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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［２］ Ｃｈｏｐｒａ ＡＫ，Ｇｏｅｌ ＲＫ．Ａ ｍｏｄａｌ Ｐｕｓｈｏｖｅｒ ａｎａｌｙｓｉｓ ｐｒｏｃｅｄｕｒｅ ｔｏ ｅｓ·
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
大缩尺模型振动台试验误差分析
大缩尺模型振动台试验误差分析葛康;陈世鸣【摘要】Shaking table test is an important method to simulate building behavior under real earthquake.However,test errors inevitably occur during stage of test design,material selection and model manufacture,which can influence test results,especially in large-scale shaking table tests.This paper analysessome test errors of a 1/30 scale down shaking table test model through finite element method.Also the causes of test errors and the influences on the natural vibration characteristic and displacement response of model structure caused by the errors were studied respectively.%模拟地震振动台试验是模拟建筑结构在地震作用下真实响应的一种重要手段.但在振动台试验的设计、材料选用及模型制作阶段均存在着不可避免的误差,进而影响到试验的结果,尤其是在缩尺比例较大的试验中这种影响更为明显.针对一个1:30的缩尺模型结构进行了振动台试验,并在基于实测数据的基础上对试验中产生的误差进行分析,得到了误差对模型自振特性及位移响应的影响.【期刊名称】《结构工程师》【年(卷),期】2017(033)005【总页数】8页(P154-161)【关键词】振动台试验模型;大缩尺;设计及制作;试验误差【作者】葛康;陈世鸣【作者单位】同济大学结构工程与防灾研究所,上海200092;同济大学结构工程与防灾研究所,上海200092【正文语种】中文随着现代复杂高层结构日益增多,尤其是不规则超限结构的增多,使得其抗震性能受到广泛的关注。
地震模拟振动台试验分析
地震模拟振动台试验分析
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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。
2
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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 三方向六自由度
地震模拟振动台试验分析
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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。
地震模拟振动台试验分析
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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 的电液伺服作动器的控制目标也应包括加速度。
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。
地震模拟振动台试验分析
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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。
地震模拟振动台试验12次课45
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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
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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8
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
Lab of Prof. Tian Shizhu
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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。
振动台试验方案设计实例
振动台试验⽅案设计实例⼀、振动台试验⽅案1试验⽅案1.1⼯程概况本⼯程塔楼结构体系为“三维巨型空间框架－钢筋混凝⼟核⼼筒”结构体系，主要由4个核⼼筒、钢⾻混凝⼟（SRC）外框架、3个避难层联系桁架三部分构成，图1-2、图1-3分别是B塔结构体系构成⽰意图和建筑效果图。
特别指出的是本⼯程在14、24楼层的联系桁架的腹杆以及32、48楼层的斜撑为防屈曲⽀撑（UBB）构件。
设计指标为⼩震不屈服，⼤震屈服耗能。
具体位置⽰意见图1-4。
本⼯程的⾃振周期约为 6.44秒，超过了《建筑抗震设计规范》(GB-50011-2001)设计反应谱长为6秒的规定。
本⼯程存在5个⼀般不规则和2个特别不规则类型，5个⼀般不规则类型分别是扭转不规则、凹凸不规则、刚度突变、构件间断和承载⼒突变。
2个特别不规则是⾼位转换和复杂连接。
1.2 模拟⽅案1、模拟⽅案选择动⼒试验⽤的结构模型必须根据相似律进⾏设计，模型动⼒相似律的建⽴以结构运动⽅程为基础，选择若⼲主要控制参数作为模拟控制的对象，依据Buckingham的π定理，经⽆量纲分析导出控制参数的⽆量纲积，据此确定各控制参数的相似⽐率。
