地震模拟振动台的数字仿真及其在龙江拱坝上的应用
第27卷第1期水利水电科技进展
2007年2月V ol.27N o.1Advances in Science and T echnology of Water Res ources Feb.2007
基金项目:国家自然科学基金资助项目(50479041;50539100;90510017)
作者简介:张伯艳(1961—
),男,安徽宿松人,高级工程师,博士,从事结构抗震研究。E 2mail :zhangby @https://www.wendangku.net/doc/9613285581.html, 地震模拟振动台的数字仿真及其在龙江拱坝上的应用
张伯艳,李德玉
(中国水利水电科学研究院抗震研究中心,北京 100044)
摘要:通过对地震模拟振动台工作原理的模仿,用计算机技术实现了对地震模拟振动台的数字仿
真。在这一“仿真模型”中,黏弹性边界被用来吸收外传的散射波,因此,计入了无限地基辐射阻尼的影响。利用该“仿真模型”计算了龙江拱坝的地震反应,计算结果表明:考虑无限地基辐射阻尼的影响,龙江拱坝的动拱梁应力与无质量地基模型比较均有较大幅度的降低,最大降幅约在40%～50%范围内,且导致正常蓄水位和死水位条件下,大坝静动综合的最大主拉、主压应力明显降低。关键词:振动台;数字仿真;地震波;辐射阻尼;龙江拱坝中图分类号:T V642.4;TP391.9 文献标识码:A 文章编号:1006Ο7647(2007)01Ο0042Ο04
Numerical simulation of sh aking table and its application to Longjiang Arch Dam//ZH ANG Bo 2yan ,LI De 2yu (Earthquake Engineering Research Center ,China Institute o f Water Resources and Hydropower Research ,Beijing 100044,China )
Abstract :According to the w ork principle of shaking table for seismic simulation ,numerical simulation of shaking table was per formed by use of the com puter technique.In the simulation m odel ,the visco 2elastic boundary was em ployed to abs orb outward 2spreading scattering waves ;therefore ,the in fluence of in finite foundation radiation dam ping was taken into account.The calculation of the earthquake response of Longjiang Arch Dam as a case study shows that the in finite foundation radiation dam ping ass ociated with wave propagation away from the dam decreases the dynamic arch cantilever stress by 40%250%as com pared with massless foundation m odels and results in obvious decrease of maximal principal tensile stress and maximal principal com pressive stress of the dam in static and dynamic com posite states under normal water storage level and dead water level.K ey w ords :shaking table ;numerical simulation ;seismic wave ;radiation dam ping ;Longjiang Arch Dam
要想有效地评估拱坝的抗震能力,需要建立合理的地震输入模型。在早期,人们使用标准的基底输入模型,这一模型的特点是将坝与较大范围的可变形基础划分成有限元网格,假设基础底部是刚性的,直接将地面运动加速度作用于刚性基底。显然,这一模型不能反映地表自由场运动与深部基岩运动的差异。作为改进,后来提出了无质量地基模型[1],众所周知的ADAP 程序[2]使用的就是无质量地基模型。由于地基假设为无质量的,消除了地震波在岩石基础内传播的影响,其结果是坝与基础交接面上受到完全相同的地震动。少量坝址河谷地震动观测记录不支持这一假设。事实上,沿河谷岸坡不同高程处地震动的幅值大小与频谱都不相同。人们已经认识到拱坝的地震输入应能反映地震波在岩石基础内的传播机理,以及坝体与河谷交接面对地震波的反射和折射影响。同时,适量计入无限地基辐射阻尼的影响也已成为工程界的共识。经过众多学者多
