振动台模型试验若干问题
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振动台结构模型试验中 的若干问题
上海同济大学
一、振动台模型试验的意义
振动台结构模型试验是地震工程的主要研
究手段之一。
振动台模型试验具有以下的作用：
（1）研究结构的地震破坏机理和破坏模式， 评价结构的抗震能力； （2）研究结构中地震作用的分布，为检验 结构的抗震分析方法提供依据；
（3）寻找结构中可能存在的薄弱环节，为采 取有效的抗震措施提供依据；
Flexible Wall Box
Shaking Table Model Tests of Soil-PileSuperstructure Interaction in Soft Clay
1.2 SSI Tests in Japan (1995-2000)
Large-scale Shear Box of the Simple Shear Type
微粒混凝土强度与弹性模量关系
微粒混凝土强度与弹性模量关系
25000
弹性模量（MPa)
20000 15000 10000 5000 0 0.0 10.0 y = 471.46x R 2 = 0.9429 20.0 30.0 立方体强度（MPa) 40.0 50.0
微粒混凝土强度与弹性模量关系
微粒混凝土强度与弹性模量统计分析
中日合作项目—— 25吨 钢结构基础 组合隔震性能研究
基础研究项目——钢筋混凝土框架减隔 震性能研究
钢管拱桥结构抗震试验研究
非结构构件试验
玻化石幕墙抗震试验
四、振动台模型试验关键技术研究
模型动力相似理论 模型材料研究 模型制作技术 试验测试技术 数据分析与整理 模型试验结果在原型结构中的应用
三菱重工 日本原子能工程试验 中心 英国GEC 前苏联HRI 日本PWRI 6×6 15×15 80 1000
4.3×4.3
6×6 8×8
100
50 300
日本科技厅防灾中心
6×6
75
中国模拟地震振动台统计(1)
设置部门 同济大学 哈尔滨工力所 中国水利科学研究院
台面尺寸(m)
最大试件(t) 25 20 20
上海长寿商业广场 （大底盘双塔楼， 高位转换）
凯旋门大厦
星海大厦
北京LG大厦
上海交银金融大厦
上海九百城市广场
浦东香格里拉酒店扩建工程 浦东世茂滨江花园
广州天王中心
广州南航大厦
本项目研究获得广东省科技进步二等奖
广州越秀大厦
深圳商隆中心
南方电力调度中心枢 纽工程（广州）
短肢剪力墙住宅结构
广州国际金融大厦
4.0m×4.0 m 周期波、随机波等 25吨 0.1~50Hz 三方向六自由度 96
部分振动台建筑结构模型试验研究项目
东方明珠电视塔 上海大剧院 浦东国际机场侯机楼 南方电力调度中心 深圳商隆中心大厦 上海九百城市广场 浦东香格里拉扩建工程 深圳京广中心 上海交银金融大厦 浦东青少年活动中心 南京多媒体大厦
模板的使用 内模采用泡沫塑料，这种材料易成型、易
拆模，即使局部不能拆除，对模型刚度的 影响也很小；将内模切割成一定形状，形 成构件所需的空间布置，绑扎好钢筋后进 行浇筑，边浇边振捣密实，每一次浇筑一 层，次日安置上面一层的模板及配筋，重 复以上步骤，直到模型全部浇筑完成。
桩-土-结构相互作用模型箱的制备
屈服强度 极限强度 弹性模量 (MPa) (MPa) (MPa) 镀锌铁丝 286~330 375~460 2×105
白铁皮 275~305 350~400 2×105
材料
伸长率 (%) ~26
~20
紫铜
铝合金 170
195
1.1×105
3.3×104
~30
紫铜、铝合金、白铁皮
紫铜、铝合金、白铁皮用于模拟型钢；型
设置部门 东大生产技术所 日本电力研究所 日本国有铁道研究所
台面尺寸(m)
日本土木研究所 意大利ENEA 罗马尼亚建科院 日本科技厅防灾中心
10×2 6×6.5 12×8 12×8 6×8 16×16 7×7 15×15
最大试件 t 170 125 100 400 100 150 80 500
