振动模型的创新设计

1地震模拟振动台

世界上第一个振动台是日本于1966年建成的正弦波振动台，经过不断的发展，到了21世纪，世界上已经出现了各种不同形式和尺寸的振动台。就国内而言，大型的振动台系统见表1。

2振动台模型试验存在的问题

地震模拟振动台试验是一个对现实结构在地震作用下的模拟过程，在这个试验的设计和实施环节中，实验者模拟的情况和现实总会有一些差距，这就导致了试验中会存在一些不可避免的问题。主要的问题存在于以下几个方面:1)模型与原型的相似问题。原型结构一般尺寸很大，很多模型都是通过原型经过一定比例的缩小而形成的，由于尺寸的不同会导致测试结果的误差;有些结构原型构造复杂，在缩尺模型中无法体现的结构构造会进行一定的简化，简化之后的模型动力性能与原型结构有一定的差异：重力失真效应使得模型相对于原型柱子的轴压比产生变化，从而对测试结果产生一定影响。2)模拟地震波的加载与真实地震情况下的差异。振动台模型试验一般都是对一个模型进行加速度峰值由小到大的多次试验，在多次试验的过程中，模型可能产生一定的变化或者破坏，从而使得模型的激励与初次进行激励的响应不同。3)数据采集与分析的误差。目前计算结构的位移是通过不连续的加速度积分而来，而这些加速度数据由于其本身不是连续的，导致两次积分之后数据产生误差，计算得出的结构位移与实际情况有差异。这几个问题只是影响振动台模型实验的精度与准确性的重要因素，在实际试验过程中，我们应该尽量把这些因素的影响降低到最小，或者设计进行相关的试验，得出一些因素的影响规律，通过这些规律推算出误差的大小，从而使得试验更完善。

3研究尺寸效应的影响

在上述提到的几个值得注意的问题中，我们选择了研究尺寸效应的影响进行深入研究。随着技术的进步与发展，振动台的尺寸越来越大，所能承受的荷载也逐渐在增加，这就为振动台模型试验提供了足够的条件去进行足尺试验。足尺试验是完全按照原型结构的尺寸和构造制作模型，能够和原型结构达到最大的相似度，能真实、直观的反映所试验对象的现实数据。但是足尺试验试验成本高，并且只适用于一些中小型结构，对于大跨度和超高层结构的振动台实验研究进行足尺试验是不现实的，因此在进行这些结构的抗震性能试验研究时需要对原型结构的尺寸进行一定比例的缩放，根据试验结果按照相似关系推算原型结构的抗震性能。但由于将原型结构的尺寸进行了缩放，对试验结果的准确性必然产生了一定程度的影响，我们的试验着重于研究尺寸缩放对试验结果产生的误差。我们将按照结构原型制作不同比例的模型，在模型各部分材料完全相同的情况下，分别对各个不同尺寸的模型施加的地震波，由相似关系推算出结构原型对地震波的响应。通过比较不同比例模型推算出的结果来分析尺寸效应是否存在一定的规律或者趋势，从而探讨尺寸的不同对试验结果的影响。并比较不同的尺寸缩小在试验状态下，发生破坏时的加速度，模拟地震级数，产生应变。并与实际数值进行比较，从而得出两者之间的误差，这也就是由于尺寸效应所造成的误差。在前期准备阶段，我们已经完成了如下一些工作:模型的制作，基于有限元分析软件进行的模型尺寸效应的理论分析，模型使用材料的力学性质的测定，初步试验。在这些前期准备及试验过程中，我们发现了一问题，并提出了一些解决方案:1)材料选择。由于试验经费的限制，我们无法像很多大型试验一样使用微粒混凝土浇筑试验所需要的模型。于是我们选择了使用木头作为试验材料，是因为木头具有较好的可加工性，方便我们对模型的加工，便于我们改变使用材料的尺寸，更好地保证不同大小模型的尺寸具有较好的尺寸比例。这也是本次试验我们的一个创新点，如果试验能获得较好的参数，那么将能大幅度缩减此类试验的科研经费。2)模型制作。上述提到我们选用木材作为试验材料，虽然木材具有一些优良特性，但是由于没有类似试验的借鉴，这个创新点为我们带来了很多问题:木材的力学性能的测定，木材顺纹、横纹的力学性能的差异，木材自身的缺陷，这些问题都会对尺寸的相似性造成比较大的影响。同时，在模型制作过程中，节点的处理也是一个难题，我们在梁柱的节点处设置了牛腿。3)木材力学性能的测定。我们根据GB1936．1木材抗弯强度试验方法的规定制作了木材力学性能检测的标准试件进行了木材力学性能的测定。4)初步试验。a．传感器的选测:试验需要测定模型在振动状况下的位移、加速度的变化，我们采用了三维数字图像相关的位移测量方法，这个测量方式可以精确的测定在不同时间下模型的形变，并且记录下模型破坏一瞬间时的破坏形态，可以与我们理论分析的结构相验证。b．试验数据的采集:由于试验涉及到的山西建筑》杂志简企业生产管理介详见.）

作者：孙求知 王燕华 陈晨 单位：东南大学土木工程学院

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