年的努力,已建立了能反映上述地震波传播机理的
拱坝地震输入模型[3Ο5]
,特别是最近提出的人工透射
边界[6]与时域显式有限元相结合的地震动参数模型[4]和以LDDA 理论[7]为基础求解动接触力的基于黏弹性边界条件的地震自由场输入模型[5],均采用时域显式积分方法,为地震动力问题的求解提供了较大方便。地震动参数模型使用位移波作为基底入射波,一般由加速度时程通过两次积分获得,地震自由场输入模型是将有限元边界上的自由场速度和应力转化为黏弹性边界上的力荷载。这两个拱坝地震输入模型基本反映了地震波在岩石介质内的传播和无限地基辐射阻尼的影响,但其输入运动与设定地震(一般为地表面自由场加速度时程)是不一样的,虽然由加速度转化为速度和位移并不困难。
对拱坝抗震能力进行评估的另一有效途径是在地震模拟振动台上进行模型试验。显然,大型地震模拟振动台较好地再现了模型坝及其基础系统中地震
波的传播机制。尽管模型试验费用较高,但由于直观,模型试验受到工程界的普遍欢迎。通过现代计算机技术模拟振动台的工作原理,从而实现对地震模拟振动台的数字仿真,对拱坝地基系统进行仿真计算分析显然是拱坝地震输入模型的一种可能的选择。
本文用计算机程序仿真大型地震模拟振动台,并将其应用于龙江拱坝的抗震分析中。
1 地震模拟振动台的数字仿真
地震模拟振动台一般由台面及支承系统、激振系统、电控系统、液压源系统、动力电系统和基础6个部分组成。其工作原理是:当计算机中储存的地震波信号送入闭环伺服控制系统时,输出信号推动电液伺服阀,由此控制高压油液进入激振器中,激振器推动地震模拟振动台台面运动。台面的运动经控制用加速度传感器将信号反馈到闭环控制系统,这样可使台面按照预定的加速度波形进行运动。
从上述工作原理可知:振动台的输入运动是台面运动,即拱坝地基系统的底部边界为固定的加速度运动。对于拱坝一类的水工建筑物,其几何尺寸都远大于振动台台面尺寸,因此,试验模型都要按几何比尺缩小,相应地,密度、弹性模量、时间、频率、应变、应力等都要满足相似律的各项要求。对振动台试验,无限地基辐射阻尼的模拟可在模型四周加黏滞液来实现。
用计算机模拟振动台的工作,关键要做到:①基底运动为设定加速度时程;②有限元模型四周为吸能边界;③能体现波从基底向上传播。为此,首先应对坝和足够范围的基础进行有限元网格剖分,在模型四周边界上施加弹簧阻尼器,建立接触问题的有限元方程,对有限元方程用中心差分离散,可得递推公式[5]:
u t +Δt =Δt 22M -1
(F t -Ku t -C u t )+u t +Δt u t +Δt 22
M -1
G
Λt (1)式中:M ,C ,K 分别为系统的质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵; u t ,u t 分别为t 时刻总体速度向量和总体位移向量;F t 为t 时刻静力荷载向量;Λt 为t 时刻拉格朗日乘子向量;G 矩阵包含接触面局部坐标系到总体坐标系的变换矩阵、主乘子点的投影点所在负面的接触面单元的各个节点的位移选择矩阵、主乘子点的位移选择矩阵和主乘子的乘子向量的选择矩阵;Δt 为时间间隔。
对于非接触问题的整体坝分析,拉格朗日乘子向量为0。这时式(1)成为
u t +Δt
=Δt 22
M -1(F t -Ku t -C u t )+u t +Δt u t (2)
由式(1)和式(2)可知,已知当前时刻的位移、速度和拉格朗日乘子向量,就可求出下一时步的位移向量。
为了在有限元模型的底部输入固定加速度,可将基底节点的集中质量放大106倍。基底加速度通过地表加速度反演获得,本文的反演计算使用了黏性边界条件下时域显式有限元数值解[5]。这时,公式(2)中第1项括号内,应增加M b a b t 项,则式(2)成为
u t +Δt
=Δt 22M -1(F t +M b a b t -Ku t -C u t )+u t +Δt
u t (3)
式中:M b 为基底集中质量矩阵;a b t 为t 时刻基底输
入加速度向量。
需要指出的是:文献[1]也曾认为,经过反演的岩体基底运动可加在三维坝与地基体系的基底上,其中地基岩体假定具有正常的质量和刚度特性(有别于无质量地基),这时,在地基岩体中将形成波的传播机制,并能反映波动受到坝体和河谷交接面的反射和折射的影响而产生的改变,比较符合真实情况。
2 数字仿真模型在龙江拱坝上的应用
211 龙江拱坝计算条件
