第 29卷 第 2期 2011年 2月
嘉应学院学报 (自然科学 ) JOURNALOFJIAYINGUNIVERSITY(NaturalScience)
Vol.2 9 No.2 Feb.2 011
结构振动台试验研究现状与发展
李 涛 , 李升才
(华侨大学 土木工程学院 , 福建 泉州 362021)
第 29卷第 2期
李 涛 , 李升才 结构振动台试验研究现状与发展
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利用振动台研究结构抗震性能 的特点是显而 易见的 .
(1)可以适时地再现各种地震波的作用过程 , 并 进行人工地震波模拟试验 , 比较接近实际模拟地震时 地面的运动状况以及地震对建筑结构的作用情况 .
(2)通过应变片等传感装置可以直接地检测到 结构内部受力状态 .
度小震 ～ 7度半大震下的地震响应 , 揭示了结构的
抗震薄弱部位 .文献 [ 9] 对深圳罗湖商务大厦结构 设计修改前后 进行了整体模型模拟地震振动台试 验 .首先介绍了振动台试验的过程及现象 , 并分析 了结构的破坏模式 , 然后对比分析了结构的动力特 性和加速度及位移反应 , 文献 [ 10] 研究了非对称石 砌体结构在进行两种技术的加固后 , 在振动台实验
图 1 地震模拟振动台系统
1.2 结构振动台试验的现状 依据振动台试验对象和目的 , 结构振动台试验
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一般可分为三种类型 . 第一种类型为测定某种特定结 构抗震性能的
试验 , 这种类型的振动台试验研究内容一般是该结 构内部构件在地震作用下的配合作用 , 结构的整体 抗震性能以及动力特性等 , 这类试验的结构原型不 会付诸实际建设, 一般采用大比例的模型, 以充分 了解结构构件间的相互作用 .如文献 [ 3] 通过振动 台试验研究, 以及对算例的弹塑性理论分析, 综合 对比研究了异形柱框架 -短肢剪力墙和异形柱框 架 -剪力墙这两种异形柱结构体系的抗震性能 、破 坏形态和经济性能 , 文献 [ 4] 通过 1 /4缩尺模型模 拟地震振动台试验 , 研究了砖木结构房屋在不同地 震烈度下的反应 , 验证了所提房屋构造方案抵抗高 烈度地震的能力 ,文献 [ 5]通过对广大农村地区量大 面广的木构架承重土坯围护墙单层房屋采取抗震措 施并进行足尺模型模拟地震振动台试验 , 来验证所采 取的抗震措施的效果 , 文献 [ 6, 7]介绍了 3层轻木 混凝土混合结构振动台试验 , 对 5个上下抗侧刚度比 不同的足尺模型 , 采用 3种地震动沿房屋纵向激振 , 每次激振后测定房屋自振频率及对应的阻尼 , 各层加 速度和水平位移 ,木结构底部与混凝土结构顶部之间 竖向相对位移以及螺栓锚固力等 .
中的结果对比 . 第三种类型的试验目的一般是为了验证对某
种特定结构的计算方法或者某种理论对 结构的适 用性 .这种结构的模型相似比大小一般介于前两种 结构之间 .如 :文献 [ 11] 为了研究隔震层在不同位 置的层间隔震结构减震效果 , 验证层间隔震结构参 数优化理论 , 建立了不同隔震层位置的层间隔震结 构模型 , 优化了隔震层上下部 频率比 , 对隔震 层采 用侧移刚度偏小值 、优化值和偏大值的层间隔震结 构模型进行地震动模拟振动台试验 .文献 [ 12] 采用 Bouc-Wen模 型模拟层间隔震结构的隔震层恢复 力 , 建立了层间隔震结构的简化计算模型 .导出了层 间隔震减震结构的运动方程 , 编制了时程分析计算程 序 , 对层间隔震减震结构进行了地震反应分析 , 与振 动台试验结果对比 , 具有较好的精度 , 验证了计算模 型和分析程序的可靠性 .文献 [ 13] 基于等位移原理 , 研究了高层结构在强震作用下弹性位移反应和弹塑 性位移反应之间的关系 , 探索了利用前者分析结果估 计后者的可行性和方法 , 对钢筋混凝土高层建筑弹塑 性地震反应分析方法进行了研究 , 提出了一种简化拉 压杆单元模型 , 以若干实例对模型的模拟效果加以检 验并进行了一个十九层 1∶10钢筋混凝土框架一剪力 墙结构模型地震模拟试验 , 研究了该结构的抗震性 能 , 总结分析了主要试验结果 . 1.3 结构振动台试验的步骤
摘 要 :对结构振动台试验的研究现状和发 展进行 了综述 .在 振动台试 验的研 究现状 方面 , 着重 介绍了振 动台
设备的构成以 及原理 、振动台试验的分类 及其分类 依据以 及振动 台试验 的方法 和步骤 , 总结 了其优 点和不 足 .
在振动台试验的发展方 面 , 讨论了振动台试 验技术 的发展 和改革 .在试 验技术 方面 , 介绍 了新型 试验材料 应用
和检测技术的 提高 .最后 , 提出了一些对结构振动台试验发展的展望 .
关键词 :振动台试验 ;研究 ;现状 ;发展
中图分类号 :TU317 +.1
文献标识 码 :A
文章编号 :1006 -642X(2011)02 -0049 -04
0 引言
地震是一种强烈地壳运动 , 是地球上最严重的 自然灾害之一, 可以造成非常严重的破坏, 导致人 们生命财产的损失 .我国是一个 地震多发的国家 , 全国有大部分地区和人口处于地震带上 .在我国经 济社会高速发展的今天 , 研究结构的抗震性能具有 重要的意义 .