全世界大型的模拟地震振动台统计 （台面负载>50t）(2)
据不完全统计，全世界共有模拟地震振 动台系统约近百套。 目前世界上最大的振动台为日本 NIED 的 15m×20m 六自由度振动台，承载能力 为1200t，将于2005年建成。 我国建成的模拟地震振动台约20套。 国内在建的最大的振动台为 6m×6m 三 向六自由度振动台。
全世界大型的模拟地震振动台统计 （台面负载>50t）(1)
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
刚性箱体 剪切型箱体 柔性箱体 试验对模型箱的基本要求 （1）能像土体那样发生剪 切变形； （2）尺寸要足够大，能消 除模型箱边界效应的影响。
国内外桩-土-结构相互作用模型试验概况
1.1 SPSI Tests in University of California,
Berkeley, USA
水下振动台试验系统
振动台台阵
同济大学的 振动台
广州大学的 振动台
中国水科院的振动台
大连理工大学的振动台
三、同济大学振动台模型试验
同济大学土木工程防灾国家重点实验室1983年从 美国MTS公司引进模拟地震振动台。
试验室MTS振动台基本性能参数如下：
台面尺寸 振动波形 最大试件质量 频率范围 控制振动方式 数据采通道
模型动力相似理论
动力相似理论包括动力模型设计理论、 动力模型试验技术，以及用模型推算原型 结构性能等一系列理论与实践问题。
研究表明，对于弹塑性和极限强度模型 试验，若满足所有相似条件，则结构系统 的动力反应，可以相当精确地用缩尺模型 来模拟。
理论上完全相似的模型是难以实现的： （1）受振动台性能的限制 （2）受材料性能的限制 （3）不能实现对重力加速度的相似变换
4×4 5×5 5×5
广州大学
河海大学
3×3
2×2.8
10
6
中国模拟地震振动台统计(2)
大连工学院 3×3 10
云南工学院
香港理工大学 台北NCREE 北京理工大学
1.5×2
3×3 5×5 2×2
2.5
10 30 5
中国核工业设计院 中国建筑科学研究院
6×6 6×6
在建 在建
大型6自由度振动台试验系统
上海仙乐斯广场 重庆建设大厦 上海凯旋门大厦 浦东世茂滨江花园 广州天王中心 广州南航大厦 北京LG大厦 广州越秀大厦 高桥国际金融中心 上海星海大厦 广州国际金融大厦
上海东方明珠广播电视塔
浦东国际机场 候机楼
上海大剧院
浦东青少年活动中心 （平面U型，斜柱，双 塔楼）
钢截面采用弯制或焊制；
利用锡焊和螺丝将构件连接在一起； 紫铜、铝合金、白铁皮的材料特性变化较
大，可以根据模型设计时的不同要求来选 择，一般选弹性模量较低的材料。
砌体
对于砌体结构模型，则可采用专门制作的 小砌块来砌筑，模型材料的弹性模量、强 度等应按相似系数确定。 砂浆按相似关系调整，但其灰缝厚度不能 太小； 设计模型时应按砌体结构抗侧承载力建立 相似关系。
土 通常采用级配细砂、筛分的粘土以及其他 散粒材料拌合的混合物模拟土体； 在弹塑性地震反应时，土体与上部结构的 非线性程度发展很难保持一致，在模型设 计时应考虑相似关系的变化；具体处理时 应根据研究目的有所侧重； 地震反应前后均应取模型土样进行检验；
模型制作技术
钢筋的绑扎
型钢的制作
&
The experiments are conducted using a 5 meter long by 1.2 meter wide soil-box that is 2 meters tall. It is constructed of steel with acrylic window panels in one side for viewing the soil movement. (2000-2001)
模型材料研究
对于高层钢筋混凝土结构，动力模型材料 一般可由微粒混凝土、镀锌铁丝和铁丝网 制作而成，模型的物理特性主要由微粒混 凝土来决定。 经常采用铜、铝合金以及钢材来模拟钢结 构。
