模拟地震振动台试验.ppt
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模拟地震振动台试验.ppt
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混凝土构件或混凝土结构的模拟地震振动台试验,混凝土构件或混凝土结构的模拟地震振动台试验,一、地震模拟振动台的基本原理及主要组成二、结构模型的定义和分类三、模型设计与制作四、试验方案五、模型试验结果分析,前言,国内外大量的震害表明,结构在中等强度或强烈地震作用下,会产生严重破坏甚至倒塌,造成巨大的经济损失和人员伤亡。
因此,研究工程结构抗震能力和破坏机理是地震工作者的一项重要工作。
结构抗震性能试验是结构工程研究的重要组成部分,目前实验室内常用的试验方法有拟静力试验、拟动力试验和地震模拟振动台试验。
地震模拟振动台试验是真正意义上的地震模拟试验,台面上可以真实地再现各种形式的地震波,结构在地震作用下的破坏机理也可以直观的被了解,是目前研究结构抗震性能最直接也是较准确的试验方法。
一、地震模拟振动台的基本原理及主要组成,1.基本原理:
将试验对象放在一个足够刚性的台面上,通过动力加载设备使台面再现各种类型地震波,并使试验对象随之产生类似地震作用下的振动,这就是地震模拟振动台试验的基本原理。
振动台系统的组成:
地震模拟振动台是一个很复杂的系统,它主要有以下几个部分组成:
台面和基础,高压油源和管路系统,电液伺服作动器,模拟控制系统,计算机控制系统和相应的数据采集处理系统。
(见图),地震模拟振动台台面是试验的平台,台面的基本要求是要有足够的刚度,承载能力要求足够大。
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10t以下台面尺寸在2m2m以内为小型振动台;承载能力在20t左右台面在2m2m以上、6m6m以下为中型振动台;台面尺寸在6m6m以上,承载能力大于20t为大型振动台。
某工程抗震中心模拟地震振动台的主要技术指标,二、结构模型的定义和分类,1.结构模型的定义:
1)美国混凝土协会给结构模型下的定义:
“模型是一个结构或一部分结构的任何物理,最通常的情况,模型将按缩小的比例制造”。
2)在1970年Janney等人给出的第二个定义:
一个结构模型是按缩尺建成的任何结构构件或其他组合体,这种模型是试验用的,且在整理分析试验结果时,必须使用相似定律。
2.结构模型的分类:
1)弹性模型:
这类模型和原型的几何形状直接相似,虽然模型材料不一定要和原型的材料相似,但是它应该由均匀的弹性材料做成。
2)间接模型:
当弹性模型用来探求结构的动力和内应力的合力的影响线或影响面时,这样的弹性模型就成为间接模型。
3)直接模型:
一个直接模型在各个方面都和原型几何相似,同时施加在模型上的荷载也和施加在原型上的荷载情况相同。
4)强度模型:
这类模型也叫做极限强度模型或仿真模型,它是由一种和原型材料相似的材料制成的直接模型,所以在直至破坏的全部荷载作用下,它都能预计原型的性能。
5)研究、设计和教学用模型:
每种模型所需要的完善程度大不相同。
教学模型应该做得尽量简单,能表示所研究的基本原理即可,对于所要求的性能并无显著影响的任何相似上的失真都是容许的。
由于研究用的模型在于证实理论,并将其推广应用于某种类型的结构,所以通常都要尽可能按照试验技术条件所能达到的最大精度进行模拟。
设计模型的精度,可在教学用模型和研究用模型的精度范围内,其程度取决于所希望达到的结果。
3.模型试验的应用范围:
振动台试验可以代替大型结构试验或作为大型结构试验的辅助试验。
许多受力复杂、体积庞大的构件或结构物,往往很难进行实物试验,这是因为现场试验难以组织,室内的足尺试验又受经济能力和室内的空间控制,以及试验设备的限制,所以通常模型试验代替。
对于某些重要的复杂结构,模型试验则作为实际结构试验的辅助试验。
实物试验之前先通过模型试验获得必要的参考数据,这样使实物试验工作更有把握。
振动台试验可以作为结构分析计算的辅助手段。
当设计受力较复杂的结构时,由于设计计算存在一定的局限性,往往通过模型试验做结构分析,弥补设计上存在的不足,核算设计计算方法的适应性,比较设计方案。
