地震模拟振动台_地震模拟振动台试验

1.中国地震局工程力学研究所的实验基地

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

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。台地震模拟振动台的组成和工作原理 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

液压驱动系统给振动台以巨大的推力，按照振动台是单向(水平或垂直)、双向〔水平一水平或水平一垂直)或三向(二向水平一垂直)运动，并在满足产生运动各项参数的要求下，各向加载器的推力取决于可动质量的大小和最大加速度的要求;自前世界上已经建成的大中型的地震模拟振动台，基本是用电液伺服系统来驱动。它在低频时能产生大推力，故被广泛应用。

3.控制系统

在目前运行的地震模拟振动台中有两种控制方法:一种是纯属于模拟控制;另一种是用数字计算机控制。模拟控制方法有位移反馈控制和加速度信号输入控制两种。在单纯的位移反馈控制中，由于系统的阻尼小，很容易产生不稳定现象，为此在系统中加入加速度反馈，增大系统阻尼从而保证系统稳定。与此同时，还可以加入速度反馈，以提高系统的反应性能，由此可以减小加速度波形的畸变。为了能使直接得到的强地震加速度记录推动振动台，在输入端可以通过二次积分，同时输入位移、速度和加速度三种信号进行控制。

为了提高振动台控制精度，用计算机进行数字迭代的补偿技术，实现台面地震波的再现。试验时，由振动台台面输出的波形是期望再现的某个地震记录或是模拟设计的人工地震波。由于包括台面、试件在内的系统的非线性影响，在计算机给台面的输入信号激励下所得到的反应与输出的期望之间必然存在误差。这时，可由计算机将台面输出信号与系统本身的传递函数(频率响应)求得下一次驱动台面所需的补偿量和修正后的输入信号。经过多次迭代，直至台面输出反应信号与原始输人信号之间的误姜小与预先给定的量值，完成佚代补偿并得到满意的期望地震波形。

4.测试和分析系统

测试系统除了对台身运动进行控制而测量其位移、加速度等外，还可对被测试模型进行多点测量，一般是测量位移、加速度和应变等，根据需要来了解整个模型的反应。位移测量多数用差动变压器式和电位计式的位移计，可测量模型相对于台面的位移或相对于基础的位移;加速度测量多用应变式加速度计、压电式加速度计，近年来也有用差容式或伺服式加速度计。

电液式激振器的优点是重量轻、体积小，但却能产生很大的激振力，这种电液式激振器又称为动力千斤顶、电液伺服千斤顶、加振器、作动器等。电液式振动台推力可达几十kN~几百kN，主要用于大型结构物的振动试验，诸如汽车的行驶模拟试验、工程结构的抗震试验、飞行器的动力试验以及电工、电子产品的整机环境试验、筛选试验等。 四、加载设计

1、地震模拟振动台试验的加载设计

地震模拟振动台试验的加载设计是非常重要的，荷载选取过大，试件可能很快进人塑性阶段甚至破坏倒塌，难以完整地量测和观察到结构的弹性和弹塑性反应的全过程，甚至可能发生安全事故。荷载选取太小，不能达到预期日的。产生不必要的重复。影响试验进展，而且多次加载能对试件产生损伤积累。因此，为获得系统的试验资料，必须周密地考虑试验加载程序的设计。

进行结构抗震动力试验，振动台台面的输人一般选用地面运动的加速度。常用的地震波谱有天然地霞记录和拟合反应谱的人工地震波。

振动台是一个非线性系统，直接用地震波信号通过D/A转换和模拟控制系统放大后驱动振动台，在台面上无法得到所要求的地震波。在实际试验时，地展模拟振动台的计算机系

统将根据振动台的频谱特性。对输入的地震波进行分析、计算，经处理后再进行D/转换和模拟放大，使振动台能够再现的地震波。

2、在选择和设计台面的输人运动时，需要考虑下列有关因素：

(1)试验结构的周期

如果模拟长周期结构并研究它的破坏机理，就要选择长周期分量占主导地位的地震记录或人工地震波，以便使结构能产生多次瞬时共振而得到清晰的变化和破坏形式

(2)结构所在的场地条件

如果要评价建立在某一场地土上的结构的抗震能力，就应选择与这类场地土相适应的地震记录，即要求选择地震记录的频谱特性尽可能与场地的频谱特性相一致，并需要考虑地震烈度和震中距离的影响。在进行实际工程地震模拟振动台试验时，这个条件尤其重要。

