振动台试验方案设计实例.doc

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1、.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》(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

2、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。专业资料.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

3、须满足Sa=Sg=1（Sa=模型加速度/原型加速度，Sg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（Sl）很小，在Sa=Sg=1的条件下，要满足Sa=SE/SlSρ=1，即Sl=SE/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。即使弹模或密度满足了相似条件，材料的其他性质如泊松比和阻尼等也难以满足相似关系，所以全相似模型只是一种

4、理想化的模型，在实际工程中很难采用。（2）用人工质量模拟的弹塑性模型使用原型材料或其他替代材料制作时，SE自然等于1或接近于1，若要满足Sa=Sg=1的条件，材料密度需要加大，故采用人工质量。人工质量可以产生适当的重力效应和惯性作用，但不影响结构的刚度、强度和阻尼特性。人工质量若布置得当，可以模拟几何非线性。因此人工质量模型在地震模拟实验中获得广泛应用，但对于大型建筑物，模型几何比（Sl）很小，人工质量将大大超过模型本身的质量，而模型各层空间有限，国外的绝大多数振动台设备承载能力均难以满足这一要求。因而在模型设计中常加以改进。（3）忽略重力效应的弹性模型放弃

5、Sa=Sg专业资料.=1的条件，忽略重力效应，会使模型反应失真。在一般情况下，重力引起的结构效应与水平地震作用效应相比是较为次要的，特别是在结构反应处于小变形阶段不发生明显几何非线性的情况下，忽略重力效应不会造成大的误差。由于忽略重力效应的模型中相似比Sa>1，即振动台要有较大的出力，而模型的频率则较高，加载和量测设备要在高频状态下工作。这种模型对研究弹性状态下的性能比较合适，但本项试验要求模拟结构在7度大震作用下的反应，结构有可能进入非弹性阶段并产生较大位移。因此不宜采用忽略重力效应的模型。（4）混合相似模型使用微粒混凝土材料，采用一定的人工质量尽量减少忽

6、略重力效应的影响。微粒混凝土材料的弹模较原型材料小，而泊松比和阻尼等特性与原型材料相近。2、模拟方案确定本试验选用混合相似模型的设计方案是较为理想的。由前述分析可知，结构模型振动台试验的相似关系是根据运动基本方程建立的，相似关系应满足质点运动平衡方程式相似、边界条件相似和运动初始条件相似。相似关系可采用量纲分析法求得。对于结构的地震反应问题，可表述为如下函数关系：式中：为结构反应应力，为结构构件尺寸，为构件的弹性模量，为构件的质量密度，为时间，为结构反应变位，为结构反应速度，为结构反应加速度，为重力加速度，为结构自振圆频率。取,,三者为基本量，其余各量均可以

7、此为基础按照量纲分析的原理表示为,,的幂次单项式。定义A在原型结构中的数值为，在模型中的数值为，那么在模型设计中量A的相似比为。若使模型试验能模拟原型结构的地震反应，各量的相似比必须满足表1-1中的公式条件。专业资料.一般情况下，振动台试验是模型试验，要做到所有物理量完全相似是十分困难的，甚至是不可能的。因此在实际试验中只能要求保证主要的物理量相似，不能要求所有的物理量都严格相似。根据表1-1（模型/原形=1/35）模型与原型的相似关系，根据振动台的承载能力，同时估算模型重量后，对模型配重进行初步验算。其中弹性模量的相似关系需根据模型材料试块的测试结果加以调

8、整。表1-1模型与原型的相似关系（几何比：模型/原型