龙江水利枢纽位于云南省德宏傣族景颇族自治州潞西县境内的龙江干流上,是以发电、防洪为主,兼顾灌溉、水产养殖、供水及改善环境、发展旅游等的综合性水利水电枢纽工程。大坝设计采用椭圆形双曲拱坝,预可研阶段水库总库容12144×108m 3,电站总装机容量240MW 。
龙江拱坝最大坝高11510m ,工程属一等工程,大坝为一级水工建筑物。拟建坝址距近代地震频繁的龙陵—瑞丽活动断裂带仅2km 。根据国家质量技术监督局2001年8月1日出版的1/4000000《中国地震动参数区划图》,本工程区地震基本烈度为Ⅷ度,相应的震动峰值加速度为012g 。根据现行的D L 5073—2000《水工建筑物抗震设计规范》的有关规定,大坝抗震设防标准应根据专门的地震危险性分析结果,按100年2%超越概率水平的设计地震动峰值加速度确定。根据地震部门进行的地震危险性分析结果,相应于上述设防标准的设计基岩水平峰值加速度为01358g ,相应的竖向峰值加速度代表值取为水平向的2/3,即01239g 。设计反应谱取规范标准谱,其拓征周期T g =012s ,设计反应谱最大值的代表值βmax =215。对此设计反应谱用时域法[8]拟合了横河向、顺河向和竖向3个分量25s 人工波(见图1)。龙江工程挡水建筑物设计采用椭圆形双曲拱坝。大坝最低建基面高程760m ,坝顶高程875m ,最
图1 龙江拱坝设计反应谱拟合地震波
大坝高115m。顶拱拱冠处厚6m,拱冠梁底厚27198m,厚高比01241。坝顶中心线弦长382153m,弦高比31298。
坝体混凝土静弹性模量2010G Pa,根据现行抗震规范规定,动弹性模量为静弹性模量的113倍。泊松比01167,密度214t/m3,线胀系数8×10-6/℃。
各拱圈高程基岩静变形模量510～710G Pa,泊松比0125～0135,密度2165t/m3。可见,基岩的变形模量约为坝体混凝土弹性模量的1/3～1/4。基岩的动变形模量参照坝体混凝土的取值原则,同样取静态的113倍。
水库正常蓄水位872m,相应的下游水位79117m,水体密度110t/m3,坝前淤砂高程81615m,淤砂内摩擦角31°,浮密度110t/m3。水库死水位845m,相应的下游水位79117m。
温度荷载:水库正常蓄水位与设计温降组合,水库死水位与设计温升组合。
212 大坝地基系统有限元网格
根据龙江拱坝坝区地形地质特点和坝区各类基岩材料性质,应用MSC PATRAN有限元网格自动剖分技术,生成大坝基础系统三维有限元网格,其中坝体网格与ADAP程序的剖分一致,坝体沿厚度方向布置了3层三维块体元。整个分析系统全部由三维块体单元离散,分析范围顺河向为640m,横河向为855m,竖向为255m,节点总数为29256,自由度总数为86400。拱坝地基系统有限元网格见图2。在有限元模型四周,加上弹簧阻尼器,以吸收外传波。将图1所示3分量加速度地震波反演至深部基岩,即获得本文仿真模型的基底输入加速度时程
。
图2 龙江拱坝地基体系有限元网格模型坝体库水的动力相互作用是影响大坝动力反应的重要因素。目前工程界普遍接受忽略库水可压缩性的所谓“库水附加质量”的处理方法表征动水压力的影响。本文采用ADAPCH89程序计算出库水附加质量,经对角化后施加于坝面相应节点。
213 龙江拱坝计算结果分析
通过仿真模型,初步计算了龙江拱坝在正常蓄水位和死水位两种工况下的静动力反应,表1给出了坝体动态最大拱梁应力反应最大值及其发生的部位,表2给出了坝体静动综合主应力最大值及其发生的部位,图3和图4分别给出了考虑无限地基辐射阻尼和不考虑无限地基辐射阻尼时正常水位人工波作用下整体坝顶拱附近动态拱应力和拱冠梁附近动态梁应力比较。
表1 坝体动态拱梁应力反应最大值
计算
条件
应力
位置
最大拱
应力/MPa
最大拱应力
发生部位
最大梁
应力/MPa
最大梁应力
发生部位
正常
蓄水位
上游面3197
871m高程
左拱端
2145
771m高程
右拱端下游面2186
871m高程
拱冠右侧
1177
828m高程
拱冠附近死水位
上游面3155
871m高程
左拱端
2125
771m高程
右拱端下游面2121
842m高程
拱冠右侧
1158
828m高程
拱冠左侧表2 坝体静动综合主应力最大值
计算
条件
应力
位置
最大拱
应力/MPa
最大拱应力
发生部位
最大梁
应力/MPa
最大梁应力
发生部位
正常
蓄水位
上游面3106760m
高程
坝底右侧
6181
842m高程
拱冠附近下游面1185842m
高程
拱冠右侧
9183
771m高程
右拱端
死水位
上游面2176
顶拱拱
冠附近
6129
868m高程
右拱端下游面2106
顶拱拱
冠附近
7169
771m高程
右拱端
图3
顶拱附近动态拱应力比较
图4 拱冠梁附近动态梁应力比较
从上述计算结果可见:
a.由于龙江拱坝地基综合变形模量较低,无限
