下载文档原格式
钢框架抗震减振振动台实验钢框架抗震减振振动台实验一、实验目的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. 通过减振实验了解阻尼器的耗能原理。
二、实验装置及设备：1. 四层钢框架模型；2. 调谐液体阻尼器（TLD ）装置；3. VD 液体油阻尼器4个：MRD4. TMD ：1个5. 1.5×1.5M 单向地震模拟振动台；6. 振动测试系统DH-5938；7. 动应变测试系统DH-5937；8. 电液伺服控制加载系统；9. 压电式加速度传感器； 10. 位移传感器； 11. 电阻应变计。
12. 质量块四层钢框架模型：a) 梁、柱均采用□30×20×2方管，活动支撑选用∟25×25×2角钢，梁柱节点处焊接80×80×5的支撑连接板。
钢框架底层柱角通过螺栓与振动台固定连接。
b) 各层楼板采用预制混凝土板（见图2-2），板的四角均设预埋件，便于固定连接，板重量误差±10N 。
TLD装置位移传感器1．加载控制系统采用1.5×1.5M单向地震模拟振动台1)每层钢框架楼板上固定安装一个压电式加速度传感器2)顶层及底层各安装一个位移传感器3)四柱脚及底层斜撑中部贴上电阻应变计本套实验的试件钢框架，可通过装卸支撑，组成多种结构型式，开展多项实验项目。
以下为三种最常见形式：模式一：不加支撑；模式二：加单根支撑；模式三：加双根支撑（图3）。
图3 测试系统图四、实验内容1、钢框架结构动力特性测定本实验采用两种方法测定钢框架不同结构形式（模式一、模式二、模式三）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。
钢框架整振动台实验实验心得
前不久，我们做了钢框架整振动台实验，实验过后有一些心得，做了以下记录。
当钢框架整振动台台面输入加速度峰值在0.19时，模型房屋X方向的外挂墙板拼缝、连接节点、窗洞U的加固扁钢和角钢及其锚接铁钉均完好，没有观察到裂缝、节点松动等破坏情况。
当钢框架整振动台台面输入加速度峰值在0.4g 时，墙板墙面在窗洞边缘的墙板拼缝处都出现了垂直裂缝，表面批土开始剥落，窗洞加固扁钢开始发生变形，但用角钢加固的窗洞没有观察到角钢有明显变形。
总之，从钢框架整振动台实验的整个过程来看，在初始阶段，墙板墙和砌体墙的存在都对主结构的刚度有一定的影响，其中砌体墙的影响更大，这和砌体墙是嵌砌在钢框架柱内而墙板是二点外挂在框架上的结构形式有关。
而且随着台面输入振动波加速度峰值的提高，墙板墙和砌体墙的裂缝逐渐扩展，墙板墙和砌体墙对结构的刚度的影响随裂缝的开展表现截然不同，墙板墙在开裂前后刚度的退化幅度相差很大，而砌体墙在开裂前后刚度的退化幅度一直都比较恒定。
我觉得这次钢框架整振动台实验非常有意义。
2023-11-07contents •引言•设备钢框架土体系振动台设计•子结构试验•数值模拟与分析•振动台子结构优化设计•结论与展望目录01引言研究背景与意义设备钢框架土体系在土木工程中的应用越来越广泛，对其振动特性的研究具有重要的理论和实践意义。
地震等外力作用下，设备钢框架土体系的振动特性对其稳定性和安全性具有决定性影响。
研究设备钢框架土体系的振动特性，有助于提高工程结构的抗震性能，保障人民生命财产安全。
010203研究现状与发展国内外学者针对设备钢框架土体系的振动特性进行了大量研究，取得了丰硕的成果。
现有的研究主要集中在简化模型分析、实验研究等方面，缺乏对复杂工况下设备钢框架土体系振动特性的系统研究。
随着高性能计算技术的发展，数值模拟成为研究设备钢框架土体系振动特性的重要手段。
010302研究内容与方法研究方法采用理论分析、实验研究和数值模拟相结合的方法，对设备钢框架土体系进行深入研究。
研究内容本文旨在研究复杂工况下设备钢框架土体系的振动特性，分析其动力响应和稳定性，并提出相应的控制策略。
理论分析建立设备钢框架土体系的简化模型，对其进行动力学分析，推导其振动方程。