(3)考虑振动台台面的输出能力

主要考虑振动台台面的输出的频率范围、最大位移、速度和加速度、台面承载能力等性能，在试验前应认真核查振动台台面特性曲线是否满足试验要求。

3、地震模拟振动台试验的加载过程和试验方法

地震模拟振动台试验的加载过程包括:结构动力特性试验、地震动力反应试验和量测结构不同工作阶段(开裂、屈服、破坏阶段)自振特性变化等试骏内容。

结构动力特性试验，是在结构模型安装在振动台以前，用自由振动法或脉动法进行试验量测。试验时应将模型基础底板或底梁固定。模型安装在振动台上以后则可用小振幅的白噪声输人振动台台面，进行激振试验，量侧台面和结构的加速度反应。通过传递函数、功率谱等频谱分析，求得结构模型的自振频率、阻尼比和振型等参数。也可用正弦波输人连续扫频，通过共振法测得模型的动力特性。当用正弦波扫频试验时，应特别注意由于共振作用对结构模型强度所造成的影响，避免结构开裂或破坏。

根据试脸目的的不同，在选择和设计振动台台面输人加速度时程曲线后，试验的加截过程可以是一次性加载或多次加载的不同方案。

中国地震局工程力学研究所的实验基地

上海软土地震响应的振动台模型试验具体包括哪些内容呢，下面中达咨询招投标老师为你解答以供参考。

近十多年来,随着地下工程数量的增多和地下结构震害的频繁出现,尤其是受到神户地震的启示, 人们对地下结构的抗震能力有了新的认识,并加强了对地下结构建立抗震设计理论与方法的研究①。

历史上发生的大震表明,软土会放大地震的破坏作用,故对于软土地层厚达250~300m的上海地区开展建立地下铁道抗震设计的分析理论和设计方法的研究具有更重要的意义。张雄[1]等在时间域内研究了土-地下结构相互作用体系的三维地震响应;AKIRA[2]等用静态有限元法研究了地下结构的的地震响应。国内学者也加强了对地下结构的抗震性能的研究。马险峰[3]等在国内较早、也较详细的对地下结构的震害进了调查和研究,为建立地下结构的抗震计算理论和方法提供了基础;陈国兴[4]等用子结构法分析了地铁车站结构的地震;张鸿[5]等分析了地铁隧道的非线性地震响应。

杨林德教授进行了上海软土地区典型地铁车站结构振动台模型试验①。该模型试验包括两部分:自由场振动台模型试验和典型地铁车站结构振动台模型试验。前者主要用于模拟自由场地土层的地震反应,以及确定模型箱的工作性能,为进行典型地铁车站结构振动台模型试验提供前提条件;后者则主要用于了解地铁车站与同作用时地震动响应的规律与特征。根据模型试验结果,杨超[6]和刘齐建[7]在平面应变设的基础上研究了上海软土地区地铁车站结构地震响应的计算方法。本文拟对自由场振动台模型试验建立三维计算模型,对其进行三维数值拟合分析,为建立上海软土三维地震响应的数值计算方法奠定基础。

1 自由场振动台模型试验

1.1 试验概况

自由场振动台模型试验[8]模型箱装置如图1所示,为由美国MTS公司生产的三向电液伺服驱动地震模拟振动台。台面尺寸为4.0m×4.0m;最大承载为15t;振动方式为X、Y、Z三向六自由度;频率范围为0.1~50Hz;台面最大加速度为:X向1.2g、Y向0.8g、Z向0.7g。模型箱为高1.2m的中空长方体,沿振动方向净长3.0m,垂直于振动方向净宽2.5m,箱中土体高度1m。

在模型土表面和中部设置了16个加速度传感器,用A表示(图2);并在模型土与箱壁的接触面上布设了4个动土压力传感器,以P表示。试验集到的信息为模型土和模型箱的加速度值以及模型土与模型箱之间的接触压力值。

1.2 模型土的选择与配制

模型土的性能难于在各个方面都与原状土相似,故试验中力求在最大动剪切模量值和动剪切模量与动应变间关系曲线的变化规律两方面使模型土与原状土尽量相似。

本次试验用来制作模型土的材料选取为褐**粉质粘土,原因主要有:(1)这类粘土在上海市区的地表浅层内普遍存在,获取方便,(2)这类粘土干燥时强度较高,遇水后可迅速软化,易于通过调整含水率及密实度使其特性满足对模型土配制的要求。

2 计算模型

2.1 计算区范围的确定

计算区范围与模型箱尺寸一致。模型土长3.35m(激振方向,含两侧泡沫塑料板厚各175mm),宽2.5m,深1.0m,用实体单元对模型土和塑料板划分三维有限差分网格,如图3所示。

