地震模擬振動臺試驗12次課45

1、Lab of Prof. Tian Shizhu1二、地震模擬振動臺試驗二、地震模擬振動臺試驗 在地震模擬振動臺上進行動力試驗，具有其它抗震在地震模擬振動臺上進行動力試驗，具有其它抗震動力與靜力試驗不同的特點，地震模擬振動臺能動力與靜力試驗不同的特點，地震模擬振動臺能再現(xiàn)再現(xiàn)各各種形式的地震波，它為試驗的多波輸入分析提供了可能，種形式的地震波，它為試驗的多波輸入分析提供了可能，它可以模擬若干次地震現(xiàn)象的它可以模擬若干次地震現(xiàn)象的初震主震以及余震初震主震以及余震的全過的全過程，因此就可以了解試驗結(jié)構(gòu)在相應各個階段的力學性程，因此就可以了解試驗結(jié)構(gòu)在相應各個階段的力學性能，從而可給予人們直觀了解和

2、認識地震對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的能，從而可給予人們直觀了解和認識地震對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的破壞現(xiàn)象。它可以按照人們的要求，借助于人工地震波破壞現(xiàn)象。它可以按照人們的要求，借助于人工地震波的研究及輸入，模擬在任何場地上的地面運動特性。的研究及輸入，模擬在任何場地上的地面運動特性。 Lab of Prof. Tian Shizhu2臺面尺寸：臺面尺寸：2020米米1515米米臺面承重：臺面承重：12001200噸噸三方向六自由度三方向六自由度Dr. Masayoshi Nakashima Dr. Masayoshi Nakashima ( (中島正愛中島正愛 教授教授) )Lab of Prof. Tian Shizh

3、u3臺面尺寸：臺面尺寸：6.16.1米米6.16.1米米臺面承重：臺面承重：6060噸噸三方向六自由度三方向六自由度中國建筑科學研究院中國建筑科學研究院 ( (國內(nèi)最大）國內(nèi)最大）Lab of Prof. Tian Shizhu4 近年來，振動臺陣列開始投入使用。近年來，振動臺陣列開始投入使用。3 3個振動個振動臺組成一個振動臺陣列進行橋梁結(jié)構(gòu)的地震模擬振臺組成一個振動臺陣列進行橋梁結(jié)構(gòu)的地震模擬振動臺試驗。動臺試驗。3 3個振動臺可以在一個方向上同步運動，個振動臺可以在一個方向上同步運動，也可以根據(jù)橋梁實際場地的差異，分別輸入不同的也可以根據(jù)橋梁實際場地的差異，分別輸入不同的地震波進行試驗。

4、這種振動臺陣列可以進行較大尺地震波進行試驗。這種振動臺陣列可以進行較大尺寸的結(jié)構(gòu)模型試驗。寸的結(jié)構(gòu)模型試驗。Lab of Prof. Tian Shizhu5內(nèi)華達州立大學內(nèi)華達州立大學雷諾分校雷諾分校振動振動臺陣臺陣University of Nevada，Reno臺面尺寸：臺面尺寸：4.34.3米米4.54.5米米臺面承重：臺面承重：5050噸噸Lab of Prof. Tian Shizhu6重慶交通科研設計院重慶交通科研設計院兩臺臺陣兩臺臺陣 臺面尺寸臺面尺寸A A：3 3米米6 6米米臺面尺寸臺面尺寸B B：3 3米米6 6米米A A臺面承重：臺面承重：3535噸噸B B臺面承重：臺

5、面承重：3535噸噸Lab of Prof. Tian Shizhu7University of California San DiegoUniversity at Buffalo, The State University of New York美國美國NEES計劃：計劃：Network for Earthquake Engineering SimulationLab of Prof. Tian Shizhu82.8 結(jié)構(gòu)抗震試驗方法結(jié)構(gòu)抗震試驗方法地震模擬振動臺在抗震研究中的作用。地震模擬振動臺在抗震研究中的作用。研究結(jié)構(gòu)的動力特性，破壞機理及震害原因。

6、研究結(jié)構(gòu)的動力特性，破壞機理及震害原因。驗證抗震計算理論和計算模型的正確性。驗證抗震計算理論和計算模型的正確性。研究動力相似理論，為模型試驗提供依據(jù)。研究動力相似理論，為模型試驗提供依據(jù)。檢驗產(chǎn)品質(zhì)量，提高抗震性能，為生產(chǎn)服務。檢驗產(chǎn)品質(zhì)量，提高抗震性能，為生產(chǎn)服務。為結(jié)構(gòu)抗震靜力試驗，提供試驗依據(jù)。為結(jié)構(gòu)抗震靜力試驗，提供試驗依據(jù)。Lab of Prof. Tian Shizhu9振動臺是用來產(chǎn)生模擬地震地面運動，對結(jié)構(gòu)的抗振動臺是用來產(chǎn)生模擬地震地面運動，對結(jié)構(gòu)的抗震性能進行研究。如圖為地震模擬振動臺的示意圖。震性能進行研究。如圖為地震模擬振動臺的示意圖。試驗時，振動臺臺面產(chǎn)生試驗時，振動