地基辐射阻尼对龙江拱坝地震动力反应影响显著。从图3和图4可见,考虑无限地基辐射阻尼的影响,总体上动拱、梁应力都有较大幅度的降低,最大降幅约在40%～50%范围内。
b.正常水位时,最大拱向上下游面动应力分别
为3197MPa 和2186MPa ,最大梁向上下游面动应力分别为2145MPa 和1177MPa ;死水位最大拱向上下游面动应力分别为3155MPa 和2121MPa ,最大梁向上下游面动应力分别为2125MPa 和1158MPa ,比正常水位稍小。
c.由于无限地基辐射阻尼效应大幅度削减了
拱坝的动态拱梁应力,导致两种水位条件下的大坝
静动综合的最大主拉、主压应力明显降低。正常水位上、下游面静动综合最大主拉应力依次为3106MPa 和1185MPa ,发生于上游坝踵和842m 高程的右1/4拱圈。上游面静动综合最大主压应力为6181MPa ,下游面则为9183MPa ,发生于应力集中效应明显的接近坝底的771m 高程拱端。死水位上游面静动综合最大主拉应力为2176MPa ,发生于顶拱拱冠处。由于死水位时上部高程拱冠附近的静态压应力较小,尽管无限地基辐射阻尼大幅度降低了该部位的动态拱应力,其静动综合的主拉应力水平仍较高。下游面静动综合最大主拉应力为2106MPa ,亦发生于顶拱拱冠附近,较上游面略小。上、下游面静动综合最小主应力较正常蓄水位时略有降低,上游面为6129MPa ,发生于顶拱右拱端附近,下游面为7169MPa ,与正常蓄水位时的发生部位相同。
d.无限地基辐射阻尼总体上全面降低了大坝
的静动综合应力反应,对大坝的抗震安全无疑是一
有利因素。从控制性的主拉应力来看,除在正常蓄水位应力集中效应显著的上游坝踵处主拉应力略大于310MPa ,处于C25混凝土动态抗拉强度的临界点外,其余部位无大于310MPa 的拉应力,可以满足大坝抗震强度安全要求。
无限地基辐射阻尼的模拟是当前水工抗震学科的前沿课题,国内外很多学者采用多种模型针对这一问题开展了深入研究。对小湾、溪洛渡、大岗山等
强震区高拱坝的计算结果显示[9Ο13]
,与传统的无质量地基相比,地基辐射阻尼可降低大坝的地震动力响应是各类方法所揭示出来的共同规律,因此普遍认为在大坝抗震设计中应予适当计入。但是,由于各种模型中对该问题的处理方法不同,引入的假定各异,又与地震动的输入方式相耦合等复杂问题的存在,各种模型所体现出来的对大坝动力反应影响的程度存在差异。因此,结合龙江拱坝的具体工程特点,考虑到问题的复杂性和不确定因素,在抗震设计中考虑地基辐射阻尼的有利影响时,为确保大坝抗震安全,应适当留有余地。
3 结 论
从龙江拱坝的计算效果可知,本文提出的地震模拟振动台仿真模型具有较好的计算稳定性和较高
的计算效率。与拱坝地震自由场输入模型比较,省去了自由场的计算,数据输入较简单,但由于底部边界未计入地基辐射阻尼的影响,其计算结果应比自由场输入模型大。虽然地震模拟振动台仿真模型模拟了振动台的工作原理,但坝与地基的有限元离散
(下转第90页)
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(收稿日期:2006Ο03Ο15 编辑:熊水斌)
(上接第45页)
模型的大小并不受振动台台面尺寸的限制,并不需要满足类似于模型试验的相似律要求,克服了振动台非线性模型试验中有些物理量不能完全满足相似律要求的缺陷。
总体说来,地震模拟振动台仿真模型是拱坝地震输入模型的一个可能的选择。今后还应加强这一拱坝地震输入模型与其他模型的比较研究。
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(收稿日期:2006Ο03Ο08 编辑:熊水斌)
地震模拟振动台及模型试验研究进展_沈德建
第22卷第6期2006年12月 结 构 工 程 师S t r u c t u r a l E n g i n e e r s V o l .22,N o .6 D e c .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 R e s e a r c hA d v a n c e s o nS i m u l a t i n g E a r t h q u a k e S h a k i n g T a b l e s a n dMo d e l T e s t S H E ND e j i a n 1,2 L UX i l i n 1 (1.R e s e a r c hI n s t i t u t e o f S t r u c t u r a l E n g i n e e r i n g a n d D i s a s t e r R e d u c t i o n ,T o n g j i U n i v e r s i t y ,S h a n g h a i 200092,C h i n a ; 2.I n s t i t u t