数值模拟利用有限元软件建立设备钢框架土体系的数值模型，对其进行多因素耦合分析，揭示其振动特性和控制策略。
实验研究设计地震动输入下的实验，测试设备钢框架土体系的振动响应和稳定性。
02设备钢框架土体系振动台设计振动台结构由台体、振动器、控制器、传感器等组成。
工作原理通过振动器产生激振力，使台体产生振动，实现模拟地震等动荷载的作用。
振动台基本结构及工作原理钢框架结构设计钢框架结构类型采用钢结构框架，具有较高的强度和刚度。
结构设计要点考虑地震作用、风载作用、自重等荷载因素，进行结构分析和优化。
土体模型与边界条件土体模型采用实体模型或数值模型模拟土体的力学性质和变形特征。
边界条件通过固定支撑、弹性支撑等边界条件限制土体的位移和应力，保证试验结果的准确性。
振动台试验全过程介绍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。
![钢框架抗震减震振动台实验[详细]](https://uimg.taocdn.com/f1f474c1f46527d3240ce0c8.webp)
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DH5922N5.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L25×25×2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6M×9.8M×3.3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π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S a=S g=1（S a=模型加速度/原型加速度，S g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 l）很小，在Sa=Sg=1的条件下，要满足Sa=S E/S l Sρ=1，即S l=S E/Sρ，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。
钢隔震墩框架振动台试验研究尚守平; 罗惟贤; 王振; 肖逸夫【期刊名称】《《铁道科学与工程学报》》【年(卷),期】2019(016)008【总页数】9页(P2043-2051)【关键词】钢筋混凝土框架; 钢隔震墩; 地震模拟振动台试验; 隔震效果【作者】尚守平; 罗惟贤; 王振; 肖逸夫【作者单位】湖南大学土木工程学院湖南长沙 410082【正文语种】中文【中图分类】TU352基础隔震是在基础上部与结构底部之间设置隔震装置，使结构自振周期增大，隔离地基向上部结构的地震能量的传输，从而降低结构的地震反应，达到保护结构安全的目的[1−4]。
20世纪70年代Robinson等[5]针对结构抗震能力不足的问题，根据基础隔震理论，发明铅芯橡胶隔震支座。
唐家祥等[6]针对黏结型叠层橡胶隔震支座工艺复杂的问题，对工艺较为简单的无黏结型叠层橡胶隔震支座进行了可靠性试验研究，证明了其合理性。
周锡元等[7]针对橡胶支座发生大变形失稳破坏的问题，发展了滑动橡胶隔震体系。
张文芳等[8]为探究基础滑移体系隔震效果，对采用滑动橡胶支座隔震砖房进行振动台试验研究，证明了基础滑移体系具有良好隔震效果。
Ceccoli等[9]对高阻尼橡胶隔震支座框架结构进行地震反应分析，证明了高阻尼橡胶隔震支座适用于框架结构。
从当前理论及运用情况分析[10]，叠层橡胶隔震支座作为基础隔震体系运用最为广泛，但其较为高昂的造价不适宜于在我国农村地区的大量推广。
尚守平等[11−12]针对此不足，提出了一种适用于农村低层房屋的钢筋−沥青隔震层技术，进行足尺隔震砌体结构振动台试验[13]，并已成功运用于实际工程[14]。