7、臺臺面產(chǎn)生要求的地面運動，其運動規(guī)律要求的地面運動，其運動規(guī)律與結(jié)構(gòu)遭遇地震時的運動規(guī)律與結(jié)構(gòu)遭遇地震時的運動規(guī)律相同。安裝在振動臺上的模型相同。安裝在振動臺上的模型結(jié)構(gòu)受到臺面運動的加速度作結(jié)構(gòu)受到臺面運動的加速度作用，產(chǎn)生慣性力，從而再現(xiàn)地用，產(chǎn)生慣性力，從而再現(xiàn)地震對結(jié)構(gòu)的作用。震對結(jié)構(gòu)的作用。Lab of Prof. Tian Shizhu10振動臺運動維數(shù)（振動方向）振動臺運動維數(shù)（振動方向）地震引起的地面運動非常復雜，一般情況下，地震引起的地面運動非常復雜，一般情況下，地震地面運動由地震地面運動由6 6個自由度的運動分量組合而成，即個自由度的運動分量組合而成，即2 2個水平方向、個

8、水平方向、l l個垂直方向的直線運動和繞個垂直方向的直線運動和繞3 3個坐標個坐標軸方向的旋轉(zhuǎn)運動。最簡單的地震模擬振動臺為水軸方向的旋轉(zhuǎn)運動。最簡單的地震模擬振動臺為水平單向振動臺，它只有一個方向的運動。最復雜的平單向振動臺，它只有一個方向的運動。最復雜的振動臺包含所有振動臺包含所有6 6個自由度的運動。個自由度的運動。Lab of Prof. Tian Shizhu11六自由度地震模擬振動臺六自由度地震模擬振動臺：由振動臺臺面、電液伺：由振動臺臺面、電液伺服作動器、控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。多個電服作動器、控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。多個電液伺服作動器可使振動臺臺面實現(xiàn)任意方向上的移液伺

9、服作動器可使振動臺臺面實現(xiàn)任意方向上的移動和繞任意軸的轉(zhuǎn)動。試驗時，將地震地面運動的動和繞任意軸的轉(zhuǎn)動。試驗時，將地震地面運動的有關數(shù)據(jù)輸入到計算機，作為振動臺臺面的運動數(shù)有關數(shù)據(jù)輸入到計算機，作為振動臺臺面的運動數(shù)據(jù)，計算機將輸入的地震運動數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為臺面的運據(jù)，計算機將輸入的地震運動數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為臺面的運動數(shù)據(jù)，再對電液伺服作動器發(fā)出控制指令，電液動數(shù)據(jù)，再對電液伺服作動器發(fā)出控制指令，電液伺服作動器推動振動臺臺面實現(xiàn)地震地面運動模擬。伺服作動器推動振動臺臺面實現(xiàn)地震地面運動模擬。Lab of Prof. Tian Shizhu122.8 結(jié)構(gòu)抗震試驗方法結(jié)構(gòu)抗震試驗方法地震地面運動數(shù)據(jù)地震地面

10、運動數(shù)據(jù)來自地震觀測臺網(wǎng)的地震記錄，來自地震觀測臺網(wǎng)的地震記錄，這些地震記錄一般為地震地面運動的速度或加速度。這些地震記錄一般為地震地面運動的速度或加速度。在結(jié)構(gòu)抗震設計中，也是根據(jù)地面加速度來計算結(jié)在結(jié)構(gòu)抗震設計中，也是根據(jù)地面加速度來計算結(jié)構(gòu)受到的慣性力。因此，進行振動臺試驗時，輸入構(gòu)受到的慣性力。因此，進行振動臺試驗時，輸入到計算機的地震運動大多為地面運動加速度，相應到計算機的地震運動大多為地面運動加速度，相應的電液伺服作動器的控制目標也應包括的電液伺服作動器的控制目標也應包括加速度加速度。Lab of Prof. Tian Shizhu13控制方式控制方式：目前，較先進的振動臺采用三參

