单层钢框架抗震减震振动台实验.docx
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单层钢框架抗震减震振动台实验
单层钢框架抗震减震振动台试验
一、试验目的
1.了解模拟地震振动台的工作原理及动力加载方法；
2.熟悉结构动力测试常用仪器、设备的使用方法；
3.掌握结构动力特性的测试方法；
4.掌握结构动力反应的测试方法；
5.通过滚动隔震了解滚动隔震的减震原理。
二、试验装置及设备
1.单层钢框架模型
2.滚动隔震装置
3.3M*3M单向地震模拟振动台
4.振动测试系统DH5922N
5.电液伺服加载系统
6.加速度传感器
7.位移传感器
8.质量块
单层钢框架模型：
梁柱均采用H型钢（），顶部加设震动方向的两根次梁（选用
L25X25X2角钢）
三、试验方案及测试系统
1.试验方案
1.1工程概况
单层框架尺寸为6MX9.8MX3.3米。
图1钢框架示意图
2.模拟方案
2.1模拟方案选择
动力试验用的结构模型必须根据相似律进行设计，模型动力相似律的建立以
结构运动方程为基础，选择若干主要控制参数作为模拟控制的对象，依据
Buckingham的n定理，经无量纲分析导出控制参数的无量纲积，据此确定各控制参数的相似比率。
结构动力试验的相似模型大致分为四种：
（1）弹塑性模型理论上可以重现结构反应的时间过程，使模型和原型的
应力分布一致，并可模拟结构的破坏。
由于要严格考虑重力加速度对应力反应的
影响，必须满足sa=s=i（s=模型加速度/原型加速度，sg为重力加速度相似系数，各相似系数之间的关系见表1），即模型加速度反应与原型加速度反应一致，这一要求大大限制模型材料的选择。
因为在缩尺模型中，几何比（S）很小，在
Sa=Sg=啲条件下，要满足Sa=S/SSF，即S=S/Sp必须使模型材料的弹模很小或材料密度很大，弹模小导致模型浇筑困难，容易损坏；密度大则要求在模型材料中加入大量铅粉之类容重大的掺合物。
这对大型建筑动力试验模型是难以办到的。
即使弹模或密度满足了相似条件，材料的其他性质如泊松比和阻尼等也难以满足相似关系，所以全相似模型只是一种理想化的模型，在实际工程中很难采用。
（2）用人工质量模拟的弹塑性模型使用原型材料或其他替代材料制作时，SE自然等于1或接近于1,若要满足Sa=Sg=1的条件，材料密度需要加大，故采用人工质量。
人工质量可以产生适当的重力效应和惯性作用，但不影响结构的刚度、强度和阻尼特性。
人工质量若布置得当，可以模拟几何非线性。
因此人工质量模型在地震模拟试验中获得广泛应用，但对于大型建筑物，模型几何比
（S）很小，人工质量将大大超过模型本身的质量，而模型各层空间有限，国内外的绝大多数振动台设备承载能力均难以满足这一要求。
因而在模型设计中常加以改进。
（3）忽略重力效应的弹性模型放弃Sa=Sg=1的条件，忽略重力效应，会
使模型反应失真。
在一般情况下，重力引起的结构效应与水平地震作用效应相比是较为次要的，特别是在结构反应处于小变形阶段不发生明显几何非线性的情况下，忽略重力效应不会造成大的误差。
由于忽略重力效应的模型中相似比Sa>1，
即振动台要有较大的出力，而模型的频率则较高，加载和量测设备要在高频状态下工作。
这种模型对研究弹性状态下的性能比较合适，但本项试验要求模拟结构在7度大震作用下的反应，结构有可能进入非弹性阶段并产生较大位移。
因此不宜采用忽略重力效应的模型。
（4）混合相似模型使用微粒混凝土材料，采用一定的人工质量尽量减少忽略重力效应的影响。
微粒混凝土材料的弹模较原型材料小，而泊松比和阻尼等特性与原型材料相近。
3、模拟方案确定本试验选用混合相似模型的设计方案是较为理想的。
由前述分析可知，结构模型振动台试验的相似关系是根据运动基本方程建立的，相似关系应满足质点运动平衡方程式相似、边界条件相似和运动初始条件相似。
相似关系可采用量纲分析法求得。
对于结构的地震反应问题，可表述为如下函数关系：
-=f（l,E,',t,u,v,a,g,•）
式中：
二为结构反应应力，I为结构构件尺寸，E为构件的弹性模量，'为构件的质量密度，t为时间，u为结构反应变位，v为结构反应速度，a为结构反应加速度，g为重力加速度，•，为结构自振圆频率。
取I,E,a三者为基本量，其余各量均可以此为基础按照量纲分析的原理表示为I,E,a的幕次单项式。
定义A在原型结构中的数值为Ay，在模型中的数值为Am，那么在模型设计中量A的相似比为Sa=Am/Ay。
若使模型试验能模拟原型结构的地震反应，各量的相似比必须满足表1-1中的公式条件。
一般情况下，振动台试验是模型试验，要做到所有物理量完全相似是十分困
难的，甚至是不可能的。
因此在实际试验中只能要求保证主要的物理量相似，不
能要求所有的物理量都严格相似。
根据表1-1（模型/原形=1/5.45原型的相似关系，根据振动台的承载能力，同时估算模型重量后，对模型配重进行初步验算。
其中弹性模量的相似关系需根据模型材料试块的测试结果加以调整。
表1-1模型与原型的相似关系（几何比：
模型/原型=1/5.45）
相似系数
符号
公式
比值（模型/原型）
尺寸
S
模型I/原型1
1/5.45
弹性模量
Se
模型E/原型E
1/1
加速度
Sa
Sa=SeS/Sm
5.45
质量
备
模型m/原型m
1/161.88
时间
St
S収
1/5.45
频率
Sf
Sf=1/St
5.45
速度
Sv
S/=JS|Sa
1
位移
Su
SU=SI
1/5.45
应力
S亦
Sb=SE
1
应变
S名
S"
1
刚度
Sk
Sk=SmSa/S|
1
阻尼
Sc
Sc=SmJSa/S|
1/5.45
4•模型尺寸
钢框架模型尺寸为
图2.框架整体图
注：
1.柱的位置必须严格按照图尺寸制作，否则固定不上
2.
