地震模拟振动台试验12次课45

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4、地震模拟振动台加载过程
加载程序有一次性加载和多次加载，选择加载
程序由试验目的来确定。
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一次性加载：一般是先进行自由振动试验，测量结构的 动力特性。然后输入一个适当的地震记录，连续地记录 位移、速度、加速度、应变等动力反应，并观察裂缝的 形成和发展过程，以研究结构在弹性、弹塑性和破坏阶 段的各种性能。
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§2.8 结构抗震试验方法
地震地面运动数据来自地震观测台网的地震记录， 这些地震记录一般为地震地面运动的速度或加速度。 在结构抗震设计中，也是根据地面加速度来计算结
构受到的惯性力。因此，进行振动台试验时，输入
到计算机的地震运动大多为地面运动加速度，相应
应变变化。对于混凝土结构和砌体结构模型，由于反复
受力的特点，电阻应变片很容易因开裂而失效。常采用
位移传感器在一定标距下的测量值作为该标距范围内的
平均应变。
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由于试验速度快，模型结构的损伤和破坏过程 的观测和记录应由图像采集系统自动完成。 地震模拟振动台试验为破坏性试验，希望得到 模型结构倒塌破坏时的有关数据，例如，倒塌前各 楼层的惯性力分布。因此，试验时要采取可靠的安 全措施，一方面防止人员受到伤害，另一方面，还 要保护测量仪表，避免不必要的损失。
器的最大速度，振动圆频率越高，振动位移幅值就越小。振
动台的最大加速度可以达到20m／s2(2g，g为重力加速度)。
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(4) 输入波形
地震模拟振动台试验的主要目的是检验结构在 遭遇地震时的性能。一般要求振动台能够模拟地震 地面运动，输入的振动波形应为不规则的地震波。 此外，振动台可以用来对结构施加各种振动激励， 输入的波形还包括正弦波、三角波等规则波，以及 随机的不规则白噪声波等。
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大型地震模拟振动台多采用电液伺服作动器作为驱 动单元，振动台试验中，运动部件的最大加速度取 决于电液伺服作动器的最大推力和运动部件的质量。 这里，运动部件就是指振动台台面和试验结构模型。 因此，振动台试验中，试验结构模型的平面尺寸受 振动台平面尺寸限制，试验结构模型的重量也要受 到振动台最大负载能力的限制。
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六自由度地震模拟振动台：由振动台台面、电液伺
服作动器、控制系统和数据采集系统组成。多个电
液伺服作动器可使振动台台面实现任意方向上的移
动和绕任意轴的转动。试验时，将地震地面运动的
有关数据输入到计算机，作为振动台台面的运动数 据，计算机将输入的地震运动数据转换为台面的运 动数据，再对电液伺服作动器发出控制指令，电液 伺服作动器推动振动台台面实现地震地面运动模拟。
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内华达州立大学 雷诺分校—振动 台阵 University of
Nevada，Reno 台面尺寸：
4.3米×4.5米
台面承重：50吨
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重庆交通科研设计院 两台台阵
台面尺寸A：3米×6米
台面尺寸B：3米×6米
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振动台是用来产生模拟地震地面运动，对结构的抗 震性能进行研究。如图为地震模拟振动台的示意图。
试验时，振动台台面产生 要求的地面运动，其运动规律 与结构遭遇地震时的运动规律
相同。安装在振动台上的模型
结构受到台面运动的加速度作 用，产生惯性力，从而再现地 震对结构的作用。 Lab of Prof. Tian Shizhu
A台面承重：35吨 B台面承重：35吨
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University of California San Diego University at Buffalo, The State University of New York 美国NEES计划： Network for Earthquake Engineering Simulation http://www.nees.org
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(3) 频率范围、最大位移、速度和加速度
已有的地震记录的最高频率一般不超过10Hz，考虑试验 结构模型的特点，地震模拟振动台的频率范围大多为0—50Hz， 有的振动台的最高频率响应可以达到80～120Hz，主要用于 较小比例的结构模型的振动台试验。振动台最大位移一般为 ±100mm。采用电液伺服系统的振动台，其动态特性由电液 伺服作动器所决定。电液伺服系统的流量和压力决定了作动
底的加速度，除在振动台台面安装加速度传感器外，在
模型结构基底 也安装加速度传感器。
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位移传感器：为相对传感器，在振动台试验中，要设置 位移传感器安装支架，安装支架应有足够的刚度且不受 振动台运动的影响。将位移传感器固定在安装支架上， 测量模型结构与安装支架之间的相对位移。 对于钢结构模型，可直接采用电阻应变计量测试验中的
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振动台运动维数（振动方向）
地震引起的地面运动非常复杂，一般情况下， 地震地面运动由6个自由度的运动分量组合而成，即 2个水平方向、l个垂直方向的直线运动和绕3个坐标 轴方向的旋转运动。最简单的地震模拟振动台为水 平单向振动台，它只有一个方向的运动。最复杂的 振动台包含所有6个自由度的运动。
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三、结构拟动力试验
对于一个具体的结构或某一种具体的结构形式，发生地 震时，结构受到的惯性力与结构本身的特性相关，地震模拟 试验的就是要模拟结构受到的这种惯性力。如前所述，地震 模拟振动台试验可以模拟结构遭遇的地震作用。但是，受台
面尺寸和设备能力所限，地震模拟振动台试验中，结构模型
由度为水平方向，另一自由度为竖向方向；另一种组合中，