为将此技术运用于框架结构[15]。
根据框架结构的特点，提出一种适用于框架结构隔震的新型钢隔震墩。
在振动台面和上部框架柱底部之间设置此钢隔震墩作为基础隔震层，并制作2层单开间钢筋混凝土框架模型，框架的底层地面标高制作1层楼板，按照几何尺寸1:2进行缩尺，进行地震模拟振动台试验。
框架结构TLD减振设计与振动台试验测试张吉兆;杨明飞;徐国耀【摘要】研究调谐液体阻尼器的工作特性,验证该类型阻尼器的耗能能力.对6层混凝土框架结构进行ANSYS建模,并进行模态分析和7度罕遇地震下结构的顶点最大位移响应分析,确定结构的模态分布和容易损坏的位置.实体模型振动台试验测试结果表明,合理安装TLD阻尼器对于框架结构减振效果明显,顶点最大位移降低38.1％,同时顶点最大加速度降低44.0％.【期刊名称】《重庆科技学院学报（自然科学版）》【年(卷),期】2015(017)002【总页数】4页(P99-101,108)【关键词】调谐液体阻尼器;工作特性;振动台测试;框架结构【作者】张吉兆;杨明飞;徐国耀【作者单位】安徽理工大学土木建筑学院,安徽淮南232001;安徽理工大学土木建筑学院,安徽淮南232001;安徽理工大学土木建筑学院,安徽淮南232001【正文语种】中文【中图分类】TU352.1调谐液阻尼器(TLD)是一种被动控制装置，在高层建筑和高耸结构的风振、地震控制中得到较广泛的应用，控制效果良好［1-3］。
国内外学者在TLD减震系统方面已做了大量研究。
2000年，李宏男将安装于建筑物顶部的水箱设计成为悬吊式水箱，利用水箱中水的振动和水箱摆动耗能来减小建筑结构的地震反应，建立了体系的分析计算模型，推导出其动力反应的运动方程，试验研究结果表明此装置对结构的相对位移和加速度均有很好的减震效果［4］。
2006年，密苏里大学土木工程系陈根达对控制中的钢结构振动台模型进行试验研究。
通过钢结构的振动台模型试验，研究了在刚性地基条件下矩形TLD对结构地震反应的减震机理和减震效果，为进一步研究结构相互作用对结构TLD减震控制效率影响的振动台模型试验提供对比数据。
同时试验表明，在水箱中设置铁丝网有助提高TLD的减震效率;地震动的频谱特性和峰值加速度对TLD的减震效率有重要影响。
贾影等人通过理论分析与计算，研究了对应于不同频率的TLD装置参数的选取，讨论了各参数对TLD振动控制作用的影响，给出了对应于一定荷载频率范围TLD对结构振动控制作用较好的参数取值范围。
巨型钢结构隔震体系的数值分析与振动台试验研究随着城市化进程的不断加快，巨型钢结构建筑的应用越来越广泛。
然而，由于建筑结构的巨大质量，地震对其破坏性较大。
因此，研究巨型钢结构的抗震寿命是一个非常重要的课题。
本文旨在通过数值分析和振动台试验的方法，研究巨型钢结构隔震体系的抗震性能。
首先，通过数值分析的方法，可以用计算机模拟巨型钢结构在地震时产生的动力响应。
这种方法可以通过输入不同的地震波，研究结构在不同地震强度下的动力响应。
通过数值模拟，可以研究巨型钢结构在地震作用下的变形和位移，进一步探讨其在地震中的抗震性能。
其次，振动台试验是研究结构抗震性能的经典方法之一、通过在振动台上模拟地震振动，可以直接观察和测量巨型钢结构的动力响应。
通过对比试验前后的结构位移和变形，可以评估巨型钢结构隔震体系的抗震性能。
此外，还可以通过在振动台试验中模拟不同地震波形，研究巨型钢结构在不同地震条件下的动力响应。
在进行数值分析和振动台试验时，需要选择合适的数值模型和试验方案。
对于数值分析，一般可以采用有限元方法来建立数值模型。
通过选择合适的网格大小和材料参数，可以得到较为准确的模拟结果。
对于振动台试验，需要选择合适的试验台和试验装置，以及合适的地震波。
此外，还需要测量和记录试验过程中的结构位移、变形等参数。
通过数值分析和振动台试验的研究，可以得到巨型钢结构隔震体系的抗震性能参数，如刚度、阻尼比等。
同时，还可以评估不同隔震体系的抗震性能，为实际工程设计和施工提供参考。