有时也采用有机玻璃制作整体结构模型。 桩土结构作用时，可采用砂、黏土甚至人 造复合土（或重塑土）模拟土体结构。
1.2 SSI Tests in Japan
1.3 SSI Tests in a joint research between Waseda Univ. and UCSD 1.4 SSI Tests in this Project（Tongji Univ.)
1.1 SPSI Tests in University of California, Berkeley, USA (1998)
施工方法、振捣方式和养护条件都与普通混
Fra Baidu bibliotek
微粒混凝土力学性能与原型混凝土应具有
较好的相似性。微粒混凝土模型试验时可 以做到模型开裂甚至破坏，具有试验现象 比较直观的优点。
根据多年模型制作经验，采用有机玻璃板
作为外模，这样既可以使浇筑表面平整光 滑，又可在浇筑过程中及时发现问题，保 证浇筑密实。
微粒混凝土的材料特性见下页。
Shaking Table Test of Reinforced Earth Retaining Wall with Shear Box
Shaking Table Test of Soil-Pile Interaction with Shear Box
1.3 joint test between
上海仙乐斯广场
砌体结构抗震性能研究
砌体结构地震倒 塌试验研究
底部两层框架砌体结 构抗震试验研究
桩土结构相互作用研究
国家自然科学基金 重点项目——桩土 结构相互作用研究
核安全壳抗震试验
95重点攻关项目— 快堆主钠池堆芯抗 震安全评价方法研 究（1996—2001）
结构控制试验
结构隔震技术研究
（4）验证新型结构体系的抗震分析模型，为 发展新的结构抗震设计理论提供依据； （5）研究各种介质之间的相互作用问题，例 如结构与地基的相互作用、结构与流体的 相互作用、结构与散体的相互作用等等， 为认识这类问题的破坏机理、建立分析模 型和发展设计方法提供依据。
二、振动台模型试验技术的发展
随着经济的发展和世界各国对科技的不断 重视，以及世界上接连发生的几次破坏性 地震的惨痛教训，世界各国的地震工程研 究人员越来越认识到振动台试验的作用。 20世纪90年代以来振动台试验设备的建设和 在振动台上进行模型或原型结构或部件试 验研究进入了一个新的发展时期。
2.50E+04
弹性模量(MPa)
2.00E+04 1.50E+04 1.00E+04 5.00E+03 0.00E+00 0
y = 1400.3x R 2 = 0.3033
5 10 立方体强度(MPa)
15
应力应变曲线
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 0.00 1.00 2.00 应变比 Cm30 3.00 4.00
考虑主要的参数的相似要求，而对另一些 次要条件适当放松要求，以实现现有试验 条件下对原型结构较好的模拟。
模型的相似关系
模型动力相似关系应满足模型和原型几 何尺寸相似、材料性能相似、荷载相似、 模型动力反应相似以及边界条件的相似 条件。 相似关系见表。
难点在于不同材料的相似匹配。
同一模型中的不同材料应满足相同的相 似关系，它们的相似常数应相同。
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。 较高，对施工有特殊要求。
模型缩比较大时，构件尺寸较小，精度要求
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。 凝土相同。
应力比
Cm10
Cm20
Cm40
7
曲线分为上升段 和下降段
上升段 y=x*(2-x) 下降段 y=x/(x+a(x-1))
a
6 5 4 3 2 1 0 0 10 20 峰值应力 30 40
曲线与普通混凝土具有较好的相似性 初始弹性模量与强度保持一致的相似关系
有机玻璃
有机玻璃适于弹性模型的制作。可用于
上海同济大学
一、振动台模型试验的意义
振动台结构模型试验是地震工程的主要研
究手段之一。
振动台模型试验具有以下的作用：
（1）研究结构的地震破坏机理和破坏模式， 评价结构的抗震能力； （2）研究结构中地震作用的分布，为检验 结构的抗震分析方法提供依据；
（3）寻找结构中可能存在的薄弱环节，为采 取有效的抗震措施提供依据；
Flexible Wall Box
Shaking Table Model Tests of Soil-PileSuperstructure Interaction in Soft Clay
1.2 SSI Tests in Japan (1995-2000)
Large-scale Shear Box of the Simple Shear Type
微粒混凝土强度与弹性模量关系
微粒混凝土强度与弹性模量关系
25000
弹性模量（MPa)
20000 15000 10000 5000 0 0.0 10.0 y = 471.46x R 2 = 0.9429 20.0 30.0 立方体强度（MPa) 40.0 50.0
微粒混凝土强度与弹性模量关系
微粒混凝土强度与弹性模量统计分析
中日合作项目—— 25吨 钢结构基础 组合隔震性能研究