11、量控制技：目前，較先進的振動臺采用三參量控制技術(shù)，將振動臺的術(shù)，將振動臺的位移、速度和加速度位移、速度和加速度均作為控制目標。均作為控制目標。當振動臺的振動頻率較高時，位移較小而加速度較大，當振動臺的振動頻率較高時，位移較小而加速度較大，采用加速度為控制目標可以獲得較高的相對控制精度。采用加速度為控制目標可以獲得較高的相對控制精度。低頻振動時則正好相反，采用位移控制可以得到較高低頻振動時則正好相反，采用位移控制可以得到較高的相對控制精度。在振動臺臺面安裝了加速度、速度的相對控制精度。在振動臺臺面安裝了加速度、速度和位移傳感器，這些傳感器采集的信號均反饋至控制和位移傳感器，這些傳感器采集的信號均

12、反饋至控制系統(tǒng)的計算機，計算機根據(jù)誤差最小的原則實時選擇系統(tǒng)的計算機，計算機根據(jù)誤差最小的原則實時選擇控制參量，使振動臺準確地控制參量，使振動臺準確地再現(xiàn)輸入的地震波。再現(xiàn)輸入的地震波。Lab of Prof. Tian Shizhu14地震模擬振動臺的主要技術(shù)參數(shù)如下：地震模擬振動臺的主要技術(shù)參數(shù)如下：(1) (1) 臺面尺寸和臺面最大負載臺面尺寸和臺面最大負載臺面尺寸決定了進行試驗的結(jié)構(gòu)模型平面尺寸。在靜載試驗臺面尺寸決定了進行試驗的結(jié)構(gòu)模型平面尺寸。在靜載試驗或擬靜載試驗或擬靜載試驗( (低周反復荷載試驗低周反復荷載試驗) )中，常常忽略結(jié)構(gòu)受力單中，常常忽略結(jié)構(gòu)受力單元的空間聯(lián)系，取試

13、驗結(jié)構(gòu)模型為平面結(jié)構(gòu)模型，例如，平元的空間聯(lián)系，取試驗結(jié)構(gòu)模型為平面結(jié)構(gòu)模型，例如，平面框架結(jié)構(gòu)。平面外的穩(wěn)定問題通過試驗裝置解決。但在地面框架結(jié)構(gòu)。平面外的穩(wěn)定問題通過試驗裝置解決。但在地震模擬振動臺試驗中，即使是單向地震模擬試驗，結(jié)構(gòu)模型震模擬振動臺試驗中，即使是單向地震模擬試驗，結(jié)構(gòu)模型也應為空間模型。臺面尺寸越大，結(jié)構(gòu)模型的尺寸就可以越也應為空間模型。臺面尺寸越大，結(jié)構(gòu)模型的尺寸就可以越大，試驗結(jié)構(gòu)的性能也就越接近真實結(jié)構(gòu)的性能。目前。世大，試驗結(jié)構(gòu)的性能也就越接近真實結(jié)構(gòu)的性能。目前。世界上最大的振動臺臺面尺寸為界上最大的振動臺臺面尺寸為20m20m15m(15m(日本日本) )。L

14、ab of Prof. Tian Shizhu15大型地震模擬振動臺多采用電液伺服作動器作為驅(qū)大型地震模擬振動臺多采用電液伺服作動器作為驅(qū)動單元，振動臺試驗中，運動部件的最大加速度取動單元，振動臺試驗中，運動部件的最大加速度取決于電液伺服作動器的最大推力和運動部件的質(zhì)量。決于電液伺服作動器的最大推力和運動部件的質(zhì)量。這里，運動部件就是指振動臺臺面和試驗結(jié)構(gòu)模型。這里，運動部件就是指振動臺臺面和試驗結(jié)構(gòu)模型。因此，振動臺試驗中，試驗結(jié)構(gòu)模型的平面尺寸受因此，振動臺試驗中，試驗結(jié)構(gòu)模型的平面尺寸受振動臺平面尺寸限制，振動臺平面尺寸限制，試驗結(jié)構(gòu)模型的重量也要受試驗結(jié)構(gòu)模型的重量也要受到振動臺最大負

15、載能力的限制到振動臺最大負載能力的限制。Lab of Prof. Tian Shizhu16(2) (2) 臺面運動自由度臺面運動自由度理論上，地震模擬振動臺可以有理論上，地震模擬振動臺可以有6 6個自由度，也就是說，基于個自由度，也就是說，基于現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)制造的地震模擬振動臺可以使振動臺現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)制造的地震模擬振動臺可以使振動臺再現(xiàn)全部再現(xiàn)全部地震地面運動地震地面運動。但在工程實踐中，地震記錄很少有地面運動。但在工程實踐中，地震記錄很少有地面運動的旋轉(zhuǎn)分量。這與強震觀測有關。我們知道，強震觀測儀記的旋轉(zhuǎn)分量。這與強震觀測有關。我們知道，強震觀測儀記錄的地震運動為儀器安裝位置的直線運動，這個