2.2 材料本构模型的选取

对重塑土进行动力试验[9]表明上海软土的动应力应变关系遵循“应变软化”规律:动剪切模量随动剪应变的增加而降低,阻尼比则随动剪应变的增加而增加,其关系可用Didenkov模型描述为

其中:A、B和γr为拟合常数;γr亦为参考剪应变,γd为瞬时动剪应变;Gd和λ为瞬时的动剪切模量和阻尼比;Gmax和λmax为最大动剪切模量和最大阻尼比。

本次试验选取褐**粉质粘土作为制作模型土的原料。Didenkov模型参数由试验确定[8],见表1。其泊松比为0.4,密度为1760kg/m3;试验[8]测得泡沫塑料板的动弹性模量为4.13MPa,密度15kg/m3,泊松比0.4,泡沫塑料板选用弹性模型。

2.3 边界条件

由于在激振过程中模型箱的刚度较大,其变形可忽略不计,可认为侧向和底部边界在水平方向上的加速度始终与台面输入的试验波一致。因而计算时所取的动力边界条件为:沿激振方向在模型四个侧面与底面同时施加与振动台台面输入加速度一致的加速度边界;模型底面为竖向固定的边界;顶面为自由变形的边界。

2.4 荷载输入

试验选取三种地震波作为振动台台面输入波,试验加载制度见表2。试验用单向输入激励,在模型底部输入台面波。

3 计算结果与分析

鉴于自由场振动台模型试验中,用于接受激振响应信息的传感器主要是加速度传感器,因此本文仅分析加速度响应规律。

3.1 加速度放大系数

将测点加速度反应的峰值与振动台台面输入的峰值之比定义为加速度反应的放大系数。各加载工况下,土体表面测点A3和一半深度处测点A25的二维[6]、三维数值模拟计算结果列于表3和表4,测点布置图见图2。

从表3、4可以看出:大部分工况下三维计算结果与二维计算结果以及试验结果均吻合较好,相对误差均在10%之内,表明提出的计算方法能较好的模拟模型土的动力响应规律。仅在El-9和SH-10两种工况时二维和三维的计算结果与试验结果有一定的误差,原因可能是地震动输入峰值过大,土的剪切模量衰减较大,从而使得试验过程中土实际的应力应变关系曲线偏离所用的Didenkov模型曲线较大。此外还可看出三维的计算结果大于二维,二维的计算结果大于试验。

3.2 加速度反应时程与富氏谱

图4、5分别为SH-3工况下测点A25的加速度时程曲线及其富氏谱的计算结果与实测结果。由图可见计算结果的波形、幅值与试验结果均基本吻合,两者在各频段的频率组成也基本一致,也表明文中的计算方法能较好的模拟模型土的加速度响应规律。

4 结语

本文对在同济大学进行的上海软土地区地铁车站结构振动台模型试验的自由场振动台试验建立了三维计算模型,分自由场振动台模型试验进行了三维数值拟合分析,得到了模型土的加速度响应规律及模型土与模型箱之间的动土压力,计算结果与实测结果以及按二维模型计算的结果吻合较好,表明本文建立的三维计算模型能较好的模拟模型土的动力特性,为建立计算上海软土三维地震响应的计算方法奠定了基础。对三维计算方法的研究将另文介绍。

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中国地震局工程力学研究所拥有地震模拟、强震动观测、土动力学、伪动力学、岩石力学、材料力学、仪器研制等门类齐全的部门开放实验室。全国唯一自行研制的三向六自由度5米×5米地震模拟振动台是国内最大的地震模拟实验设备，具有国际先进水平。2006年5月，完成了伪动力实验室的土建工程，该实验室长42米，宽24米，高27.5米，建筑面积1950平方米，其规模居全国同类实验室之首。 伪动力实验装置的土建工程由反台座和反力墙、实验室扩建二部分组成与加力系统、测量系统、计算与监测系统共同构成，反力墙和反力台座的规模和试验能力将居国内之首。就反力墙高度而言，在世界上仅次于日本建设省建筑研究所的伪动力试验装置。两个互相垂直的反力墙，可以开展结构和部件的二维伪动力试验研究；长反力墙长达34米，可以进行长大结构的多点加力试验。另外，伪动力实验装置与大型地震模拟台将共同位于同一实验大厅，可以开展结构抗震的综合研究，如桩—土和土—结构相互作、竖向加力的恒位移和恒力控制等方面的研究。