基础研究项目——钢筋混凝土框架减隔 震性能研究
钢管拱桥结构抗震试验研究
非结构构件试验
玻化石幕墙抗震试验
四、振动台模型试验关键技术研究
模型动力相似理论 模型材料研究 模型制作技术 试验测试技术 数据分析与整理 模型试验结果在原型结构中的应用
三菱重工 日本原子能工程试验 中心 英国GEC 前苏联HRI 日本PWRI 6×6 15×15 80 1000
4.3×4.3
6×6 8×8
100
50 300
日本科技厅防灾中心
6×6
75
中国模拟地震振动台统计(1)
设置部门 同济大学 哈尔滨工力所 中国水利科学研究院
台面尺寸(m)
最大试件(t) 25 20 20
上海长寿商业广场 （大底盘双塔楼， 高位转换）
凯旋门大厦
星海大厦
北京LG大厦
上海交银金融大厦
上海九百城市广场
浦东香格里拉酒店扩建工程 浦东世茂滨江花园
广州天王中心
广州南航大厦
本项目研究获得广东省科技进步二等奖
广州越秀大厦
深圳商隆中心
南方电力调度中心枢 纽工程（广州）
短肢剪力墙住宅结构
广州国际金融大厦
4.0m×4.0 m 周期波、随机波等 25吨 0.1~50Hz 三方向六自由度 96
部分振动台建筑结构模型试验研究项目
东方明珠电视塔 上海大剧院 浦东国际机场侯机楼 南方电力调度中心 深圳商隆中心大厦 上海九百城市广场 浦东香格里拉扩建工程 深圳京广中心 上海交银金融大厦 浦东青少年活动中心 南京多媒体大厦
模板的使用 内模采用泡沫塑料，这种材料易成型、易
拆模，即使局部不能拆除，对模型刚度的 影响也很小；将内模切割成一定形状，形 成构件所需的空间布置，绑扎好钢筋后进 行浇筑，边浇边振捣密实，每一次浇筑一 层，次日安置上面一层的模板及配筋，重 复以上步骤，直到模型全部浇筑完成。
桩-土-结构相互作用模型箱的制备
屈服强度 极限强度 弹性模量 (MPa) (MPa) (MPa) 镀锌铁丝 286~330 375~460 2×105
白铁皮 275~305 350~400 2×105
材料
伸长率 (%) ~26
~20
紫铜
铝合金 170
195
1.1×105
3.3×104
~30
紫铜、铝合金、白铁皮
紫铜、铝合金、白铁皮用于模拟型钢；型
设置部门 东大生产技术所 日本电力研究所 日本国有铁道研究所
台面尺寸(m)
日本土木研究所 意大利ENEA 罗马尼亚建科院 日本科技厅防灾中心
10×2 6×6.5 12×8 12×8 6×8 16×16 7×7 15×15
最大试件 t 170 125 100 400 100 150 80 500
全世界大型的模拟地震振动台统计 （台面负载>50t）(2)
据不完全统计，全世界共有模拟地震振 动台系统约近百套。 目前世界上最大的振动台为日本 NIED 的 15m×20m 六自由度振动台，承载能力 为1200t，将于2005年建成。 我国建成的模拟地震振动台约20套。 国内在建的最大的振动台为 6m×6m 三 向六自由度振动台。
全世界大型的模拟地震振动台统计 （台面负载>50t）(1)
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
刚性箱体 剪切型箱体 柔性箱体 试验对模型箱的基本要求 （1）能像土体那样发生剪 切变形； （2）尺寸要足够大，能消 除模型箱边界效应的影响。
国内外桩-土-结构相互作用模型试验概况
1.1 SPSI Tests in University of California,
Berkeley, USA
水下振动台试验系统
振动台台阵
同济大学的 振动台
广州大学的 振动台
中国水科院的振动台
大连理工大学的振动台
三、同济大学振动台模型试验
同济大学土木工程防灾国家重点实验室1983年从 美国MTS公司引进模拟地震振动台。
试验室MTS振动台基本性能参数如下：
台面尺寸 振动波形 最大试件质量 频率范围 控制振动方式 数据采通道
模型动力相似理论
动力相似理论包括动力模型设计理论、 动力模型试验技术，以及用模型推算原型 结构性能等一系列理论与实践问题。
研究表明，对于弹塑性和极限强度模型 试验，若满足所有相似条件，则结构系统 的动力反应，可以相当精确地用缩尺模型 来模拟。
理论上完全相似的模型是难以实现的： （1）受振动台性能的限制 （2）受材料性能的限制 （3）不能实现对重力加速度的相似变换
4×4 5×5 5×5
广州大学
河海大学
3×3
2×2.8
10
6
中国模拟地震振动台统计(2)
大连工学院 3×3 10
云南工学院
香港理工大学 台北NCREE 北京理工大学
1.5×2
3×3 5×5 2×2
2.5
10 30 5
中国核工业设计院 中国建筑科学研究院
6×6 6×6
在建 在建
大型6自由度振动台试验系统
上海仙乐斯广场 重庆建设大厦 上海凯旋门大厦 浦东世茂滨江花园 广州天王中心 广州南航大厦 北京LG大厦 广州越秀大厦 高桥国际金融中心 上海星海大厦 广州国际金融大厦
上海东方明珠广播电视塔
浦东国际机场 候机楼
上海大剧院
浦东青少年活动中心 （平面U型，斜柱，双 塔楼）
钢截面采用弯制或焊制；
利用锡焊和螺丝将构件连接在一起； 紫铜、铝合金、白铁皮的材料特性变化较
大，可以根据模型设计时的不同要求来选 择，一般选弹性模量较低的材料。
砌体