总之，通过数值分析和振动台试验的研究，可以深入探究巨型钢结构隔震体系的抗震性能。
这将对提高巨型钢结构的抗震能力，保障人民生命财产安全有着重要的意义。
框架减震结构实验报告背景介绍框架减震结构是一种在地震或其他外部振动作用下，通过结构上设置减震器来减少结构受力、降低地震响应的结构工程设计方法。
本实验旨在通过测试不同类型的减震器对结构的影响，评估其性能和效果。
实验步骤1. 实验准备：搭建实验所需的框架结构，框架结构包括主梁、副梁和柱子等部件，并将不同种类的减震器安装在结构上。
2. 实验测量：在不同减震器安装的结构上，设置加速度传感器以测量结构受力情况；同时，通过对结构施加外部振动，记录结构的振动响应。
3. 实验数据分析：根据测得的振动数据，分析不同减震器对结构响应的影响，比较其减震效果。
实验结果框架结构未安装减震器的响应在未安装减震器的情况下，框架结构在外部振动作用下，振动响应较大，梁和柱等部件受力较高。
弹簧减震器的响应安装弹簧减震器后，框架结构的振动响应明显减小，弹簧能够缓冲结构受力，减少震动的传递。
液压减震器的响应与弹簧减震器类似，液压减震器也能够有效减小结构的振动响应。
液压减震器通过液压缸的阻尼效应，吸收和消散结构的振动能量。
摩擦减震器的响应摩擦减震器采用摩擦力原理，通过摩擦效应消耗结构振动的能量。
实验结果显示，摩擦减震器对结构的振动响应有显著的减小作用。
结论通过对不同类型的减震器实验的测试与比较，可以得出以下结论：1. 安装减震器的框架结构能够有效地减小振动响应，降低结构受力情况。
2. 不同类型的减震器在减震效果上存在差异，弹簧减震器、液压减震器和摩擦减震器在减小结构振动各方面表现出较好的效果。
3. 框架减震结构在地震等外部振动作用下能发挥重要的抗震作用，减少结构的振动响应。
基于以上实验结果，框架减震结构在工程实践中可以应用于地震区的建筑物和其他需要抗振设计的结构中，以提高结构的抗震性能和安全性。
第３３卷第６期２０２０年１２月常州工学院学报ＪｏｕｒｎａｌｏｆＣｈａｎｇｚｈｏｕＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＶｏｌ.３３㊀Ｎｏ.６Ｄｅｃ.２０２０ｄｏｉ:１０.３９６９/ｊ.ｉｓｓｎ.１６７１￣０４３６.２０２０.０６.００６收稿日期:２０２０￣０９￣０２基金项目:国家自然科学基金项目(５１２７８２５９)ꎻ江苏省产学研合作项目(ＢＹ２０１９０８７)作者简介:厉见芬(１９７６ ㊀)ꎬ女ꎬ山东日照人ꎬ博士研究生ꎬ副教授㊁高级工程师㊁国家一级注册结构工程师ꎬ８２０７６９６９４＠ｑｑ.ｃｏｍꎬ主要研究方向为工程结构抗震ꎮ盖板加强型新型延性钢框架振动台试验模型等效设计厉见芬１ꎬ２ꎬ王燕２ꎬ冯宁宁１ꎬ陈晓２(１.常州工学院土木建筑工程学院ꎬ江苏常州２１３０３２ꎻ２.青岛理工大学土木工程学院ꎬ山东青岛２６６０３３)摘要:新型延性钢框架因其良好的抗震性能在地震高烈度区应用优势明显ꎬ文章介绍缩尺比例为１ʒ２的考虑楼板效应的盖板加强型新型延性钢框架振动台试验模型等效设计的关键问题ꎬ包括原型与模型的相似率应用㊁有限元数值模拟㊁地震波的缩放㊁欠人工质量模型的设计㊁模型与振动台的连接支座设计㊁动静态测试分析系统的应用等ꎬ以促进此类延性钢框架的设计理论发展与工程应用ꎮ关键词:新型延性钢框架ꎻ振动台试验模型ꎻ等效设计ꎻ相似关系中图分类号:ＴＵ３５２.１１㊀㊀㊀文献标志码:Ａ㊀㊀文章编号:１６７１￣０４３６(２０２０)０６￣００２０￣０６ＯｎｔｈｅＥｑｕｉｖａｌｅｎｔＤｅｓｉｇｎｏｆｔｈｅＶｉｂｒａｔｉｏｎＴａｂｌｅＴｅｓｔＭｏｄｅｌｏｆＮｅｗＤｕｃｔｉｌｅＳｔｅｅｌＦｒａｍｅＲｅｉｎｆｏｒｃｅｄｗｉｔｈＣｏｖｅｒＰｌａｔｅＬＩＪｉａｎｆｅｎ１ꎬ２ꎬＷＡＮＧＹａｎ２ꎬＦＥＮＧＮｉｎｇｎｉｎｇ１ꎬＣＨＥＮＸｉａｏ２(１.