结构动⼒试验的相似模型⼤致分为四种：（1）弹塑性模型理论上可以重现结构反应的时间过程，使模型和原型的应⼒分布⼀致，并可模拟结构的破坏。
由于要严格考虑重⼒加速度对应⼒反应的影响，必须满⾜S a=S g=1（S a=模型加速度/原型加速度，S g为重⼒加速度相似系数，各相似系数之间的关系见表1），即模型加速度反应与原型加速度反应⼀致，这⼀要求⼤⼤限制模型材料的选择。
因为在缩尺模型中，⼏何⽐（S l）很⼩，在Sa=Sg=1的条件下，要满⾜Sa=S E/S l Sρ=1，即S l=S E/Sρ，必须使模型材料的弹模很⼩或材料密度很⼤，弹模⼩导致模型浇筑困难，容易损坏；密度⼤则要求在模型材料中加⼊⼤量铅粉之类容重⼤的掺合物。
这对⼤型建筑动⼒试验模型是难以办到的。
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。
地震模拟振动台及模型试验研究进展
２ Ｉｓｔｔ ｏ ｉｉＥ ｇｎｅ ｎ ， ｏａ Ｕ ｖｒ ｔ，Ｎ ｎｉｇ １０ ８ Ｃ ｉ ） ．ｎｔｕ ｆ ｖ ｎｉｅｒ ｇ Ｈ ｈｉ ｎ ｅ ｉ ｉｅ Ｃ ｌ ｉ ｉ ｓ ｙ ａｊ ０９ ， ｈｎ ｎ２ ａ
Ａｂ ｔ ａ ｔ Ｔ ｅ ｄ ｖ ｌｐ ｎ ｆｓ ａ ｉｇ ｔｂｅ ｉ ｉｄ ｃ ｄ ｆ ｔｉ ｈｓ ｐ ｐ ｒ Ｔ ｅ ｅ ｐ ｎ ｉｎ ｏ ｈ ｅ ｅ ｒ ｈ ｓｒ ｃ ｈ ｅ ｅｏ ｍｅ ｔｏ ｈ ｋｎ ａ ｌ ｓ ｎ ｕ ｅ ｒ ｎ ｔｉ ａ ｅ ． ｈ ｘ ａ ｓｏ ｆｔ ｅ ｒ ｓ ａ ｃ ｉ ｓ
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基 金３ ００） ５３ ８ ４
２ 研究 的最新进展
２ １ 振动台本身的发展 ． 作为美国 Ｎ Ｅ Ｅ Ｓ计划的一部分 ， 加州大学圣 地亚哥分校 （ Ｃ Ｄ 于 ２０ Ｕ Ｓ ） ０４年安装 Ｍ Ｓ 司制 Ｔ公
维普资讯
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ｓｏ ｅｏ ａ ｉｇｔｂ ｅ ｎ ｙ ｅ ．Ｔ ｅｄ ｎ ｍｉ ｓ ｌｕ ｅｒｌｔ ｎ ｈｐ ｆ ｍ ｉ ｅｅ ｔ ｕｈ ｒ ｏ ａｅ ｎ ｃ ｐ ｆ ｈ ｋｎ ｌｓｉ ａ ａ ｚｄ ｈ ｙ ａ ｃ ｉ ｉ ｄ ａｉ ｓ ｉ ｒ ｄｆ ｒｎ ｔｏ ｓｉ ｃ ｍｐ ｒｄａ ｄ ｓ ａ ｓ ｌ ｍｉ ｔ ｅ ｏ ｏ ａ ｓ
振动台试验中地震动选择以及试验结果
振动台试验中地震动选择以及试验结果摘要：振动台试验是研究和评价结构抗震性能的主要方法之一。
在振动台试验中，按相似理论设计的缩尺模型，通过一系列特定顺序地震动的输入，激励起模型结构的动力反应，来研究和评价结构的抗震性能。
对于进入非线性的模型结构来说，振动台试验是个不可逆过程。
因此如何选择地震动，对振动台试验成功与否，显得尤为重要。
本文提出以主要周期点处地震动反应谱的包络值与设计反应谱相差不超过20%的方法选择地震动；按主要周期点处多向地震动反应谱的加权求和值大小确定地震动输入顺序；最后将该方法应用到八层可再生混凝土框架模型振动台试验中。
试验结果表明，按本文方法选的地震动可以合理地评价结构的抗震行为，地震动输入顺序可以逐步激励起结构的动力反应关键词：振动台试验；地震波；输入；选择；一引言利用大型振动台进行结构模拟地震试验是研究工程结构抗震能力和破坏机理的重要手段之一。
在振动台试验中，按相似理论设计的缩尺模型，通过一系列特定顺序地震动的输入，激励起模型结构的动力反应，来研究和评价结构的抗震性能。
对于进入非线性的模型结构来说，振动台试验是个不可逆过程。
振动台试验如果地震动选择不当，将无法有效合理地激励起结构的动力响应，从而无法对结构的抗震性能作出合理而准确的评价。
有可能造成后面地震动的输入几乎不起作用，也无法准确评价结构的抗震性能。
目前国内外并未有统一的地震输入规范或方法，因此研究合理选择振动台试验输入地震动以及设定地震动的输入顺序，对确保振动台试验的成功起着至关重要的作用[1]二工程地震动选择方法地震反应谱理论的创立为地震工程和工程抗震奠定了理论基础。
在工程抗震中，反应谱构抗震设计具有十分重要的意义。
但是反应谱也有明显的缺点，即它无法表示地震动的时，而持时对结构的破坏具有十分重要的作用[2 ～5]。
因此根据分析目的不同，各国的抗震规范、指南和相关文献中用于结构弹塑性时程分析的地震动记录选取大致可分为3 类[6]。
建筑结构振动台模型试验方法与技术
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振动台模型试验的完整数据
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～50Hz2.2 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。
地震模拟振动台实验详解
1.稳态强迫振动位移(Displacement)：
通常情况下振动是由第一部分的自由振动和第二部分的伴生自由振动及第三部分 稳态强迫振动组成的，由于前两部分随着时间的增长而衰减，逐渐成为稳态强迫 振动。
A
F
F k
m ( p2 2 )2 (2n)2
m k
( p2 2 )2 (2n)2
F
k
(1 2 p2 )2 4( n p)2 ( p)2
p20 p2 n2
ln
xt xt jT0
ln
Aent sin( p0t Aen(t jT0 ) sin( p0
a) jp0T0
a)
h np
h h 1 h2 2 j
阻尼自由振动
Example
强迫振动（质－弹－阻模型）， 运动方程为：
..
.
m x c x kx F sint
x ent (A1 cos p0t A2 sin p0t) Asin(t )
周期 振动 分解
一个周期为 T 数展开为：
2
的周期振动x(t)，可以按傅里叶(Fourier)级
式中：
谐和分析
单自由度(Degree of Single Freedom) 系统的振动
无阻尼系统（质－弹模型）， 运动方程为：
..
m x kx 0
对于t.=0时，. 初始位移x(0)=x0，初始 速度x(0)= x0 ，则：
10
20
30
40
50
60
各谐波的幅值的平方之半在频率域上的分布情况，周期 振动的功率谱是一个离散谱
功率谱密度(Power spectrum density)
非周期振动： 可视为周期无限长的周期振动
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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。