振动台试验(终极版)

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一、前言 二、常用振动台及特点 三、组成及工作原理 四、加载设计 五、加载过程及试验方法 六、观测设计及反应测量 七、安全措施 八、振动台试验实例
八、振动台试验实例
• 上海星海大厦位于江宁路普陀路口，该大厦地下2 层，地上24层(局部25层)，立面从4层至20层开有 巨大门洞。由于受建筑造型的限制，结构采用门式 结构，两门框之间成20°。试验模型为l:25微粒混 凝土整体模型。通过模拟地震振动台试验研究该结 构的自振频率、振型，研究结构在遭受7度多遇、 基本烈度和罕遇地震作用时的加速度、位移和应变 反应以及结构的开裂、破坏部位和破坏形式。
电动式振动台
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三、组成及工作原理
模拟地震振动台示意图
三、组成及工作原理
1、振动台台体结构 2、液压驱动和动力系统 3、控制系统 4、测试和分析系统 • 振动台的控制方式分为： 模拟控制：以位移控制为基础的PID和以位移、速度、加 速度组成的三参量反馈控制方式。 数 控：主要采用开换迭代进行台面的地震波再现。
上海星海大厦模型
（1） 模型设计与制作 结构动力模型设计时，很难完全满足模型与原 型之间的相似关系。该试验主要研究地震时结构的 性能，因此设计主要应满足抗侧力构件相似关系。
物理量 长度 时间 频率 密度 相似系数 1/25 0.075 13.333 1.0 物理量 弹性模量 应力 位移 加速度 相似系数 1/3.516 1/3.516 1/25 7.110
电磁式振动台
电磁激振器结构示意图
电磁振动台组成系统图
电液式振动台
• 工作方式：用小的电动振动台驱动可 控制的伺服阀，通过油压使传动装置 产生振动。 • 这种振动台能产生很大的激振力和位 移，而且在很低的频率下可得到很大 的激振力。 • 局限性：高频性能较差、上限工作频 率低、波形失真较大。虽然可以做随 机振动，但随机振动激振力的rms额定 值只能为正弦额定值的1/3以下。 • 这种振动台因其大推力、大位移可以 弥补电动振动台的不足，在未来的振 动试验中仍然发挥作用，尤其是在船 舶和汽车行业会有一定市场。
电磁式振动台
• 具有电磁振动发生器的振动台。 • 广泛适用于国防、航空、航天、通讯、电子、汽车、家电等行业。 • 该类型设备用于发现早期故障，模拟实际工况考核和结构强度试验，产品 应用范围广泛、适用面宽、试验效果显著、可靠。正弦波、调频、扫频、 可程式、倍频、对数、最大加速度，调幅，时间控制，全功能电脑控制， 简易定加速度/定振幅。精密型设计制造、体积小、超静音工作，机台底座 采用优质材料，安装方便，运行平稳，无需安装地脚螺丝；控制电路数字 化控制与显示频率，PID调节功能，使设备工作更为稳定、可靠；扫频及定 频操作方式，适应不同行业测试要求；增加抗干扰电路，解决因强电磁场 对控制电路干扰；增加工作时间设定器，使测试产品达到准确测试时间。
机械式振动台
• 机械式振动台是一种振动成型机械，适用于各种薄壁构件、 杆件空心楼板、大型屋面板、梁、立柱等混凝土预制件的生 产成型。 • 可分为不平衡重块式和凸轮式两类。 • 这种振动台可以产生正弦振动，其结构简单，成本低，但只 能在约5Hz~100Hz的频率范围工作，最大位移为6mm峰-峤 值，最大加速度约10g，不能进行随机振动，由于其性能的 局限，今后用量会越来越少。
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七、安全措施
• 试件设计时应进行吊装验算，避免试件在吊装过程中发生破坏. • 试件与振动台的安装应牢固，对安装螺栓的强度和刚度应进行 验算。 • 试验人员在上下振动台台面时应注意台面和基坑地面之间的间 隙，防止发生坠人或摔伤事故。 • 传感器应与试件牢固连接，并应采取预防掉落的措施，避免因 振动引起传感器掉落或损坏。 • 有可能发生倒塌的试件，应在振动台四周铺设软垫，并利用吊 车通过绳索或钢丝绳进行保护，防止试件倒塌时损坏振动台和 周围设备。进行倒塌试验时，应将传感器全部拆除、同时认真 做好摄像记录工作。 • 试验过程中应做好警戒标志，防止与试验无关的人员进入试验 区。
表2 模型自振频率及阻尼比
①模型的第一振型为斜向振型。其他振型多为空间振 型。 ②东、西塔楼有各自的局部振动，由于两塔楼的质量 和刚度不完全一致(施工和使用所至)，使两塔楼的自振 频率有差异，结构的振型密集。
（4）模型加速度反应 ①结构东、西两方面的加速度反应不一致， 在两塔楼的中部，加速度反应较大，且随 着开裂程度的加剧，自振频率降低。 ②动力放大系数随地震烈度提高而减小，说 明模型刚度下降，阻尼增大，结构进入非 线性阶段后，使动力放大系数有所降低。 ③在相同烈度水平下，模型加速度反应一般 以输入人工波时为最大。
五、加载过程及试验方法