e o f C i v i l E n g i n e e r i n g ,H o h a i U n i v e r s i t y ,N a n j i n g 210098,C h i n a ) A b s t r a c t T h e d e v e l o p m e n t o f s h a k i n gt a b l e i s i n d u c e df i r s t i nt h i s p a p e r .T h e e x p a n s i o n o f t h e r e s e a r c h s c o p e o f s h a k i n g t a b l e s i s a n a l y z e d .T h e d y n a m i c s i m i l i t u d e r e l a t i o n s h i p f r o md i f f e r e n t a u t h o r s i s c o m p a r e d a n d r e m a r k e d .T h e d e v e l o p m e n t o f t e s t i n g m e t h o d o n s h a k i n g t a b l e s a n d n e w m e t h o d o n a n a l y z i n g t h e r e s u l t i s a l s o p r e s e n t e d .S o m e v a l u a b l e q u e s t i o n s o n s h a k i n g t a b l e t e s t a r e i n d u c e d a n d m a y b e p a i d g r e a t a t t e n t i o nb y r e -s e a r c h e r s .K e y w o r d s s h a k i n g t a b l e ,m o d e l t e s t ,d y n a m i c s i m i l i t u d e r e l a t i o n s h i p ,t e s t i n g m e t h o d 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N E E S 计划的一部分,加州大学圣地亚哥分校(U C S D )于2004年安装M T S 公司制
地震模拟振动台九子台阵系统的安装与调试
Dynamical Systems and Control 动力系统与控制, 2016, 5(1), 11-17 Published Online January 2016 in Hans. https://www.wendangku.net/doc/9613285581.html,/journal/dsc https://www.wendangku.net/doc/9613285581.html,/10.12677/dsc.2016.51002 The Installation and Debugging of Nine Sub-Array System of Shaking Table Juke Wang, Chunhua Gao, Shuoyu Zhang Beijing Laboratory of Earthquake Engineering and Structural Retrofit, Beijing University of Technology, Beijing Received: Dec. 20th, 2015; accepted: Jan. 10th, 2016; published: Jan. 14th, 2016 Copyright ? 2016 by authors and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). https://www.wendangku.net/doc/9613285581.html,/licenses/by/4.0/ Abstract Facing the damage caused by the frequent occurrence of earthquakes, this study pointed out that shaking table experiment is the research and development direction of structural seismic test, and briefly summarized the developmental history and status quo. In recent