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振动台试验主讲人：李习波、张迪目录一、前言二、常用振动台及特点三、组成及工作原理四、加载设计五、加载过程及试验方法六、观测设计及反应测量七、安全措施八、振动台试验实例一、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；•20世纪60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；•在原子能反应堆、海洋结构工程、水工结构、桥梁等方面发挥重要作用。目录一、前言二、常用振动台及特点三、组成及工作原理四、加载设计五、加载过程及试验方法六、观测设计及反应测量七、安全措施八、振动台试验实例二、常用振动台及特点•常见的振动台分为四类：1、机械式振动台2、电磁式振动台3、电液式振动台4、电动式振动台•振动台，又称振动激励器或振动发生器。一般包括振动台台体、监控系统和辅助设备等。它是一种利用电动、电液压、压电或其他原理获得机械振动的装置。机械式振动台•机械式振动台是一种振动成型机械，适用于各种薄壁构件、杆件空心楼板、大型屋面板、梁、立柱等混凝土预制件的生产成型。•可分为不平衡重块式和凸轮式两类。•这种振动台可以产生正弦振动，其结构简单，成本低，但只能在约5Hz~100Hz的频率范围工作，最大位移为6mm峰-峤值，最大加速度约10g，不能进行随机振动，由于其性能的局限，今后用量会越来越少。电磁式振动台•具有电磁振动发生器的振动台。•广泛适用于国防、航空、航天、通讯、电子、汽车、家电等行业。•该类型设备用于发现早期故障，模拟实际工况考核和结构强度试验，产品应用范围广泛、适用面宽、试验效果显著、可靠。正弦波、调频、扫频、可程式、倍频、对数、最大加速度，调幅，时间控制，全功能电脑控制，简易定加速度/定振幅。精密型设计制造、体积小、超静音工作，机台底座采用优质材料，安装方便，运行平稳，无需安装地脚螺丝；控制电路数字化控制与显示频率，PID调节功能，使设备工作更为稳定、可靠；扫频及定频操作方式，适应不同行业测试要求；增加抗干扰电路，解决因强电磁场对控制电路干扰；增加工作时间设定器，使测试产品达到准确测试时间。电磁式振动台电磁激振器结构示意图电磁振动台组成系统图电液式振动台•工作方式：用小的电动振动台驱动可控制的伺服阀，通过油压使传动装置产生振动。•这种振动台能产生很大的激振力和位移，而且在很低的频率下可得到很大的激振力。•局限性：高频性能较差、上限工作频率低、波形失真较大。虽然可以做随机振动，但随机振动激振力的rms额定值只能为正弦额定值的1/3以下。•这种振动台因其大推力、大位移可以弥补电动振动台的不足，在未来的振动试验中仍然发挥作用，尤其是在船舶和汽车行业会有一定市场。电液振动台工作原理电动式振动台•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。电动式振动台目录一、前言二、常用振动台及特点三、组成及工作原理四、加载设计五、加载过程及试验方法六、观测设计及反应测量七、安全措施八、振动台试验实例模拟地震振动台示意图三、组成及工作原理三、组成及工作原理1、振动台台体结构2、液压驱动和动力系统3、控制系统4、测试和分析系统•振动台的控制方式分为：模拟控制：以位移控制为基础的PID和以位移、速度、加速度组成的三参量反馈控制方式。数控：主要采用开换迭代进行台面的地震波再现。三、组成及工作原理PID控制方式的振动台系统三参量控制方式的振动台系统地震模拟振动台加速度控制系统图振动台的三维地震模拟系统目录一、前言二、常用振动台及特点三、组成及工作原理四、加载设计五、加载过程及试验方法六、观测设计及反应测量七、安全措施八、振动台试验实例四、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，不能达到预期目的。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。•在选择和设计台面的输入运动时，需要考虑下列有关因素：试验结构的周期结构所在的场地条件考虑振动台台面的输出能力四、加载设计目录一、前言二、常用振动台及特点三、组成及工作原理四、加载设计五、加载过程及试验方法六、观测设计及反应测量七、安全措施八、振动台试验实例五、加载过程及试验方法•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。•结构动力特性试验，是在结构模型安装在振动台以前，采用自由振动法或脉动法进行试验量测。五、加载过程及试验方法1、一次性加载特点：结构从弹性阶段、弹塑性阶段直至破坏阶段的全过程是在一次加载过程中全部完成的。可以较好地连续模拟结构在一次强烈地震中的整个表现与反应。