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； （2）振动台台面输入振动信号，使结构产生微裂缝； （3）加大台面输入的振动信号，使结构产生中等程度的开裂。 （4）加大台面输入的加速度幅值，使结构变为机动机构，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。
（2）振动台试验方法 ①试验采用的波形 上海星海大厦场地类别为IV类场地土。根据原型场地条 件以及原型结构的动力特性，输入波形选用EL-Cen tro波、 San-Fernando波及拟合规范反应谱的人工地震波。试验时 ，分为多遇地震、基本烈度地震和罕遇地震三种加速度，依 次输入上述三种波形。
②测点布置 沿模型高度在3个主轴方向布置了23个加速度传感器。 测量模型的加速度反应，同时布置了21片应变片，测量模型 关键部位主要构件的应变反应。
四、加载设计
• 在选择和设计台面的输入运动时，需要考 虑下列有关因素： 试验结构的周期 结构所在的场地条件 考虑振动台台面的输出能力
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五、加载过程及试验方法
表1 模型相似系数
• 模型主体采用微粒混凝土和镀锌铁丝制作； • 墙、柱、梁、板等构件尺寸及配筋由相似关系计 算得出； • 柱中纵向钢筋与箍筋的连接采用焊锡焊接； • 梁、板中配有点焊铁丝网或镀锌铁丝； • 由于模型比例较小，制作精度要求较高，因此对 施工精度有特殊要求。该模型外模采用有机玻璃 板，可以在浇筑过程中及时发现问题，保证浇筑 密实。内模采用泡沫塑料。使用这种材料易于拆 模。
（5）模型位移反应 ①模型东、西两侧位移反应不一致，产生的 原因主要是： a、结构不对称； b、结构反应为空间反应(翘曲，扭转等)。 ②在同一烈度的不同地震波作用下，模型的 位移反应一般以输入人工波时位移反应最 大。
（6）模型应变反应 ①剪力墙应变 ②柱应变 ③梁应变 由21层深梁底应变反应可知，门洞处深梁跨 度小应力大，跨度大应力小。总之，结构中 剪力墙的应变反应最大，为梁、柱应变反应 的两倍多，因此在试验中剪力墙首先开裂， 且破坏最为严重。
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二、常用振动台及特点
• 振动台，又称振动激励器或振动发生器。一 般包括振动台台体、监控系统和辅助设备等。 它是一种利用电动、电液压、压电或其他原 理获得机械振动的装置。 • 常见的振动台分为四类： 1、机械式振动台 2、电磁式振动台 3、电液式振动台 4、电动式振动台
（3）试验结果 ①试验现象 ②模型动力特性 该结构的自振特性有以下特点：
频率序号
频率（Hz） 阻尼比 振型形式
1
9.766 0.0423 斜向
2
13.021 0.0578 扭转
3
39.714 0.0319 X向
4
41.667 0.0244 东塔Y
5
43.620百度文库0.0139 东塔X
6
48.177 0.0157 西塔Y
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六、观测设计及反应测量
• 地震模拟振动台试验，一般需观测结构的有： 加速度 位移 应变反应 结构的开裂部位 裂缝的发展 结构的破坏部位 破坏形式
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电液振动台工作原理
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
PID控制方式的振动台系统
三参量控制方式的振动台系统
地震模拟振动台加速度控制系统图
振动台的三维地震模拟系统
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四、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，不能达到预期目的。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。
• 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。 • 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。
五、加载过程及试验方法
1、一次性加载 特点：结构从弹性阶段、弹塑性阶段直至破 坏阶段的全过程是在一次加载过程中全部 完成的。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。
谢
谢～
振动台试验
主讲人：李习波、张迪
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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； • 20世纪60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； • 在原子能反应堆、海洋结构工程、水工结构、桥梁等方面发 挥重要作用。