years, as array system of-fered important experiment methods to the anti-seismic experimental research and theoretical research of such slim-lined constructions as large-space structure, pipeline, multiple span bridge, etc., this study made a conclusion of the system composition, functional characteristics, installa-tion method and debugging procedures of nine sub-array system based on the nine sub-array sys-tem of BJUT, and further explained the characteristics and contents of array system control. It’s of some referential value for the technological development of shaking table array experiment. Keywords Shaking Table Array, Function Debugging, System Control 地震模拟振动台九子台阵系统的安装与调试 王巨科，高春华，张硕玉 北京工业大学，工程抗震与结构诊治北京市重点实验室，北京 收稿日期：2015年12月20日；录用日期：2016年1月10日；发布日期：2016年1月14日
高层建筑抗震性能模拟地震振动台试验
一、竞赛目的 通过比赛，加强华东地区工科院校土建类专业之间的相互交流，促进学生创新能力和专业技术水平的提高，营造培养卓越工程人才的良好氛围。 本次比赛突出设计理念、结构概念、结构体系创新，采用先进设备实施加载试验，希望能从理论创新引领实际工程发展的角度，加强理论与实际的有机结合，注重对设计构思与实施结果一致性的考察。 二、竞赛题目 高层建筑抗震性能模拟地震振动台试验 三、竞赛内容 1、结构方案概念设计及方案优选； 2、结构分析与制作详图设计； 3、结构模型制作； 4、结构模型模拟地震振动台试验。 四、竞赛细则 （一）材料及制作工具 1、材料 主体材料：有机玻璃板，额定厚度：1mm、2mm，弹性模量2.6?103MPa，强度40MPa，比重1.2。 辅助材料：镀锌铁丝，规格22号，直径0.71mm，材质：Q235。 胶接材料：氯仿、502胶（辅助安装质量块用，安装质量块时在实验室现场领取）。 标识材料：红、黄、蓝、黑彩色不干胶纸各一张，规格100?40。 【注1】材料由组委会提供，不允许使用任何其他材料。
【注2】材料参数仅供参考，有机玻璃板厚度、镀锌铁丝的直径可能 有较大的误差，以实测结果为准。 2、制作工具 钩刀、美工刀、电吹风、0#水砂纸、锉刀、直尺、图板、小毛笔、滴管注射器。 （二）模型设计要求 1、底座 虚线内为模型可使用范围，Φ1=8为柱脚安装孔，Φ2=5为底板安装孔 底座平面示意图 模型需可靠连接于底座上，然后固定于地震模拟振动台台面上。底座为有机玻璃板，尺寸250×250×6mm，外围25mm范围不得有任何构件。底座内部200 200范围8个直径8mm的圆孔，可用于固定构件（上部模型如不能利用这8个孔，可采用其它任一有效方式将上部模型固定于底板上）；外围12个直径5mm的孔用于将底座固定于地震模拟振动台台面上。底座平面示意见上图，底座上不得另行钻孔。
XJ-Z50小型地震模拟振动台
XJ-Z50小型地震模拟振动台 南京工业大学土木工程学院实验教学中心研制
XJ-Z50小型地震模拟振动台 1、概述 振动实验台有液压式、机械式和电磁式等几种，振动台在结构抗震、自振频率测量、结构振动分析中是不可缺少的设备，振动台设备的成本与台面的尺寸、性能和相应的配套设备有关，一般要几十万到上百万以上的资金才能建成。那么对于众多理工科院校和新建院校承担如此高的资金有一定的难度。我们推出的“XJ-Z50小型地震模拟振动台”是为理工科院校专门设计的，该系统具备了振动台的所有实验内容，费用相应要低得多，适合作为教学使用，使学生能通过实验来学习、认识和掌握在振动上要完成的实验方法，为将来参与实际大、中振动台建设打下基础。 该系统除用于教学外，还可用于小型仪器（如：精密电子仪器、手持设备、计算机硬盘驱动器、传感器、MEMS 传感器和其它设备等）的振动考核试验。只要配备一只标准加速度计（如B&K 公司的加速度计），就可用该系统对其它传感器的灵敏度和频响曲线进行标定，传感器标定在工程试验中是必不可少的。 2、系统组成 该系统由振动台台面系统、电磁式激振器、功率放大器、振动台控制传感器、振动台控制仪（含数据采集、程控信号源）、计算机和控制软件组成。