16、直線運動應錄的地震運動為儀器安裝位置的直線運動，這個直線運動應該包含了旋轉(zhuǎn)分量。但如果要通過強震觀測儀確定地震引起該包含了旋轉(zhuǎn)分量。但如果要通過強震觀測儀確定地震引起的地面旋轉(zhuǎn)運動，就必須知道轉(zhuǎn)動中心。由于地震運動的復的地面旋轉(zhuǎn)運動，就必須知道轉(zhuǎn)動中心。由于地震運動的復雜性，目前可用的地震記錄大多為觀測點的雜性，目前可用的地震記錄大多為觀測點的地面直線運動地面直線運動( (觀觀測點的速度和加速度測點的速度和加速度) )。相應的，在工程結(jié)構(gòu)抗震設計、分析。相應的，在工程結(jié)構(gòu)抗震設計、分析和試驗中，一般也不考慮地面運動的旋轉(zhuǎn)分量。和試驗中，一般也不考慮地面運動的旋轉(zhuǎn)分量。Lab of Prof.

17、Tian Shizhu17(2) (2) 臺面運動自由度臺面運動自由度振動臺僅在一個方向運動時，為水平單向振動臺。如果振動臺僅在一個方向運動時，為水平單向振動臺。如果振動臺有兩個自由度，可以有兩種組合，一種組合為一個自振動臺有兩個自由度，可以有兩種組合，一種組合為一個自由度為水平方向，另一自由度為豎向方向；另一種組合中，由度為水平方向，另一自由度為豎向方向；另一種組合中，兩個自由度均為水平方向，兩個水平運動方向相互垂直。三兩個自由度均為水平方向，兩個水平運動方向相互垂直。三自由度的振動臺包括兩個水平方向的自由度和一個豎向方向自由度的振動臺包括兩個水平方向的自由度和一個豎向方向的自由度。目前，已

18、投入運行的地震模擬振動臺雖然具有在的自由度。目前，已投入運行的地震模擬振動臺雖然具有在全部全部6 6個自由度上模擬地震地面運動的能力，但在結(jié)構(gòu)抗震試個自由度上模擬地震地面運動的能力，但在結(jié)構(gòu)抗震試驗中，一般仍以水平方向和垂直方向的振動為主。驗中，一般仍以水平方向和垂直方向的振動為主。Lab of Prof. Tian Shizhu18(3) (3) 頻率范圍、最大位移、速度和加速度頻率范圍、最大位移、速度和加速度已有的地震記錄的最高頻率一般不超過已有的地震記錄的最高頻率一般不超過10Hz10Hz，考慮試驗，考慮試驗結(jié)構(gòu)模型的特點，地震模擬振動臺的頻率范圍大多為結(jié)構(gòu)模型的特點，地震模擬振動臺的頻

19、率范圍大多為0 050Hz50Hz，有的振動臺的最高頻率響應可以達到有的振動臺的最高頻率響應可以達到8080120Hz120Hz，主要用于較，主要用于較小比例的結(jié)構(gòu)模型的振動臺試驗。振動臺最大位移一般為小比例的結(jié)構(gòu)模型的振動臺試驗。振動臺最大位移一般為100mm100mm。采用電液伺服系統(tǒng)的振動臺，其動態(tài)特性由電液伺。采用電液伺服系統(tǒng)的振動臺，其動態(tài)特性由電液伺服作動器所決定。電液伺服系統(tǒng)的流量和壓力決定了作動器服作動器所決定。電液伺服系統(tǒng)的流量和壓力決定了作動器的最大速度，振動圓頻率越高，振動位移幅值就越小。振動的最大速度，振動圓頻率越高，振動位移幅值就越小。振動臺的最大加速度可以達到臺的最

20、大加速度可以達到20m20ms s2 2(2g(2g，g g為重力加速度為重力加速度) )。Lab of Prof. Tian Shizhu19(4) (4) 輸入波形輸入波形地震模擬振動臺試驗的主要目的是檢驗結(jié)構(gòu)在地震模擬振動臺試驗的主要目的是檢驗結(jié)構(gòu)在遭遇地震時的性能。一般要求振動臺能夠模擬地震遭遇地震時的性能。一般要求振動臺能夠模擬地震地面運動，輸入的振動波形應為不規(guī)則的地震波。地面運動，輸入的振動波形應為不規(guī)則的地震波。此外，振動臺可以用來對結(jié)構(gòu)施加各種振動激勵，此外，振動臺可以用來對結(jié)構(gòu)施加各種振動激勵，輸入的波形還包括正弦波、三角波等規(guī)則波，以及輸入的波形還包括正弦波、三角波等規(guī)則

