第22卷第6期2006年12月结　构　工　程　师StructuralEngineersVol.22,No.6Dec.2006

地震模拟振动台及模型试验研究进展沈德建1,2 吕西林1(1.同济大学结构工程与防灾研究所,上海200092;2.河海大学土木工程学院,南京210098)

提　要　在介绍振动台本身发展的基础上,分析了振动台试验研究内容的扩展、振动台模型试验动态相似关系研究进展、振动台试验方法的发展和振动台试验新的测量方法,提出了振动台模型试验中值得关注的一些问题。关键词　振动台,模型试验,动态相似关系,试验方法

ResearchAdvancesonSimulatingEarthquakeShakingTablesandModelTest

SHENDejian1,2 LUXilin1(1.ResearchInstituteofStructuralEngineeringandDisasterReduction,TongjiUniversity,Shanghai200092,China;

2.InstituteofCivilEngineering,HohaiUniversity,Nanjing210098,China)

Abstract　Thedevelopmentofshakingtableisinducedfirstinthispaper.Theexpansionoftheresearchscopeofshakingtablesisanalyzed.Thedynamicsimilituderelationshipfromdifferentauthorsiscomparedandremarked.Thedevelopmentoftestingmethodonshakingtablesandnewmethodonanalyzingtheresultisalsopresented.Somevaluablequestionsonshakingtabletestareinducedandmaybepaidgreatattentionbyre2searchers.Keywords　shakingtable,modeltest,dynamicsimilituderelationship,testingmethod

基金项目:国家自然科学基金重点项目(50338040)1　概　述结构振动台模型试验是研究结构地震破坏机理和破坏模式、评价结构整体抗震能力和衡量减震、隔震效果的重要手段和方法。然而,由于振动台本身承载能力、试验时间和经费等的限制,许多时候必须做缩尺模型试验,在坝工模型和高层、超高层建筑中更是如此。一些新型结构形式,由于其超出了设计规范的要求,往往需要通过实验对其抗震性能做合理的评估。超高层建筑和超大跨度建筑,在理论分析还不完善的情况下,试验,特别是振动台模型试验,是分析其抗震能力的一种有效手段。线弹性的缩尺模型相似关系已得到了较好的解决,但是许多复杂结构的相似关系、非线性动态相似关系虽然进行了一些研究,但是还未能得到较好的解决。一些劲性钢筋混凝土结构、钢管混凝土结构和其他一些新型结构的动态相似关系的研究还不够深入,有些甚至才刚刚起步。振动台试验较好地体现了模型的抗震性能,可我们更关心的是由模型的试验结果推算的原型结构的抗震性能,但在这方面尚未形成非常一致的结论,还存在一定的误差,因而精度还有待于进一步的提高。本文介绍国内外振动台模型试验的研究进展。

2　研究的最新进展

2.1　振动台本身的发展作为美国NEES计划的一部分,加州大学圣地亚哥分校(UCSD)于2004年安装MTS公司制造的北美最大的室外振动台,其平面尺寸为12.2m×7.6m,台面最大承载能力为2000t,水平最大推力为680t,最大加速度为3g,频率范围为0～20Hz。该振动台可以与其附近的土基础结构共同作用实验系统组成一个联合的系统,为足尺模型的抗震试验提供了方便。中国建筑科学研究院于2004年安装一个台面尺寸为6.1m×6.1m的三向六自由度MTS振动台,其频率范围为0～50Hz;台面最大承载能力为80t。日本于2005年安装台面尺寸为20m×15m的三向六自由度振动台。水平最大加速度、速度和位移分别是0.9g,2m/s和±1m;竖向的相应值分别为1.5g,0.7m/s和±0.5m。台面最大承载能力为1200t。MTS振动台控制器已升级为全数字469D控制器,使振动台试验过程变得简单、易于操纵,大大地节约了时间和成本,为开展更多的试验研究提供了可能。研制生产振动台或振动台部件的公司也越来越多,有MTS公司、IST公司、SD公司、SHOREWEST公司、JAGUAR公司、SERVOTEST公司等等,这也促进了振动台本身的发展。2.2　振动台试验的研究内容振动台试验的研究内容已经从砌体结构、框架结构、筒体结构模型发展到现在的桥梁结构模型、考虑一些隔震和减震措施结构的模型试验和结构地基共同作用试验。因而研究的内容也是越来越丰富。9层钢筋混凝土框架剪力墙结构1/6比例模型的试验研究指出,规范的某些限值过于保守[1]:①《建筑抗震设计规范》规定的在超越概率分别是63%和2%时,层间位移角要小于0.125%和1.0%,与实验结果相比较,这些值显得过于保守;②实际设计结构的抗侧刚度比按规范要求设计的要高得多。振动台在桥梁抗震中也得到了一定的应用。长度比例为0.3,高宽比分别为6.64,4.5和2.5的二柱桥墩的振动台模型试验结果表明[2],两个较高的试件有相应较高的延性和侧移,并表现出相同的弯曲性能;较短试件的延性和侧移较小,并呈现出一定的弯/剪组合性能。由于振动台的能力限制,或者是试验的成本较高,时间较紧,有时不得不采用比例非常小的模型,但是比例非常小的模型的材料、钢筋的相似比较难以满足。一种采用高性能纤维增强水泥组合材料和水平钢筋来制造模型的方法在试验中得到应用[3],并通过理论和试验分析了其动态性能,