三、模型设计与制作,1.模型设计程序步骤:
1)根据试验任务和目的选择模型类型2)对在研究对象进行理论分析后,用分析方程法或量纲分析法计算相似判据3)确定几何相似常数,定出模型几何尺寸4)根据相似关系定出各相似常数5)绘制模型施工图、测点布置图及荷载布置图6)制作整体结构模型2.模型设计的原则:
1)模型设计的一般原则:
模型结构与原型结构在动力表现和动力特性上相似,在量上满足确定的比例关系或数学关系。
因此,结构模型的动力试验需满足以下的相似条件:
物理条件相似:
要求模型与原型的相应各点应力和应变的关系相同几何条件相似:
要求模型与原型各相应部分的长度互成比例边界条件相似:
要求模型与原型在与外界接触的区域内的各种条件保持相似,包括支撑条件相似、约束情况相似、在边界的受力情况相似质点动力平衡方程相似和运动的初始条件相似:
运动的初始条件包括在初始状态下质点的位移、速度和加速度2)模型与原型的相似比研究:
结构模型试验主要讨论的是同类相似,即原型和模型相对应的各点及在时间上对应的各瞬间的一切物理量成比例。
三大相似定理和量纲分析法是结构模型设计的重要理论依据。
3.模型的制作:
1)准备材料2)防线3)布置柱子钢筋4)支柱子模板、楼板模板的底板5)布置梁筋并绑扎6)摆放盒子模板7)布板钢筋8)浇筑模型混凝土9)养护,四、试验方案,试验方案是整个振动台模型试验的指南,主要包括五个部分:
模型定位、量测内容、传感器布置、地震波选取、试验进程。
模型定位:
模型定位也就是明确模型最终试验时在振动台上的摆放位置及方向,其原则是:
尽量使结构质心位于振动台中心,且宜限定在距台面中心半径为600mm的范围内;尽量使结构的弱轴方向与振动台的X方向(振动台的振动方向)重合,以对模型结构最不利情况进行试验。
2.量测内容:
根据试验目的确定试验量测内容。
3.传感器布置:
传感器是用来获取与试验相关的各种数据的,由控制试验的数据采集系统和振动台系统决定通道数也即传感器布设的总数。
4.地震波的选取地震加速度波形的特性常用加速度峰值、频谱特性和持续时间来描述。
输入不同性质的地震加速度波形,结构的时程反应差别很大。
设计和选择台面输入加速度时程曲线时,应考虑试验结构的周期、建筑场地的类别、地震烈度、还有震中距的影响。
地震加速度曲线可直接选用强震记录的地震数据曲线,也可按结构场地类别的反应谱特性拟合的人工震波,选用人工合成地震波时,持续时间不宜少于20s。
结合原型结构的场地情况、设防烈度以及结构自身的特点,选取合适的地震激励输入,其数目根据现行建筑抗震设计规范(GB50011-2001)中的规定,应为不少于两条实际记录和一条人工模拟的加速度时程曲线作为输入。
广州珠江新城西塔模型振动台试验:
所在地区抗震设防烈度为7度,场地类别为II类,选用ElCentro波、Taft波和人工波。
其中人工波作为模型模拟地震振动台试验的输入波。
上海地区属七度设防区,IV类场地土,常用的模拟地震激励为:
ElCentro波、Pasadena/SanFernando波、和上海人工波II。
5.试验进程:
1)首先采用白噪声对模型结构进行扫频2)一次输入选取的地震波和人工波3)再次采用白噪声对模型结构进行扫频,获取振模型结构自频率比较试验前后结构动力特性的变化情况4)试验时根据相似关系对输入的地震波进行时间压缩,根据不同地震烈度的加速度峰值对输入的地震波峰值进行相应的调整,从而产生对不同试验进程时所需要的加速度时程曲线5)调整压缩后的地震波最大峰值,使其对应于不同的地震烈度下的加速度峰值,将压缩与调整后的地震波进行ISC迭代,转化其加速度信号为位移驱动信号,作为试验时的振动台输入信号。
五、模型试验结果分析,1.模型试验结果分析的内容主要包括以下几个方面:
1).试验现象2).模型结构动力特性3).模型结构加速度反应4).模型结构位移反应5).模型结构应变反应6).模型结构扭转反应,2.原型结构抗震性能分析根据相似关系可推算出原型结构在不同设防烈度水准地震作用前后的动力特性以及原型结构在不同设防烈度水准地震作用下的变形反应,由此来评价原型结构的抗震性能。
3.结论与建议根据试验数据为工程建设提出合理建议,谢谢!
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