3、实验内容 3.1 地震模拟、人工模拟地震波再现、地震反应谱测试；3.2 白噪声激励与结构振型测试； 3.3等幅值正弦扫频控制与结构振型测试； 3.5 随机波实验模拟； 3.6 加速度传感器和速度传感器灵敏度、频响曲线标定测试(选配)； 4、技术指标和型号振动台控制机柜 4.1 振动台和功率放大器： 台面尺寸：516x360x20mm 台体材料：铝合金 台面自重：11kg 激振力：500N 频率范围：0-2000Hz 总重量：75kg 最大位移： 10mm 最大加速度：±5g
振动台试验终极版
一、前言 模拟地震振动台可以很好地再现地震过程和进行人工地震波的试验，它是在试验室中研究结构地震反应和破坏机理的最直接方法，这种设备还可用于研究结构动力特性、设备抗震性能以及检验结构抗震措施等内容。另外它在原子能反应堆、海洋结构工程、水工结构、桥梁工程等方面也都发挥了重要的作用，而且其应用的领域仍在不断地扩大。模拟地震振动台试验方法是目前抗震研究中的重要手段之一。 20世纪70年代以来，为进行结构的地震模拟试验，国内外先后建立起了一些大型的模拟地震振动台。模拟地震振动台与先进的测试仪器及数据采集分析系统配合，使结构动力试验的水平得到了很大的发展与提高，并极大地促进了结构抗震研究的发展。 二、常用振动台及特点 振动台可产生交变的位移，其频率与振幅均可在一定范围内调节。振动台是传递运动的激振设备。振动台一般包括振动台台体、监控系统和辅助设备等。常见的振动台分为三类，每类特点如下： 1、机械式振动台。所使用的频率范围为1~100Hz，最大振幅±20mm，最大推力100kN，价格比较便宜，振动波形为正弦，操作程序简单。 2、电磁式振动台。使用的频率范围较宽，从直流到近10000Hz，最大振幅±50mm，最大 推力200kN，几乎能对全部功能进行高精度控制，振动波形为正弦、三角、矩形、随机，只有极低的失真和噪声，尺寸相对较大。 3、电液式振动台。使用的频率范围为直流到近2000Hz，最大振幅±500mm，最大推力 6000kN，振动波形为正弦、三角、矩形、随机，可做大冲程试验，与输出力（功率）相比，尺寸相对较小。 4、电动式振动台。是目前使用最广泛的一种振动设备。它的频率范围宽，小型振动台频率 范围为0~10kHz，大型振动台频率范围为0~2kHz，动态范围宽，易于实现自动或手动控制；加速度波形良好，适合产生随机波；可得到很大的加速度。原理：是根据电磁感应原理设置的，当通电导体处的恒定磁场中将受到力的作用，半导体中通以交变电流时将产生振动。振动台的驱动线圈正式处在一个高磁感应强度的空隙中，当需要的振动信号从信号发生器或振动控制仪产生并经功率放大器放大后通到驱动线圈上，这时振动台就会产生需要的振动波形。组成部分：基本上由驱动线圈及运动部件、运动部件悬挂及导向装置、励磁及消磁单元、台体及支承装置。 三、组成及工作原理 地震模拟振动台的组成和工作原理 1.振动台台体结构 振动台台面是有一定尺寸的平板结构，其尺寸的规模由结构模型的最大尺寸来决定。台体自重和台身结构是与承载试件的重量及使用频率范围有关。一般振动台都采用钢结构，控制方便、经济而又能满足频率范围要求，模型重量和台身重量之比以不大于2为宜。振动台必须安装在质量很大的基础上，基础的重量一般为可动部分重量或激振力的10~20倍以上，这样可以改善系统的高频特性，并可以减小对周围建筑和其他设备的影响。 2.液压驱动和动力系统
振动台模型试验
01 建筑结构的整体模型模拟地震振动台试验研究，从模型的设计制作、确定试验方案、进行试验前的准备工作、到最后实施试验和对试验报告数据进行处理，整个过程历时较长、环节较多。显然，预先了解和把握振动台试验的总体过程，做到有目的、有计划、有方法，才能较顺利地完成该项工作。介绍将会按照以下顺序依此进行： 1 模型制作 2 试验方案 3 试验前的准备 4 实施试验 5 试验报告 6 试验备份 02 1 模型制作 振动台试验模型的制作，在获得足够的原型结构资料后，至少需要把握这样几个关键环节： （1）依据试验目的，选用试验材料； （2）熟读图纸，确定相似关系； （3）进行模型刚性底座的设计； （4）根据模型选用材料性能，计算模型相应的构件配筋； （5）绘制模型施工图； （6）进行模型的施工。 对上述各条的设计原则以及注意事项等，分述如下。 1.1 选用模型材料 模型试验首先应明确试验目的，然后根据原型结构特点选择模型的类型以及使用材料。比如，试验是为了验证新型结构设计方法和参数的正确性时，研究范围只局限在结构的弹性阶段，则可采用弹性模型。弹性模型的制作材料不必与原型结构材料完全相似，只需在满足结构刚度分布和质量分布相似的基础上，保证模型材料在试验过程中具有完全的弹性性质，有时用有机玻璃制作的高层或超高层模型就属于这一类。