使得钢筋混凝土结构振动台模型试验变得经济简单。试验结果表明,其能很好地模拟钢筋混凝土构件的抗震性能。台湾地震工程研究中心进行的三层带主动控制支撑系统的足尺钢框架的振动台试验[4]。结果表明,主动控制系统和结构的相互作用(CSI)影响非常明显。为了更好地研究土结构共同作用系统,文献[5]进行了5个桩基模型、3个箱形基础模型和一个复合地基模型的振动台试验。土的模型采用上海软土,结构模型采用顶部带有质量块的单柱和现浇的12层钢筋混凝土框架。试验采用一个可变的土容器,并通过控制容器和结构的平面尺寸的比例来缩小由于边界条件引起的箱形效应。振动台模型试验已经从单纯的结构试验发展到结构与基础共同作用试验和带主动和被动控制的结构试验。

2.3　相似准则的发展由于振动台尺寸、承载能力和实验费用的限制,小比例模型在抗震试验特别是振动台试验中得到了广泛的应用。但是,由于基于几何尺寸的传统的相似律是在弹性范围内获得的,因而在结构的非弹性性能分析方面已显示出一些不足,甚至会出现严重的错误。国内外相似准则的研究成果如下:

在砌体结构的相似关系方面,文献[6,7]做了一些研究。采用参数法和方程法,推导了不同配重条件(空载、满载和半载)下,砌体结构模型与原型的动力相似关系;并且提出了在结构进入弹塑性阶段后,应如何根据模型试验结果,利用得出的相似关系来分析原型的动力性能;通过振动台模型试验验证了动力相似关系的正确性。结合模型墙片的拟静力试验,认为重力对结构的弯曲刚度有较大影响,但不影响结构的剪切刚度[7]。文献[8-10]在一致相似律、小比例模型相似和非线性相似方面做了一些研究。基于π定理,推导了考虑建筑物活载和非结构构件质量效应的地震模拟试验的相似关系[8];提出可以方便

地设计任意附加质量的结构缩尺模型的一致相似

・65・StructuralEngineersVol.22,No.6 EarthquakeandWindResistance律[9]。认为采用原型材料制作模型时,人工质量不足模型在结构破坏阶段将导致试验误差。采用非原型材料制作时,非线性性态的模拟将变得更加困难。在此基础上,提出了简化的近似处理方法,可依据材料的非线性性质,区别结构反应不同的变形阶段,使用不同的相似关系。具体过程如下:首先获得原型和模型混凝土两者之间的等效模量比,进而导出动态相似关系。根据等效模量比的变化程度,将结构试验分成三个阶段,线弹性阶段、弱非线性阶段和强非线性阶段,在每个阶段使用不同的相似关系[10]。上述方法适用于小比例钢筋混凝土结构模型非线性性能振动台模拟试验研究。从固体力学的Lame方程和牛顿粘性流体力学的Navier2stockes方程出发,文献[11]推导了流固耦合体系的振动台模型试验的动力相似关系,并提出了一种将结构构件的三维方向取不同缩尺比的方法来消除重力失真效应的影响。同济大学结构工程与防灾研究所在模型动力相似关系的修正方面做了许多研究工作[12-14]。在3个不同比例的结构模型试验和5组共18个不同缩尺柱的模型试验研究基础上,考虑模型和原型材料非线性不相似、模型和原型结构的实际刚度差别、尺寸效应、加载速率、重力失真、模型设计和精度误差等方面对加速度基本相似关系的影响程度,建立了统一的加速度修正准则。经过加速度相似修正的模型的推算结果和模型的实测结果对比分析表明,修正后的动力相似关系在结构所处的弹性阶段和极限破坏阶段取得了一定的修正效果,其结果在工程允许的误差范围内;但在结构开裂破坏后的损伤发展阶段不能采用。对于日益增多的超限高层、超高层建筑,振动台试验是衡量其抗震能力的一种重要手段,文献[15]提出了下列一些主要建议:①为满足我国现阶段结构抗震设计所要求的“小震不坏,大震不倒”的要求,混凝土结构抗震模型应考虑弹性阶段及极限状态的动力相似关系。②对于高层建筑结构模型,由于模型缩尺较小,应重点考虑构件断面上弯矩、剪力和轴力的相似关系,从构件层次和层间层次上满足模型与原型的相似关系。③对于不同介质组成的体系,例如流体固体耦合体系、土结构相互作用体系,两种介质应满足一致的相似关系。④模型的质量分布及刚度分布特性要与原型一致。文献[16,17]提出了一种考虑几何比例系数,等效弹性模量比值和最终应变比值修正的相似律。该相似律可以补偿缩尺模型的地震响应分析误差,并使根据缩尺模型试验结果分析的模型和原型结构的抗震性能更加可靠。根据结构破坏程度的不同,将结构分成多个阶段,每个阶段使用不同的相似率,并进行了拟动力试验的模拟,结果表明,提出的多阶段等效相似律适合于小比例模型的抗震性能试验[16]。通过钢结构柱的拟动力试验,在长度和力的比例系数相等的情况下,分别验证了基于质量、时间和加速度的三种相似律的一致性[17];结果表明,在不同的相似关系中,采用