五、加载过程及试验方法2、多次性加载目前，在地震模拟振动台试验中，大多数的研究者都采用多次性加载的方案进行试验研究。一般情况下可以分为以下几个阶段:（1）动力特性试验；（2）振动台台面输入振动信号，使结构产生微裂缝；（3）加大台面输入的振动信号，使结构产生中等程度的开裂。（4）加大台面输入的加速度幅值，使结构变为机动机构，但结构还具有一定的承载能力。（5）继续加大振动台台面的振动幅值，使结构变为机动机构，若稍加荷载就会发生破坏倒塌。目录一、前言二、常用振动台及特点三、组成及工作原理四、加载设计五、加载过程及试验方法六、观测设计及反应测量七、安全措施八、振动台试验实例六、观测设计及反应测量•地震模拟振动台试验，一般需观测结构的有：加速度位移应变反应结构的开裂部位裂缝的发展结构的破坏部位破坏形式目录一、前言二、常用振动台及特点三、组成及工作原理四、加载设计五、加载过程及试验方法六、观测设计及反应测量七、安全措施八、振动台试验实例七、安全措施•试件设计时应进行吊装验算，避免试件在吊装过程中发生破坏.•试件与振动台的安装应牢固，对安装螺栓的强度和刚度应进行验算。•试验人员在上下振动台台面时应注意台面和基坑地面之间的间隙，防止发生坠人或摔伤事故。•传感器应与试件牢固连接，并应采取预防掉落的措施，避免因振动引起传感器掉落或损坏。•有可能发生倒塌的试件，应在振动台四周铺设软垫，并利用吊车通过绳索或钢丝绳进行保护，防止试件倒塌时损坏振动台和周围设备。进行倒塌试验时，应将传感器全部拆除、同时认真做好摄像记录工作。•试验过程中应做好警戒标志，防止与试验无关的人员进入试验区。目录一、前言二、常用振动台及特点三、组成及工作原理四、加载设计五、加载过程及试验方法六、观测设计及反应测量七、安全措施八、振动台试验实例八、振动台试验实例•上海星海大厦位于江宁路普陀路口，该大厦地下2层，地上24层(局部25层)，立面从4层至20层开有巨大门洞。由于受建筑造型的限制，结构采用门式结构，两门框之间成20°。试验模型为l:25微粒混凝土整体模型。通过模拟地震振动台试验研究该结构的自振频率、振型，研究结构在遭受7度多遇、基本烈度和罕遇地震作用时的加速度、位移和应变反应以及结构的开裂、破坏部位和破坏形式。上海星海大厦模型（1）模型设计与制作结构动力模型设计时，很难完全满足模型与原型之间的相似关系。该试验主要研究地震时结构的性能，因此设计主要应满足抗侧力构件相似关系。物理量相似系数物理量相似系数长度1/25弹性模量1/3.516时间0.075应力1/3.516频率13.333位移1/25密度1.0加速度7.110表1模型相似系数•模型主体采用微粒混凝土和镀锌铁丝制作；•墙、柱、梁、板等构件尺寸及配筋由相似关系计算得出；•柱中纵向钢筋与箍筋的连接采用焊锡焊接；•梁、板中配有点焊铁丝网或镀锌铁丝；•由于模型比例较小，制作精度要求较高，因此对施工精度有特殊要求。该模型外模采用有机玻璃板，可以在浇筑过程中及时发现问题，保证浇筑密实。内模采用泡沫塑料。使用这种材料易于拆模。（2）振动台试验方法①试验采用的波形上海星海大厦场地类别为IV类场地土。根据原型场地条件以及原型结构的动力特性，输入波形选用EL-Centro波、San-Fernando波及拟合规范反应谱的人工地震波。试验时，分为多遇地震、基本烈度地震和罕遇地震三种加速度，依次输入上述三种波形。②测点布置沿模型高度在3个主轴方向布置了23个加速度传感器。测量模型的加速度反应，同时布置了21片应变片，测量模型关键部位主要构件的应变反应。（3）试验结果①试验现象②模型动力特性该结构的自振特性有以下特点：频率序号123456频率（Hz）9.76613.02139.71441.66743.62048.177阻尼比0.04230.05780.03190.02440.01390.0157振型形式斜向扭转X向东塔Y东塔X西塔Y表2模型自振频率及阻尼比①模型的第一振型为斜向振型。其他振型多为空间振型。②东、西塔楼有各自的局部振动，由于两塔楼的质量和刚度不完全一致(施工和使用所至)，使两塔楼的自振频率有差异，结构的振型密集。（4）模型加速度反应①结构东、西两方面的加速度反应不一致，在两塔楼的中部，加速度反应较大，且随着开裂程度的加剧，自振频率降低。②动力放大系数随地震烈度提高而减小，说明模型刚度下降，阻尼增大，结构进入非线性阶段后，使动力放大系数有所降低。③在相同烈度水平下，模型加速度反应一般以输入人工波时为最大。（5）模型位移反应①模型东、西两侧位移反应不一致，产生的原因主要是：a、结构不对称；b、结构反应为空间反应(翘曲，扭转等)。②在同一烈度的不同地震波作用下，模型的位移反应一般以输入人工波时位移反应最大。（6）模型应变反应①剪力墙应变②柱应变③梁应变由21层深梁底应变反应可知，门洞处深梁跨度小应力大，跨度大应力小。总之，结构中剪力墙的应变反应最大，为梁、柱应变反应的两倍多，因此在试验中剪力墙首先开裂，且破坏最为严重。谢谢～