21、波，以及隨機的不規(guī)則白噪聲波等。隨機的不規(guī)則白噪聲波等。Lab of Prof. Tian Shizhu203 3地震模擬振動臺試驗的實施與數(shù)據(jù)采集地震模擬振動臺試驗的實施與數(shù)據(jù)采集 地震模擬振動臺試驗是一種高速動態(tài)試驗，試驗中地震模擬振動臺試驗是一種高速動態(tài)試驗，試驗中采集的數(shù)據(jù)主要包括模型結(jié)構(gòu)各測點的采集的數(shù)據(jù)主要包括模型結(jié)構(gòu)各測點的加速度、位移和加速度、位移和應變應變。其中，最重要的測試數(shù)據(jù)是各樓層的加速度數(shù)據(jù)。其中，最重要的測試數(shù)據(jù)是各樓層的加速度數(shù)據(jù)。因為通過實測的加速度，可以推算各樓層所受的慣性力因為通過實測的加速度，可以推算各樓層所受的慣性力作用。加速度傳感器為絕對傳感器，可將其

22、直接安裝在作用。加速度傳感器為絕對傳感器，可將其直接安裝在模型結(jié)構(gòu)的各個樓層位置。為了準確地測量模型結(jié)構(gòu)基模型結(jié)構(gòu)的各個樓層位置。為了準確地測量模型結(jié)構(gòu)基底的加速度，除在振動臺臺面安裝加速度傳感器外，在底的加速度，除在振動臺臺面安裝加速度傳感器外，在模型結(jié)構(gòu)基底模型結(jié)構(gòu)基底 也安裝加速度傳感器。也安裝加速度傳感器。Lab of Prof. Tian Shizhu21位移傳感器位移傳感器：為相對傳感器，在振動臺試驗中，要設置：為相對傳感器，在振動臺試驗中，要設置位移傳感器安裝支架，安裝支架應有足夠的剛度且不受位移傳感器安裝支架，安裝支架應有足夠的剛度且不受振動臺運動的影響。將位移傳感器固定在安裝

23、支架上，振動臺運動的影響。將位移傳感器固定在安裝支架上，測量模型結(jié)構(gòu)與安裝支架之間的相對位移。測量模型結(jié)構(gòu)與安裝支架之間的相對位移。對于鋼結(jié)構(gòu)模型，可直接采用對于鋼結(jié)構(gòu)模型，可直接采用電阻應變計電阻應變計量測試驗中的量測試驗中的應變變化。對于混凝土結(jié)構(gòu)和砌體結(jié)構(gòu)模型，由于反復應變變化。對于混凝土結(jié)構(gòu)和砌體結(jié)構(gòu)模型，由于反復受力的特點，電阻應變片很容易因開裂而失效。常采用受力的特點，電阻應變片很容易因開裂而失效。常采用位移傳感器在一定標距下的測量值作為該標距范圍內(nèi)的位移傳感器在一定標距下的測量值作為該標距范圍內(nèi)的平均應變。平均應變。Lab of Prof. Tian Shizhu22由于試驗速度

24、快，模型結(jié)構(gòu)的由于試驗速度快，模型結(jié)構(gòu)的損傷和破壞過程損傷和破壞過程的觀測和記錄應由圖像采集系統(tǒng)自動的觀測和記錄應由圖像采集系統(tǒng)自動完成。完成。 地震模擬振動臺試驗為破壞性試驗，希望得到地震模擬振動臺試驗為破壞性試驗，希望得到模型結(jié)構(gòu)倒塌破壞時的有關數(shù)據(jù)，例如，倒塌前各模型結(jié)構(gòu)倒塌破壞時的有關數(shù)據(jù)，例如，倒塌前各樓層的慣性力分布。因此，試驗時要采取可靠的安樓層的慣性力分布。因此，試驗時要采取可靠的安全措施，一方面防止人員受到傷害，另一方面，還全措施，一方面防止人員受到傷害，另一方面，還要保護測量儀表，避免不必要的損失。要保護測量儀表，避免不必要的損失。Lab of Prof. Tian Shi

25、zhu234 4、地震模擬振動臺加載過程、地震模擬振動臺加載過程加載程序有加載程序有一次性加載一次性加載和和多次加載多次加載，選擇加載，選擇加載程序由試驗目的來確定。程序由試驗目的來確定。Lab of Prof. Tian Shizhu24一次性加載：一次性加載：一般是先進行自由振動試驗，測量結(jié)構(gòu)的一般是先進行自由振動試驗，測量結(jié)構(gòu)的動力特性。然后輸入一個適當?shù)牡卣鹩涗洠B續(xù)地記錄動力特性。然后輸入一個適當?shù)牡卣鹩涗?，連續(xù)地記錄位移、速度、加速度、應變位移、速度、加速度、應變等動力反應，并觀察裂縫的等動力反應，并觀察裂縫的形成和發(fā)展過程，以研究結(jié)構(gòu)在彈性、彈塑性和破壞階形成和發(fā)展過程，以研究結(jié)