结构地震模拟振动台试验是研 究结构抗震性 能的最重要和最直接的手段 .地震模拟振动台系统 是地震工程研究工作的重要试验设备之一 .在各种 结构模型 (或足尺结构 )的抗震试验和重要设备的 抗震性能考核试验中 , 振动台可以按照人们的需 要 , 或者模拟地震的再现 , 或者输入人工地震波 , 而 被试验的结构和设备的反应, 经相似换算后, 可以 作为原型在真实地震下的反应 [ 1] .
1 结构振动台试验研究现状
1.1 振动台研制的现状 以目前普遍使用的电液伺 服地震模拟振 动台
为例 , 系统主要由液压源系统 、激振器 、伺服模拟控 制器 、台面 、计算机控制系统组成 .其中伺服模拟控 制器是以电液伺服阀为核心的模拟控制器 , 其性能 的好坏对整个系统起着决定性作用 , 是整个控制系 统的核心部分 .液压源系统主 要是提供动力 , 包括 液压泵站 、蓄能器组 、冷却系统等 , 液压泵的流量是 根据地震波的最大速度值来设计的, 为了节省能 源 , 目前都是设置大容量的蓄能器组来提供作动器 瞬时的巨大能量 , 如图 1所示 [ 2] .
第二 , 测定和传 感技术的提高 .测定和传 感技 术的发展使得人们可以更准确地在振动 台试验中 获得结构内部的应力应变 , 加速度曲线等数据 .
2.1 振 动台 的发 展 随着振动台在地震领域获得的广泛被运用 , 振
动台的研制也在发展 . (1)向大型化足尺化发展 , 以消除尺寸效应的影
3 结语
对于以上讨论 , 提出几点展望 . (1)大型振动台的建立 , 振动台载重 能力的提
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高 , 这样可以进行很多结构的足尺或者大比例模型 试验 , 使模型能够尽量真实地模拟原结构进行试 验 , 减少尺寸效应和重力失真效应 .
第一 , 仿真材料 的提出 :由 于试验设备能 力的 限制 , 对于大型混凝土结构 , 足尺结构试验规 模过 于巨大 , 加载及试验测试等都极为困难 , 因此 , 原型 试验几乎无法进行 .发展小比例尺混凝土结构模型 试验研究是目前解决大型复杂结构动力 问题的有 效手段之一 , 其中对于满足相似要求的混凝土材料 的研制成为解决物模试验问题的前提 .模型几何比 尺一般在几十分之一到几百分之一 , 称为小比尺的 模型试验 , 模型制造工艺复杂而且试验成本较高 , 所 以 , 较为理想的是一个模型可以完成弹性 , 弹塑性乃 至断裂破坏等各个阶段的动力试验 , 因此 , 需要一种 理想的模型材料来满足动力模型试验的要求 .我们称 能够满足模拟弹性 --弹塑性乃至断裂破坏等各个 阶段原型材料特性的模型材料为仿真模型材料 [ 14] . 一般用微粒混凝土来充当仿真模型材料 .
第二种类型的试验原型建筑一 般是设计完成 的高层建筑或超规范建筑 , 这种建筑的特点是空间 体积大, 所以由于振动台载重限制, 都采用小比例 模型来进行试验 , 试验目的一般是为了测定结构动 力特性 , 研究结构自振频率 、周期 , 以便和场地特性 对比 , 找出结构的薄弱环节 , 以便改进设计 .如文献 [ 8] 依照工 程设 计图 纸 , 按照 相似 比关 系制 作了 1∶25的模型结构 , 选择两条场地天然波和一条人工 波 , 进行了模拟振动 台试验研 究 .研 究了结构 在 7
根据地震模拟振动台的承载能 力和台面尺寸 一般分 3 种规模 , 承载能力 10 t以下台 面尺寸在 2 m×2 m以内为小型振动台 ;承载能力在 20 t左右
台面在 2 m×2 m以上 、6 m×6 m以下为中型振动 台 ;台面尺寸在 6 m×6 m以上 , 承载能力大于 20 t 为大型振动台 .[ 2]
收稿日期 :2010 -12 -25 基金项目 :福建省科技计划重点项目 (2008H0029) 作者简介 :李 涛 (1984 -), 男 , 江苏泰兴人 , 硕士 研究生 , 主 要研究方向 :结构抗震性能 . 通信作者 :李升才 (1960 -), 博士 , 教 授 , 主 要研 究方 向 :新 型结构体系及其抗震 性能 .
利用振动台测定结构动力特性的一般步骤是 : (1)模型设计和建立 , 除了极少数面 积很小的 建筑可以在大型振动台上进行足尺试验外 , 由于振 动台尺寸和载重的限制 , 和实际建筑结构相对应的 模型基本为缩尺模型 , 缩尺模型必须按照相似理论 建立 , 以满足弹性相似条件 , 同时 , 为了满足重力相 似条件 , 还必须加上人工配重 .这样可以算出 模型 和结构原型之间的动了特性相似比 . (2)将结构模型固定于振动台上 , 进 行加载试 验 .在试验过程中 , 通过传感器测定结构应变反应 , 加速度反应等数据 . (3)数据处理 . 1.4 结构振动台试验的优缺点分析
(3)随着数字控制技术的 发展 , 在 20 世纪 90 年代中期开发了全数字控制技术 , 即在地震模拟振 动台液压伺服控制系统中 , 除了反馈传感器在进入 闭环系统前采用模拟电路放大归一信号 , 伺服阀的 阀控器采用模拟信号外 , 其他部分全采用数字软件 来实现 [ 2] . 2.2 结构振动台试验的发展