两个自由度均为水平方向，两个水平运动方向相互垂直。三 自由度的振动台包括两个水平方向的自由度和一个竖向方向 的自由度。目前，已投入运行的地震模拟振动台虽然具有在 全部6个自由度上模拟地震地面运动的能力，但在结构抗震试
验中，一般仍以水平方向和垂直方向的振动为主。
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3．地震模拟振动台试验的实施与数据采集
地震模拟振动台试验是一种高速动态试验，试验中 采集的数据主要包括模型结构各测点的加速度、位移和 应变。其中，最重要的测试数据是各楼层的加速度数据。 因为通过实测的加速度，可以推算各楼层所受的惯性力 作用。加速度传感器为绝对传感器，可将其直接安装在 模型结构的各个楼层位置。为了准确地测量模型结构基
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台面尺寸：20米×15米
台面承重：1200吨
三方向六自由度 Dr. Masayoshi Nakashima (中岛正爱 教授)
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中国建筑科学研究院 (国内最大）
台面尺寸：6.1米×6.1米 台面承重：60吨
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1．结构拟动力试验方法的基本原理
弹性单ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ由度结构体系在地震作用下的运动微分方程为：
mx cx kx mxg
(1)
分别为惯性力、阻尼力和弹性恢复力。 根据结构动力学，(1)式可以采用杜哈美尔积分方法求解。 对于非弹性体系，例如，混凝土开裂、受拉钢筋屈服等现象 使结构体系的恢复力与结构体系的位移偏离线性关系。(1)
或拟静载试验(低周反复荷载试验)中，常常忽略结构受力单 元的空间联系，取试验结构模型为平面结构模型，例如，平 面框架结构。平面外的稳定问题通过试验装置解决。但在地 震模拟振动台试验中，即使是单向地震模拟试验，结构模型
也应为空间模型。台面尺寸越大，结构模型的尺寸就可以越
大，试验结构的性能也就越接近真实结构的性能。目前。世 界上最大的振动台台面尺寸为20m×15m(日本)。 Lab of Prof. Tian Shizhu
这种加载过程的主要特点：可以连续模拟结构在一次强
烈地震中的整个表现与反应，但是对试验过程中的量测
和观察要求较高(要求高速摄影或电视摄像)，破坏阶段
的观测又比较危险，因此在没有足够经验的情况下很少 采用这种加载方法。 Lab of Prof. Tian Shizhu
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多次加载：主要是将荷载按结构初裂、中等开裂和 破坏分成等级，然后荷载由小到大逐级加载和观察。 多级加载对结构将产生变形积累的影响。 由于地震模拟振动台可以实时地再现地震作用 过程，因此可以很好地反映应变速率对结构材料强 度的影响。它的缺点是：设备昂贵，不能做大比例 模型试验，不便于试验全过程观测。
三方向六自由度
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近年来，振动台阵列开始投入使用。 3 个振动 台组成一个振动台阵列进行桥梁结构的地震模拟振 动台试验。 3 个振动台可以在一个方向上同步运动， 也可以根据桥梁实际场地的差异，分别输入不同的 地震波进行试验。这种振动台阵列可以进行较大尺 寸的结构模型试验。
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(2) 台面运动自由度
理论上，地震模拟振动台可以有6个自由度，也就是说，基于 现代工业技术制造的地震模拟振动台可以使振动台再现全部
地震地面运动。但在工程实践中，地震记录很少有地面运动
的旋转分量。这与强震观测有关。我们知道，强震观测仪记 录的地震运动为仪器安装位置的直线运动，这个直线运动应 该包含了旋转分量。但如果要通过强震观测仪确定地震引起 的地面旋转运动，就必须知道转动中心。由于地震运动的复
的电液伺服作动器的控制目标也应包括加速度。
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控制方式：目前，较先进的振动台采用三参量控制技 术，将振动台的位移、速度和加速度均作为控制目标。 当振动台的振动频率较高时，位移较小而加速度较大， 采用加速度为控制目标可以获得较高的相对控制精度。 低频振动时则正好相反，采用位移控制可以得到较高
二、地震模拟振动台试验
在地震模拟振动台上进行动力试验，具有其它抗震
动力与静力试验不同的特点，地震模拟振动台能再现各
种形式的地震波，它为试验的多波输入分析提供了可能， 它可以模拟若干次地震现象的初震主震以及余震的全过 程，因此就可以了解试验结构在相应各个阶段的力学性 能，从而可给予人们直观了解和认识地震对结构产生的 破坏现象。它可以按照人们的要求，借助于人工地震波 的研究及输入，模拟在任何场地上的地面运动特性。
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§2.8 结构抗震试验方法
地震模拟振动台在抗震研究中的作用。
研究结构的动力特性，破坏机理及震害原因。 验证抗震计算理论和计算模型的正确性。 研究动力相似理论，为模型试验提供依据。 检验产品质量，提高抗震性能，为生产服务。 为结构抗震静力试验，提供试验依据。
的相对控制精度。在振动台台面安装了加速度、速度
和位移传感器，这些传感器采集的信号均反馈至控制
系统的计算机，计算机根据误差最小的原则实时选择
控制参量，使振动台准确地再现输入的地震波。
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地震模拟振动台的主要技术参数如下：
(1) 台面尺寸和台面最大负载
台面尺寸决定了进行试验的结构模型平面尺寸。在静载试验
杂性，目前可用的地震记录大多为观测点的地面直线运动(观
测点的速度和加速度)。相应的，在工程结构抗震设计、分析 和试验中，一般也不考虑地面运动的旋转分量。 Lab of Prof. Tian Shizhu
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(2) 台面运动自由度
振动台仅在一个方向运动时，为水平单向振动台。如果 振动台有两个自由度，可以有两种组合，一种组合为一个自
的尺寸往往很小，结构构件的局部性能很难准确模拟。要解 决这一问题，只有加大结构模型的尺寸，用其他方式模拟结 构受到的惯性力。 Lab of Prof. Tian Shizhu
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结构拟动力试验方法就是用静力加载的方式来 模拟结构受到地震动力作用的一种试验方法。
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