26、構(gòu)在彈性、彈塑性和破壞階段的各種性能。段的各種性能。這種加載過程的主要特點：可以連續(xù)模擬結(jié)構(gòu)在一次強這種加載過程的主要特點：可以連續(xù)模擬結(jié)構(gòu)在一次強烈地震中的整個表現(xiàn)與反應，但是對試驗過程中的量測烈地震中的整個表現(xiàn)與反應，但是對試驗過程中的量測和觀察要求較高和觀察要求較高( (要求高速攝影或電視攝像要求高速攝影或電視攝像) )，破壞階，破壞階段的觀測又比較危險，因此在沒有足夠經(jīng)驗的情況下很段的觀測又比較危險，因此在沒有足夠經(jīng)驗的情況下很少采用這種加載方法。少采用這種加載方法。Lab of Prof. Tian Shizhu25多次加載多次加載：主要是將荷載按結(jié)構(gòu)初裂、中等開裂和：主要是將荷載按

27、結(jié)構(gòu)初裂、中等開裂和破壞分成等級，然后荷載由小到大逐級加載和觀察。破壞分成等級，然后荷載由小到大逐級加載和觀察。多級加載對結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生變形積累的影響。多級加載對結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生變形積累的影響。由于地震模擬振動臺可以實時地再現(xiàn)地震作用由于地震模擬振動臺可以實時地再現(xiàn)地震作用過程，因此可以很好地反映應變速率對結(jié)構(gòu)材料強過程，因此可以很好地反映應變速率對結(jié)構(gòu)材料強度的影響。它的度的影響。它的缺點缺點是：設備昂貴，不能做大比例是：設備昂貴，不能做大比例模型試驗，不便于試驗全過程觀測。模型試驗，不便于試驗全過程觀測。Lab of Prof. Tian Shizhu26三、結(jié)構(gòu)擬動力試驗三、結(jié)構(gòu)擬動力試驗對于一個

28、具體的結(jié)構(gòu)或某一種具體的結(jié)構(gòu)形式，發(fā)生地對于一個具體的結(jié)構(gòu)或某一種具體的結(jié)構(gòu)形式，發(fā)生地震時，結(jié)構(gòu)受到的慣性力與結(jié)構(gòu)本身的特性相關，地震模擬震時，結(jié)構(gòu)受到的慣性力與結(jié)構(gòu)本身的特性相關，地震模擬試驗的就是要模擬結(jié)構(gòu)受到的試驗的就是要模擬結(jié)構(gòu)受到的這種慣性力這種慣性力。如前所述，。如前所述，地震地震模擬振動臺試驗模擬振動臺試驗可以模擬結(jié)構(gòu)遭遇的地震作用。但是，受臺可以模擬結(jié)構(gòu)遭遇的地震作用。但是，受臺面尺寸和設備能力所限，地震模擬振動臺試驗中，結(jié)構(gòu)模型面尺寸和設備能力所限，地震模擬振動臺試驗中，結(jié)構(gòu)模型的尺寸往往很小，結(jié)構(gòu)構(gòu)件的局部性能很難準確模擬。要解的尺寸往往很小，結(jié)構(gòu)構(gòu)件的局部性能很難準確模

29、擬。要解決這一問題，只有加大結(jié)構(gòu)模型的尺寸，用其他方式模擬結(jié)決這一問題，只有加大結(jié)構(gòu)模型的尺寸，用其他方式模擬結(jié)構(gòu)受到的慣性力。構(gòu)受到的慣性力。Lab of Prof. Tian Shizhu27結(jié)構(gòu)擬動力試驗方法就是用靜力加載的方式來結(jié)構(gòu)擬動力試驗方法就是用靜力加載的方式來模擬結(jié)構(gòu)受到地震動力作用的一種試驗方法。模擬結(jié)構(gòu)受到地震動力作用的一種試驗方法。Lab of Prof. Tian Shizhu281 1結(jié)構(gòu)擬動力試驗方法的基本原理結(jié)構(gòu)擬動力試驗方法的基本原理彈性單自由度結(jié)構(gòu)體系在地震作用下的運動微分方程為：彈性單自由度結(jié)構(gòu)體系在地震作用下的運動微分方程為： 分別為慣性力、阻尼力和彈性恢