ＳｃｈｏｏｌｏｆＣｉｖｉｌａｎｄＡｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬＣｈａｎｇｚｈｏｕＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬＣｈａｎｇｚｈｏｕ２１３０３２ꎻ２.ＳｃｈｏｏｌｏｆＣｉｖｉｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬＱｉｎｇｄａｏＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬＱｉｎｇｄａｏ２６６０３３)Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｂｅｃａｕｓｅｏｆｉｔｓｇｏｏｄｓｅｉｓｍｉｃｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅꎬｔｈｅｎｅｗｄｕｃｔｉｌｅｓｔｅｅｌｆｒａｍｅｈａｓｏｂｖｉｏｕｓａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎａｄｖａｎｔａｇｅｓｉｎｈｉｇｈ￣ｉｎｔｅｎｓｉｔｙｓｅｉｓｍｉｃａｒｅａꎬｔｈｉｓｐａｐｅｒｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓｓｅｖｅｒａｌｋｅｙｑｕｅｓｔｉｏｎｓｏｆｔｈｅｅｑｕｉｖａｌｅｎｔｄｅｓｉｇｎｏｆｔｈｅｖｉｂｒａｔｉｏｎｔａｂｌｅｔｅｓｔｍｏｄｅｌｏｆｎｅｗｄｕｃｔｉｌｅｓｔｅｅｌｆｒａｍｅｗｉｔｈｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｃｏｖｅｒｐｌａｔｅꎬｔｈｅｓｃａｌｅｒａｔｉｏｏｆ１ʒ２ꎬｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｆｌｏｏｒｓｌａｂꎬｉｎｃｌｕｄｉｎｇｔｈｅｓｉｍｉｌａｒｉｔｙｒａｔｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｐｒｏｔｏｔｙｐｅａｎｄｍｏｄｅｌꎬｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎꎬｓｃａｌｉｎｇｏｆｓｅｉｓｍｉｃｗａｖｅｓꎬｄｅｓｉｇｎｏｆｌｅｓｓａｒｔｉｆｉｃｉａｌｑｕａｌｉｔｙｍｏｄｅｌꎬｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎｄｅｓｉｇｎｆｏｒｔｈｅｍｏｄｅｌａｎｄｖｉｂｒａｔｉｎｇｔａｂｌｅꎬａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｄｙｎａｍｉｃａｎｄｓｔａｔｉｃｔｅｓｔａｎａｌｙｓｉｓｓｙｓｔｅｍꎬｅｔｃ.ꎬｐｒｏ￣ｍｏｔｅｓｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｄｅｓｉｇｎｔｈｅｏｒｙａｎｄｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｔｈｉｓｋｉｎｄｏｆｄｕｃｔｉｌｅｓｔｅｅｌｆｒａｍｅ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｓｔｅｅｌｆｒａｍｅｓｗｉｔｈｄｕｃｔｉｌｅｎｏｄｅｓꎻｖｉｂｒａｔｉｏｎｔａｂｌｅｔｅｓｔｍｏｄｅｌꎻｅｑｕｉｖａｌｅｎｔｄｅｓｉｇｎꎻｓｉｍｉｌａｒｒｅｌａ￣ｔｉｏｎｓｈｉｐ㊀０㊀引言目前ꎬ国内外对平面钢框架延性节点连接的试验和理论研究工作较多ꎬ国外有学者采用拟静力试验方法研究了盖板加强型和翼缘板加强型节点连接在低周往复荷载作用下的抗震性能[１－３]ꎬ国内学者的试验研究多集中于未考虑楼板效应的滞回耗能试验和拟动力试验等ꎬ对考虑楼板效应的新型延性空