柱上有三个螺栓孔，与下图两种支座结合使用，螺栓采用？
？
，螺栓空稍大螺
栓。
图3固定端支座示意图（固定端支座一共4个）
注：
1•螺栓孔位置必须与柱螺栓孔对应，以便固定
2.固定端下侧与振动台链接，孔的直径30mm
-C
图4滚动隔震支座示意图（滚动支座一共4个）
注：
1•螺栓孔位置必须与柱螺栓孔对应，以便固定
2.下侧与振动台链接，孔的直径30mm
上圈梁埋件
100mm
图5滚动支座尺寸图
5.测点布置
测点的布置主要考虑测试模型的动力特性、结构的地震反应以及关键部位的受力情况和弹塑性变形情况。
因此，需要在适当部位布设加速度传感器、位移传感器及应变片。
5.1测点布置原则
1）模型动力特性的测试
由于在振型分析中只需加速度数据，在测点布置上可仅布置加速度传感器。
测点主要分布在结构模型两个水平主振型方向上，中间点（A点）主要用于单方向主振型的测试，外围点（F点）主要用于空间扭转振型的测试。
2）模型结构地震反应的测试
为了解结构模型在单个方向上的地震反应情况，加速度传感器和位移传感器沿结构的三个方向布置。
在A点布置加速度传感器及位移传感器。
同时为了考虑结构的扭转效应，在F点布置位移传感器。
加速度传感器及位移传感器沿结构高度布置，测点的竖向分布间距以反映结构模型的整体情况为原则。
3）应变测点的布置
应变测点布置在重点观测的柱、梁的杆件上，具体布置根据计算结果，并与设计方商讨确定，监测重点部位的受力情况和弹塑性变形情况。
5.2测点布置方案
模型测点布置根据试验测试项目来进行，在每根钢柱的柱顶、柱底以及靠近柱顶柱底各1/4处和梁端布置应变片，以测量钢梁与柱截面的应变。
结构测点的平面及竖向布置图见图。
模态测试及地震反应测试用加速度传感器测点布置方案见，共有个通道。
应变测点布置在结构复杂连接、转换桁架、主要受力构件、以及防屈曲支撑构件等处。
具体布置方案将根据计算结果与设计方商讨后确定。
四、试验内容
1、钢框架结构动力特性测定
本试验采用两种方法测定钢框架的动力特性。
1）自由振动法：
对钢框架模型施加一个初始位移，突然卸载；或对钢框架
模型施加一个冲击荷载（用榔头敲击钢框架顶层），利用结构的弹性使其自由振动起来。
通过采集记录的自由振动曲线，进行频谱分析你后，可以求出结构的基本频率和阻尼比z。
2）脉动法：
通过采集钢框架模型由于外界环境脉动而产生的微幅振动波形,经过频谱分析，可以得出其动力特性。
表1结构固有频率、阻尼系数
方法7-^
1阶
2阶
3阶
z
自由振动法
脉动法：
242钢框架模型结构动力反应的测定
测定钢框架结构模式在不同荷载作用下顶层位移、楼面加速度、柱角动应变
等，并将结果对比。
表不同荷载作用下结构的动力反应
输入信号正
弦波
位移
加速度
动应变
W1
（mm）
W2
（mm）
A1
（m/s2）
A2
（m/s2）
A3
（m/s2）
A4
（m/s2）
A5
（m/s2）
B1
（u£）
B2
（u£）
频率
hz
幅值
mm
频率
hz
幅值
mm
频率
hz
幅值
mm
243滚动隔震减震实验
在框架的底部安装滚动隔震，测试结构在不同荷载作用下楼面位移，各处加
速度和柱角动应变，并将结果进行对比
位移
加速度
动应变
输入信号正
弦波
隔震
（mm）
非隔
震
（mm）
减震
率（%）
隔震
（m/s2）
非隔震
（m/s2）
减震率
（%）
隔震
（U£）
非隔震
（U£）
减震率
（%）
频率hz
幅值mm
频率hz
幅值mm
频率hz
幅值mm
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