30、復力。分別為慣性力、阻尼力和彈性恢復力。根據(jù)結(jié)構(gòu)動力學，根據(jù)結(jié)構(gòu)動力學，(1)(1)式可以采用杜哈美爾積分方法求解。式可以采用杜哈美爾積分方法求解。對于非彈性體系，例如，混凝土開裂、受拉鋼筋屈服等現(xiàn)象對于非彈性體系，例如，混凝土開裂、受拉鋼筋屈服等現(xiàn)象使結(jié)構(gòu)體系的恢復力與結(jié)構(gòu)體系的位移偏離線性關系。使結(jié)構(gòu)體系的恢復力與結(jié)構(gòu)體系的位移偏離線性關系。(1)(1)式改寫為：式改寫為：gmxcxkxmx (2)(2)rgmxcxFmx (1)(1)Lab of Prof. Tian Shizhu29如果已知非彈性恢復力的表達式，也可以采用逐步如果已知非彈性恢復力的表達式，也可以采用逐步積分法求解積分法

31、求解(2)(2)式。前面介紹的結(jié)構(gòu)低周反復荷載式。前面介紹的結(jié)構(gòu)低周反復荷載試驗的目的之一就是獲取結(jié)構(gòu)恢復力的滯回關系。試驗的目的之一就是獲取結(jié)構(gòu)恢復力的滯回關系。但對于一個具體的結(jié)構(gòu)，我們并但對于一個具體的結(jié)構(gòu)，我們并不知道不知道結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)的非彈非彈性恢復力性恢復力特征，要通過計算了解該結(jié)構(gòu)在地震作用特征，要通過計算了解該結(jié)構(gòu)在地震作用下的性能，只能根據(jù)已有的試驗結(jié)果和理論分析，下的性能，只能根據(jù)已有的試驗結(jié)果和理論分析，假設恢復力模型，再求解假設恢復力模型，再求解(2)(2)式。顯然，恢復力模式。顯然，恢復力模型的誤差會直接影響計算結(jié)果。型的誤差會直接影響計算結(jié)果。rgmxcxFmx （2

32、 2）Lab of Prof. Tian Shizhu30怎樣改善計算精度呢怎樣改善計算精度呢? ?徹底消除恢復力模型誤差的思路就是徹底消除恢復力模型誤差的思路就是拋棄假設的恢復力模型拋棄假設的恢復力模型，直接在試驗中量測結(jié)構(gòu)體系的恢復力。也就是說，將結(jié)構(gòu)試直接在試驗中量測結(jié)構(gòu)體系的恢復力。也就是說，將結(jié)構(gòu)試驗和結(jié)構(gòu)動力分析直接結(jié)合起來，從硬件來看，就是計算機驗和結(jié)構(gòu)動力分析直接結(jié)合起來，從硬件來看，就是計算機與試驗機相結(jié)合來得到結(jié)構(gòu)體系的地震反應。與試驗機相結(jié)合來得到結(jié)構(gòu)體系的地震反應。 Lab of Prof. Tian Shizhu31按照中心差分法，上述位移時程曲線計算的遞推格按照中心

33、差分法，上述位移時程曲線計算的遞推格式如下：式如下：將上式的差分關系代入離散的方程：將上式的差分關系代入離散的方程： 11211() /(2)(2) /iiiiiiixxxtxxxxt iirigimxcxFmx 2112(/ 2)()/ 2iirigiimxc tm xFmxtxmc t Lab of Prof. Tian Shizhu32試驗直接得到的結(jié)果是試驗直接得到的結(jié)果是 它們形成結(jié)它們形成結(jié)構(gòu)的位移時程曲線和結(jié)構(gòu)的恢復力。構(gòu)的位移時程曲線和結(jié)構(gòu)的恢復力。 12,.,.,inxxxxLab of Prof. Tian Shizhu332 2多自由度結(jié)構(gòu)擬動力試驗方法多自由度結(jié)構(gòu)擬動力

34、試驗方法多自由度結(jié)構(gòu)擬動力試驗方法與單自由度擬動力試多自由度結(jié)構(gòu)擬動力試驗方法與單自由度擬動力試驗方法在原理上是相同的，但結(jié)構(gòu)運動方程為矩陣驗方法在原理上是相同的，但結(jié)構(gòu)運動方程為矩陣形式：形式： 1rM XC XFMx 采用中心差分法，得到遞推格式的解答：采用中心差分法，得到遞推格式的解答：2111 (2 ( ) ()( )22iiir igttXM xCMxFM xtMC Lab of Prof. Tian Shizhu34實際工程中，很多結(jié)構(gòu)在地震中發(fā)生的實際工程中，很多結(jié)構(gòu)在地震中發(fā)生的振動以其振動以其基本振型基本振型為主。這類結(jié)構(gòu)的抗震設為主。這類結(jié)構(gòu)的抗震設計可以采用基底剪力法。在