另一方面，如果试验的目的是探讨原型结构在不同水准地震作用下结构的抗震性能时，通常要采用强度模型。强度模型的准确与否取决于模型与原型材料在整个弹塑性性能方面的相似程度，微粒混凝土整体结构模型通常属于这一类。以上分析也显现了模型相似设计的重要性。 在强度模型中，对钢筋混凝土部分的模拟多由微粒混凝土、镀锌铁丝和镀锌丝网制成，其物理特性主要由微粒混凝土来决定，有时也采用细石混凝土直接模拟原型混凝土材料，水泥砂浆模型主要是用来模拟钢筋混凝土板壳等薄壁结构，石膏砂浆制作的模型，它的主要优点是固化快，但力学性能受湿度影响较大；模拟钢结构的材料可采用铜材、白铁皮，有时也直接利用钢材。总之，模型材料的选用要综合就近取材及经费等因素，同时要注意强度、弹性模量的换算等。 1.2 模型相似设计 把握大型模型振动台试验，最关键的是正确的确定模型结构与原型结构之间的相似关系。目前常用的相似关系确定方法有方程分析法和量纲分析法两种，它们之间的区别是显而易见的：当待求问题的函数方程式为已知时，各相似常数之间满足的相似条件可由方程式分析得出；量纲分析法的原理是著名的相似定理：相似物理现象的π数相等；个物理参数、个基本量纲可确定()个nkkn[$#8722]π数。当待考察问题的规律尚未完全掌握、没有明确的函数关系式时，多用到这种方法。高层建筑结构模拟地震振动台试验研究中包含诸多的物理量，各物理量之间无法写出明确的函数关系，故多采用量纲分析法。 量纲分析法从理论上来说，先要确定相似条件（π数），然后由可控相似常数，推导其余的相似常数，完成相似设计。在实际设计中，由于π数的取法有着一定的任意性，而且当参与物理过程的物理量较多时，可组成的数也很多，将线性方程组全部计算出来比较麻烦；另一方面，若要全部满足与这些π数相应的相
模拟震动台试验的了解
地震模拟振动台试验的了解 姓名：图尔荪江学号：1083310402 摘要阐述了正确认识振动台模型试验的重要性，并指出了试验中的一些有待提高的做法，同时论述了振动台模型试验的发展动态。 关键词振动台试验;试验方法;发展动态; 自20世纪60年代开始建立地震模拟振动台系统开始，全球的模拟振动台系统已经超过100台，国内各高校以及科研单位也陆续建立了近20台振动台系统?。振动台系统已从简单的单向运动向复杂的三向六个自由度发展，试验的内容也由砌体结构模型试验、框架结构模型试验、筒体结构模型试验向桥梁结构模型试验、具有隔震和减震装置的结构模型试验、结构与地基共同工作的模型试验等新的领域发展。对目前振动台模型试验中认识上和做法上有待提高的一些问题以及振动自摸型试验发展动态谈一些看法。 1. 正确全面认识振动台模型试验 由于振动台模型试验耗资大，要求高，于是就有采用静力试验或拟动力试验来研究结构性能的做法。其实振动中的物体除了受到干扰力的作用外，还受到与加速度相关的惯性力，与速度相关的阻尼力以及与位移相关的恢复力的作用。静力试验虽然经济并对加载设备没有太大的要求，但仅限于静力试验。拟动力试验，其突出的优点是与计算机相联，恢复力模型来自实际的构件，但是试验本身还是不能反映速度相关型材料的性能，因此拟动力试验实际上还是静力试验。虽然最近几年有研究发展的快速(实时)拟动力试验(FFr)，考虑了速度的影响，但是对设备的要求非常高，并且试验的边界条件很难精确的模拟【"。因此，首先要认识到振动台模型试验才是真正的模拟了地震的动力试验。 另外，有把结构构件在拟静力、拟动力试验中的量测内容来要求振动台模型试验的做法，当不能满足时，就认为振动台试验没有用。应该说不同的试验方法都有各自的特点和适用范围，振动台模型试验主要从宏观方面研究结构地震破坏机理、破坏模式和薄弱部位，评价结构整体抗震能力并衡量减震和隔震的效果14 J。振动台模型试验是目前所有试验方法中最为直接的试验方法，在试验中能详细地了解结构在大震作用下的抗震性能，对构件的破坏机理有直观的了解。另外，振动台模型试验往往是评估新型结构、超限结构以及具有隔震、减震装置结构等抗震性能的重要手段。对于大跨桥梁、大跨建筑物及管道线还需要用振动台台阵来研究基于多点地震波输入下的抗震性能。 振动台试验是目前并可能在将来的一段时间内解决结构在地震作用下的非线性反应和倒塌机理比较有效的手段¨J。 2. 试验中有待解决的一些问题 虽然振动台模型试验有不少的优点，但是在实际的试验中还有不少问题有待提高，已经有不少的文献对此进行讨论与研究，主要是集中在模型相似、加载速率、地震波形精确复现等几个方面。 2．1欠质量失真 目前，世界上振动台最大的竖向负重是美国的ucSD振动台系统，为2 000 t，大部分振动台的负重在100 t以下。对于高层建筑来说，当模型采用与原型相同的材料时，按照相似要求，模型的质量通常都超出了振动台的负载能力，如果将模型做得很小，即模型比例太小，那失真就会很严重。因此，目前绝大部分高层建筑或大型建筑的振动台模型都是欠质量的。