间钢框架的振动台试验及抗震性能研究很少ꎮ第６期厉见芬ꎬ等:盖板加强型新型延性钢框架振动台试验模型等效设计对铺设组合楼板的新型延性空间钢框架缩尺模型和普通钢框架缩尺模型分别进行振动台试验ꎬ需根据相似关系设置合理的人工质量ꎬ并输入典型地震波来模拟实际工程结构在水平地震作用下的破坏机理ꎬ以研究两种模型结构的滞回㊁退化等抗震性能以及关键部位的损伤特点ꎮ通过分析两种模型的振动台试验结果ꎬ对比盖板加强型延性钢框架与普通钢框架的应变发展路径㊁塑性铰出现的位置㊁楼层位移反应㊁基底剪力㊁楼层加速度反应㊁频率阻尼变化规律等ꎬ以促进此类延性钢框架的设计理论发展与工程应用ꎬ并为相应规范修订提供参考ꎮ１㊀模型设计制作与试验条件本文设计的模型为:抗震设防烈度８度(０.３ｇ)ꎬ分组为第一组ꎬ场地类别Ⅲ类地区的办公楼或住宅ꎬ楼面使用活荷载２.０ｋＮ/ｍ２ꎬ框架结构ꎬ平面轴网尺寸４.８ｍˑ７.２ｍ㊁层高３.６ｍ＋３.３ｍꎮ该模型符合«建筑抗震设计规范»(ＧＢ５００１１２０１０)㊁«钢结构设计标准»(ＧＢ５００１７ ２０１７)ꎮ考虑到振动台的台面尺寸对模型结构的限制以及分析问题的精度需要ꎬ按照１ʒ２缩尺进行三维模型设计ꎬ并采用有限元分析软件ＡＮＳＹＳ１０.０对三维模型在水平地震作用下的各项反应进行对比分析ꎮ模型材质为Ｑ２３５Ｂ钢ꎬ与原型结构相同ꎬ因模型构件截面较小ꎬ钢板厚度较薄ꎬ采用普通的焊接加工工艺难以实现ꎬ故本框架钢柱(ＧＺ１)㊁钢梁(ＧＬ１㊁ＧＬ２)均采用国标普通高频焊接ＬＨ型钢ꎬＧＺ１规格为ＬＨ１５０ｍｍˑ１５０ｍｍˑ４.５ｍｍˑ６.０ｍｍꎬＧＬ１规格为ＬＨ１５０ｍｍˑ１００ｍｍˑ３.２ｍｍˑ４.５ｍｍꎬＧＬ２规格为ＬＨ１００ｍｍˑ１００ｍｍˑ３.２ｍｍˑ４.５ｍｍꎬ钢框架盖板加强区节点构造如图１所示ꎬ１ʒ２缩尺后的三维钢框架平面㊁立面如图２所示ꎬ楼板采用闭口型压型钢板组合楼盖ꎬ如图３所示ꎮ图１㊀盖板加强型框架节点详图(单位:ｍｍ)㊀图２㊀钢框架平立面图(单位:ｍｍ)㊀１２常州工学院学报２０２０年图３㊀组合楼盖示意图(单位:ｍｍ)㊀㊀㊀本试验在南京工业大学的江苏省土木工程防灾减灾重点实验室进行ꎬ试验所用振动台由美国ＭＴＳ公司生产ꎬ控制系统来自美国ＳＤ公司ꎬ激振方向为水平向ꎬ其主要性能参数指标如表１所示ꎮ三维钢框架试验模型与振动台的连接如图４㊁５所示ꎮ表１㊀南工大振动台系统的主要性能参数指标性能参数指标最大试件质量/ｔ１５台面尺寸/(ｍˑｍ)３.３６ˑ４.８６激振方向Ｘ㊁Ｙ两方向控制自由度单自由度最大驱动位移/ｍｍ水平:ʃ８０ꎻ竖向:ʃ５０最大驱动速度/(ｍｍ ｓ－１)水平:ʃ６００ꎻ竖向:ʃ３００最大驱动加速度Ｘ:１.０ｇꎻＹ:１.０ｇ频率范围/Ｈｚ０.１~５０最大倾覆力矩/(ｔ ｍ)４５图４㊀框架柱脚振动台布置图㊀图５㊀柱脚与振动台连接详图(单位:ｍｍ)㊀２２第６期厉见芬ꎬ等:盖板加强型新型延性钢框架振动台试验模型等效设计２㊀模型制作与材性试验试验前需明确钢框架的每根钢柱与钢梁的翼缘板和腹板的材性ꎬ由于试验模型的钢梁钢柱的截面尺寸较小ꎬ且钢板厚度较薄ꎬ采用普通焊接工艺难以满足要求ꎬ故均采用高频焊接Ｈ型钢ꎬ为保证结果的一致性ꎬ直接从制作试验模型的同批构件中截取板材加工成拉伸试件ꎬ并对试件的表面做喷丸除锈处理ꎮ同一厚度的钢板做一组试验ꎬ每组试验取３个试样ꎮ翼缘板和腹板的材性试验采用单向拉伸试验ꎬ主要测定项目为弹性模量㊁屈服强度㊁屈服应变㊁极限抗拉强度㊁极限应变㊁伸长率和颈缩率等ꎬ为理论和试验数据对比分析提供相关参数ꎮ３㊀试验模型人工质量等效与相似关系３.１㊀欠人工质量试验模型在设计振动台试验的模型结构时ꎬ不能忽略非结构构件和活荷载等因素的影响而只等效模拟原型结构中的结构构件ꎬ否则会导致欠缺相应的质量效应[４－５]ꎮ欠缺的此部分质量和模型结构的缩尺导致的重力效应欠缺等ꎬ可通过设置人工质量来进行弥补ꎮ而对于原型结构自身较重的或者采用较大缩尺比例的模型结构ꎬ考虑振动台的承载能力ꎬ若无法设置足够的人工质量ꎬ则只能采用欠人工质量模型[６－７]ꎮ本试验模型对应的原型结构构件总质量ｍｐ＝３３.