35、對這類結(jié)構(gòu)進行計可以采用基底剪力法。在對這類結(jié)構(gòu)進行擬動力試驗時，類似基底剪力法，可以將結(jié)擬動力試驗時，類似基底剪力法，可以將結(jié)構(gòu)構(gòu)等效為單自由度體系等效為單自由度體系，使試驗控制得到簡，使試驗控制得到簡化?；?。Lab of Prof. Tian Shizhu35子結(jié)構(gòu)擬動力試驗子結(jié)構(gòu)擬動力試驗工程結(jié)構(gòu)在遭遇地震時，往往只有結(jié)構(gòu)的一部工程結(jié)構(gòu)在遭遇地震時，往往只有結(jié)構(gòu)的一部分進入非彈性反應階段。利用結(jié)構(gòu)擬動力試驗的特分進入非彈性反應階段。利用結(jié)構(gòu)擬動力試驗的特點，可以只對結(jié)構(gòu)非彈性反應部分進行試驗，而另點，可以只對結(jié)構(gòu)非彈性反應部分進行試驗，而另一部分結(jié)構(gòu)的彈性反應可以通過計算機求解。一部分結(jié)

36、構(gòu)的彈性反應可以通過計算機求解。Lab of Prof. Tian Shizhu36如圖框架剪力墻結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)底層的剪力墻單元在地震作用如圖框架剪力墻結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)底層的剪力墻單元在地震作用下進入非彈性反應階段。采用子結(jié)構(gòu)擬動力試驗方法，底層下進入非彈性反應階段。采用子結(jié)構(gòu)擬動力試驗方法，底層剪力墻單元為試驗單元，用剪力墻單元為試驗單元，用3 3個作動器對該單元加載，模擬個作動器對該單元加載，模擬底層剪力墻受到的剪力、彎矩和軸力。結(jié)構(gòu)其余部分的動力底層剪力墻受到的剪力、彎矩和軸力。結(jié)構(gòu)其余部分的動力反應通過計算機程序求解。將兩部分得到的反應在結(jié)構(gòu)整體反應通過計算機程序求解。將兩部分得到的反應在結(jié)構(gòu)整

37、體分析程序中求解，就可得到整個結(jié)構(gòu)的地震響應。分析程序中求解，就可得到整個結(jié)構(gòu)的地震響應。Lab of Prof. Tian Shizhu37子結(jié)構(gòu)混合試驗子結(jié)構(gòu)混合試驗Lab of Prof. Tian Shizhu383 3偽動力試驗步驟偽動力試驗步驟（1 1）輸入地面運動加速度）輸入地面運動加速度地震波的加速度時程曲線，加速度示值隨時間地震波的加速度時程曲線，加速度示值隨時間t t的變化而改變，為便于計算，首先將實際地震記的變化而改變，為便于計算，首先將實際地震記錄的加速度時程曲線按一定時間間隔數(shù)字化，即按錄的加速度時程曲線按一定時間間隔數(shù)字化，即按t t劃分成許多微小的時間段，可以取劃

38、分成許多微小的時間段，可以取t t為為0.010.01，這樣就可以用數(shù)值積分方法求解運動方程這樣就可以用數(shù)值積分方法求解運動方程 Lab of Prof. Tian Shizhu39（2 2）計算下一步的位移值）計算下一步的位移值采用中心差分法求解下一步位移。采用中心差分法求解下一步位移。（3 3）位移值的轉(zhuǎn)換）位移值的轉(zhuǎn)換由加載控制系統(tǒng)的計算機將第由加載控制系統(tǒng)的計算機將第n n+1+1步的指令位步的指令位移移n n+1+1轉(zhuǎn)換成輸入電壓，再通過電液向加載系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成輸入電壓，再通過電液向加載系統(tǒng)控制作動器對結(jié)構(gòu)加載，由作動器用靜態(tài)的方法對控制作動器對結(jié)構(gòu)加載，由作動器用靜態(tài)的方法對結(jié)構(gòu)施加結(jié)

39、構(gòu)施加n n+1+1位移。位移。Lab of Prof. Tian Shizhu40（4 4）量測恢復）量測恢復FnFn+1+1即位移值即位移值XnXn+1+1對結(jié)構(gòu)施加的荷載，通過作動器對結(jié)構(gòu)施加的荷載，通過作動器的荷載傳感器測得此時恢復力的荷載傳感器測得此時恢復力FnFn+1+1。（5 5）計算出反應全過程）計算出反應全過程將將XnXn+1+1，F(xiàn)nFn+1+1數(shù)據(jù)代入上述算式，用同樣方法數(shù)據(jù)代入上述算式，用同樣方法求得求得XnXn+2+2，進行加載，求得，進行加載，求得XnXn+2+2位移下的位移下的FnFn+2+2，這，這樣如此循環(huán)，自動完成全過程。樣如此循環(huán)，自動完成全過程。Lab of Prof. Tian Shizhu414 4結(jié)構(gòu)擬動力試驗方法的誤差分析結(jié)構(gòu)擬動力試