对于砌体结构模型，则可采用专门制作的 小砌块来砌筑，模型材料的弹性模量、强 度等应按相似系数确定。 砂浆按相似关系调整，但其灰缝厚度不能 太小； 设计模型时应按砌体结构抗侧承载力建立 相似关系。
土 通常采用级配细砂、筛分的粘土以及其他 散粒材料拌合的混合物模拟土体； 在弹塑性地震反应时，土体与上部结构的 非线性程度发展很难保持一致，在模型设 计时应考虑相似关系的变化；具体处理时 应根据研究目的有所侧重； 地震反应前后均应取模型土样进行检验；
模型制作技术
钢筋的绑扎
型钢的制作
&
The experiments are conducted using a 5 meter long by 1.2 meter wide soil-box that is 2 meters tall. It is constructed of steel with acrylic window panels in one side for viewing the soil movement. (2000-2001)
模型材料研究
对于高层钢筋混凝土结构，动力模型材料 一般可由微粒混凝土、镀锌铁丝和铁丝网 制作而成，模型的物理特性主要由微粒混 凝土来决定。 经常采用铜、铝合金以及钢材来模拟钢结 构。
有时也采用有机玻璃制作整体结构模型。 桩土结构作用时，可采用砂、黏土甚至人 造复合土（或重塑土）模拟土体结构。
1.2 SSI Tests in Japan
1.3 SSI Tests in a joint research between Waseda Univ. and UCSD 1.4 SSI Tests in this Project（Tongji Univ.)
1.1 SPSI Tests in University of California, Berkeley, USA (1998)
施工方法、振捣方式和养护条件都与普通混
Fra Baidu bibliotek
微粒混凝土力学性能与原型混凝土应具有
较好的相似性。微粒混凝土模型试验时可 以做到模型开裂甚至破坏，具有试验现象 比较直观的优点。
根据多年模型制作经验，采用有机玻璃板
作为外模，这样既可以使浇筑表面平整光 滑，又可在浇筑过程中及时发现问题，保 证浇筑密实。
微粒混凝土的材料特性见下页。
Shaking Table Test of Reinforced Earth Retaining Wall with Shear Box
Shaking Table Test of Soil-Pile Interaction with Shear Box
1.3 joint test between
上海仙乐斯广场
砌体结构抗震性能研究
砌体结构地震倒 塌试验研究
底部两层框架砌体结 构抗震试验研究
桩土结构相互作用研究
国家自然科学基金 重点项目——桩土 结构相互作用研究
核安全壳抗震试验
95重点攻关项目— 快堆主钠池堆芯抗 震安全评价方法研 究（1996—2001）
结构控制试验
结构隔震技术研究
（4）验证新型结构体系的抗震分析模型，为 发展新的结构抗震设计理论提供依据； （5）研究各种介质之间的相互作用问题，例 如结构与地基的相互作用、结构与流体的 相互作用、结构与散体的相互作用等等， 为认识这类问题的破坏机理、建立分析模 型和发展设计方法提供依据。
二、振动台模型试验技术的发展
随着经济的发展和世界各国对科技的不断 重视，以及世界上接连发生的几次破坏性 地震的惨痛教训，世界各国的地震工程研 究人员越来越认识到振动台试验的作用。 20世纪90年代以来振动台试验设备的建设和 在振动台上进行模型或原型结构或部件试 验研究进入了一个新的发展时期。
2.50E+04
弹性模量(MPa)
2.00E+04 1.50E+04 1.00E+04 5.00E+03 0.00E+00 0
y = 1400.3x R 2 = 0.3033
5 10 立方体强度(MPa)
15
应力应变曲线
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 0.00 1.00 2.00 应变比 Cm30 3.00 4.00
考虑主要的参数的相似要求，而对另一些 次要条件适当放松要求，以实现现有试验 条件下对原型结构较好的模拟。
模型的相似关系
模型动力相似关系应满足模型和原型几 何尺寸相似、材料性能相似、荷载相似、 模型动力反应相似以及边界条件的相似 条件。 相似关系见表。
难点在于不同材料的相似匹配。
同一模型中的不同材料应满足相同的相 似关系，它们的相似常数应相同。
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。 较高，对施工有特殊要求。
模型缩比较大时，构件尺寸较小，精度要求
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。 凝土相同。
应力比
Cm10
Cm20
Cm40
7
曲线分为上升段 和下降段
上升段 y=x*(2-x) 下降段 y=x/(x+a(x-1))
a
6 5 4 3 2 1 0 0 10 20 峰值应力 30 40
曲线与普通混凝土具有较好的相似性 初始弹性模量与强度保持一致的相似关系
有机玻璃
有机玻璃适于弹性模型的制作。可用于