０７ｔꎬ活载和非结构构件总质量ｍｏｐ＝３３ ３１ｔꎬ模型质量ｍｍ＝５.１３ｔꎬ模型底座质量ｍｂ＝０.５０ｔꎬ模型与原型材质相同ꎬ故弹性模量相似比Ｅｒ＝１.０ꎬ模型缩尺比例为１ʒ２ꎬ故长度相似比ｌｒ＝０.５０ꎮ若采用人工质量模型ꎬ则需要的人工质量ｍａ为:ｍａ＝Ｅｒｌ２ｒ(ｍｐ＋ｍｏｐ)－ｍｍ＝１.０ˑ０.５０２ˑ(３３.０７＋３３.３１)－５.１３＝１１.４７(ｔ)ꎮ此时振动台台面总质量Ｍ为:Ｍ＝ｍｍ＋ｍａ＋ｍｂ＝５.１３＋１１.４７＋０.５０＝１７.１０(ｔ)ꎮ综上ꎬ台面总质量１７.１０ｔ比振动台的最大承载力１５ｔ超出２.１０ｔꎬ故模型结构只能采用欠人工质量模型ꎬ现把对模型结构施加的人工质量ｍａ调整为９.２５ｔꎬ则振动台台面总质量Ｍ为:Ｍ＝ｍｍ＋ｍａ＋ｍｂ＝５.１３＋９.２５＋０.５０＝１４ ８８(ｔ)ꎮ此时ꎬ不超过振动台台面最大承载力ꎬ满足要求ꎬ且所施加的人工质量为８０.６％的理论人工质量ꎬ即模型的重力效应可达到应有重力效应的８０.６％ꎬ远大于５０.０％[８－９]ꎬ即本试验所设计的欠人工质量模型适当可行ꎬ预计可以较好地反映原型结构的各项抗震性能指标和动力特性ꎬ达到预期效果ꎮ３.２㊀模型相似关系确定因振动台试验多为缩尺模型试验ꎬ其试验结果的可靠性取决于试验模型能否真实地再现原型的实际工作状态ꎬ故需要对二者之间的相似关系进行设计ꎬ包括几何形状㊁材性㊁支座条件㊁荷载以及运动初始条件的相似设计等ꎮ为确保振动台模型试验能较好地模拟原型结构的各项地震反应ꎬ各无量纲量的相似比必须满足以下条件[６]５４:模型结构的等效质量密度比:㊀㊀ρ－ｒ＝ｍｍ＋ｍａｌ３ｒ(ｍｐ＋ｍｏｐ)ꎻ应力比:σｒ＝Ｅｒꎻ变位比:γｒ＝ｌｒꎻ时间比:ｔｒ＝ｌｒρ－ｒꎻ速度比:νｒ＝Ｅｒ/ρ－ｒꎻ加速度比:ɑｒ＝Ｅｒ/(ｌｒρ－ｒ)＝ｇｒꎻ频率比:ωｒ＝Ｅｒ/ρ－ｒ/ｌｒꎮ本试验模型等效质量密度比为ρ－ｒ＝ｍｍ＋ｍａｌ３ｒ(ｍｐ＋ｍｏｐ)＝５.１３＋９.２５０.５０３(３３.０７＋３３.３１)＝１.７３ꎮ为确保振动台模型试验能较好地模拟原型结构的各项地震反应ꎬ其他物理量的相似关系可根据一致相似率[４－６]推导而出ꎬ详见表２ꎮ以上相似关系的推导是把质量密度比用等效质量密度比来代替ꎬ从而导致频率比等反映结构动力特性的指标发生变化ꎬ故后期试验时需调整３２常州工学院学报２０２０年所输入的地震波的时间间隔和加速度峰值ꎬ调整系数即表２中的相似比数值ꎮ表２㊀本试验模型的相似关系物理量相似关系物理量相似关系长度比(ｌｒ)０.５０弹性模量比(Ｅｒ)１.００应力比(σｒ)１.００时间比(ｔｒ)０.６６变位比(γｒ)０.５０速度比(νｒ)０.７６加速度比(ɑｒ)１.１６频率比(ωｒ)１.５２４㊀试验方案４.１㊀试验设备及传感器布置在发射地震波激振之前ꎬ需要设置位移和加速度传感器ꎬ如图６㊁７所示ꎬ传感器数量总计１２个ꎮ图６㊀位移传感器布置图㊀图７㊀加速度传感器布置图㊀在模型各楼层的Ｖ１~Ｖ４测点处和台面上(Ｖ５~Ｖ６测点)分别布置６个ＹＨＤ￣１０００Ｌ型拉线式位移传感器ꎬ用以检测模型各层的位移反应ꎻ６个ＣＡ￣ＹＤ型压电式加速度传感器分别布置在模型各楼层的Ａ１~Ａ４测点和振动台台面上(Ａ５㊁Ａ６测点)ꎬ用以检测模型结构各层的加速度反应ꎮ此外ꎬ在模型结构对角线处框架柱的柱端㊁柱底(４２处)以及相应位置的梁端(８４处)共布置１２６个应变片ꎮ数据采集拟使用多套动静态测试分析系统自动采集模型结构在不同地震动输入工况下各测点的应变㊁加速度和位移等数据ꎮ４.２㊀地震波的调整与地震动输入工况Ｅｌ￣Ｃｅｎｔｒｏ波频谱成分较为丰富ꎬ为振动台试验常用的输入地震波ꎬ是１９４０年美国Ｉｍｐｅｒｉａｌ山谷地震记录ꎬ总持续时长５３.７３ｓꎬ加速度峰值调整为３４１.７ｃｍ/ｓ２ꎮ我国的«高层民用建筑钢结构技术规程»(ＪＧＪ９９ ２０１５)５.３.３.２条规定:地震波的持续时间不宜小于建筑结构基本自振周期的５倍和１５ｓꎬ地震波的时间间距可取０.