystem andseismicanalysiscanbeperformedbyusing classicaldampingtheory. Keywords:soil-structureinteraction(SSI);classicaldamping;shakingtabletest;compositemodes E-mail:zhangzhy@mail.xjtu.edu.cn
引 言
多自由度等效黏滞阻尼模型下的动力体系 , 有经 典阻尼体系和非经典阻尼体系之分[ 1-2] 。 经典阻尼体 系具有一致均匀的阻尼特性 , 运动方程可在主模态空 间解耦 , 体系具有经典正则模态 , 存在 “振型 ”概念 [ 3] , 其动力分析可采用传统的 “振型分解法 ” ;而非经典阻 尼体系 , 由于体系内部 阻尼特性存在较大差 异 , 运动 方程在主模态空间无法解耦 , 体系不具有经典正则模 态 , 没有传统概念上的所谓 “振型 ”, 运动方程的求解
DO I :10.15951/j .tmgcxb .2010.02.013 第 43卷第 2期 2 0 1 0 年 2月
土 木 工 程 学 报
CHINACIVILENGINEERING JOURNAL
Vol.43 No.2
Feb.
20 10
SSI体系阻尼特性振动台模型试验研究
张之颖 1 赵钟斗 2 吕西林 3 楼梦麟3
实际场地上的建筑物 , 动力作用下土与结构间的 相互影响是普遍存在的 , 因此 , 考虑 SSI效应的抗震分 析将更加切合实际 。但考虑 SSI效应后的体系是否还 能够近似为经典阻尼体系 , SSI体系抗震设计是否仍 可以采用传统的模 态叠加法呢 ? 本文藉 振动台模型 试验 , 研究了软土地基上 SSI效应体系的阻尼特性问 题 。 试验首先在小动力荷载下 , 通过考察对比 SSI体 系不同材料部位测点的传递函数 、自振频率 、模态阻 尼比等实测数据 , 分析了在近似线性范围内 SSI体系 的阻尼特性 ;然后试验 又在递增动力作用过 程中 , 通 过阶段性的检测方法 , 研究了在体系不同部位材料非 线性逐渐开展后 , SSI体 系合成模态的存在性及其变 化规律 。 经过完整加载过程的振动台试验研究 , 指出 了 SSI体系的实际阻尼特性 , 希望能为 SSI体系实际 阻尼机制 的 研究 及 其抗 震设 计 方法 提 供参 考 研究 基础 。