０１或０.０２ｓꎮ考虑工程结构原型所在地的抗震设防烈度㊁场地类别以及自振周期等因素ꎬ选取包含地震波加速度峰值的３０ｓ波段的原波ꎬ按照表２的时间相似关系ꎬ压缩为原波的０.６６倍时长ꎬ同时加速度峰值调整为原波的１.１６倍ꎬ现以输入原型结构的加速度峰值调整为０.３０ｇ(中震ꎬ输入到模型中的加速度峰值调整为３４８ｃｍ/ｓ２)的工况为例ꎬ调整后的波形如图８所示ꎮ图８㊀调整后的Ｅｌ￣Ｃｅｎｔｒｏ波示意图㊀本试验地震波采用单向水平输入ꎬ因原型结构所在地的抗震设防烈度为８度ꎬ设计基本地震加速度为０.３０ｇꎬ故振动台台面所输入的地震动加速度峰值需根据«建筑抗震设计规范»(ＧＢ５００１１ ２０１０)５.１.２条所规定的８度小震㊁中震㊁大震以及更高强度的地震进行调整ꎮ各地震动输入工况如表３所示ꎮ采用白噪声方法对模型结构在试验开始前和各工况结束后的频率和阻尼比的变化规律进行检测ꎮ４２第６期厉见芬ꎬ等:盖板加强型新型延性钢框架振动台试验模型等效设计表３㊀地震动输入工况工况输入峰值加速度折合原型备注１０.１３ｇ０.１１ｇ８度小震２０.３５ｇ０.３０ｇ８度中震３０.５９ｇ０.５１ｇ８度大震４０.７２ｇ０.６２ｇ超大震５０.８４ｇ０.７２ｇ超大震５㊀结论与展望１)需建立三维有限元模型ꎬ并考虑楼板效应来确定模型与原型的构件尺寸ꎬ并把试验模型与工程结构原型进行分析比较ꎬ对比二者的柱底剪力㊁加速度反应㊁位移反应等ꎮ２)受试验条件限制ꎬ本试验采用欠人工质量模型ꎬ并按照一致相似率来满足模型相似关系ꎬ试验时需相应调整时间和加速度等相关物理量ꎬ以较好地检测模型结构的各项反应ꎮ３)试验时可调整加速度与位移传感器以及动静态应变仪的测点布置方案等得到所需数据ꎬ并采用白噪声法测得不同工况下结构的基频与阻尼比的变化规律ꎮ４)如能双向输入地震波ꎬ并且采用完全人工质量模型ꎬ可更好地完成大比例尺模型的地震模拟试验ꎬ并能更好地研究此类结构的破坏机理ꎬ促进其工程应用ꎮ[参考文献][１]ＳｔｒｕｃｔｕｒａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｓＡｓｓｏｃｉａｔｉｏｎｏｆＣａｌｉｆｏｒｎｉａ(ＳＥＡＯＣ).Ｒｅｃ￣ｏｍｍｅｎｄｅｄｓｅｉｓｍｉｃｄｅｓｉｇｎｃｒｉｔｅｒｉａｆｏｒｎｅｗｓｔｅｅｌｍｏｍｅｎｔ￣ｆｒａｍｅｂｕｉｌｄｉｎｇｓ[Ｓ].Ｓａｃｒａｍｅｎｔｏ:ＳＡＣＪｏｉｎｔＶｅｎｔｕｒｅꎬ２０００. [２]ＫＩＭＴꎬＷＨＩＴＴＡＫＥＲＡＳꎬＧＩＬＡＮＩＡＳＪꎬｅｔａｌ.Ｃｏｖｅｒ￣ｐｌａｔｅａｎｄｆｌａｎｇｅ￣ｐｌａｔｅｓｔｅｅｌｍｏｍｅｎｔ￣ｒｅｓｉｓｔｉｎｇｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎｓ[Ｊ].ＪｏｕｒｎａｌｏｆＳｔｒｕｃｔｕｒａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬ２００２(４):４７４－４８２. [３]陈立权ꎬ王燕ꎬ王玉田ꎬ等ꎬ扩翼式节点钢框架拟动力试验研究[Ｊ].工业建筑ꎬ２０１１(增刊):８４４－８５３.[４]许卫晓ꎬ阶梯墙框架结构抗震性能及设计方法研究[Ｄ].哈尔滨:中国地震局工程力学研究所ꎬ２０１４.[５]许卫晓.阶梯墙框架结构振动台对比试验研究[Ｊ].土木工程学报ꎬ２０１４ꎬ４８(２):６２－７０.[６]张敏政.地震模拟实验中相似律应用的若干问题[Ｊ].地震工程与工程振动ꎬ１９９７ꎬ１７(２):５２－５８.[７]张敏政ꎬ孟庆利ꎬ刘晓明.建筑结构的地震模拟试验研究[Ｊ].工程振动ꎬ２００３ꎬ１２(４):３１－３５.[８]赵作周ꎬ管桦ꎬ钱稼茹.欠人工质量缩尺振动台试验结构模型设计方法[Ｊ].工程振动ꎬ２００３ꎬ１２(４):３１－３５. [９]王刚ꎬ王琼梅.配重不足时结构试验模型与原型的相似关系[Ｊ].工业建筑ꎬ２００７ꎬ３７(９):６６－６８.责任编辑:刘景平５２。
