结构检验 结构抗震实验方法 第三章讲解.ppt

第三章 地震模拟振动台实验方法 赵均海 教授 3.1 引 言 地震模拟振动台可以很好的再现地震过 程和进行人工地震的实验，它是实验室 中研究结构地震反应和破坏机理的最直 接方法 (视频) 这种设备还可以用于研究结构动力特性、设 备抗震性能以及检验结构措施等内容，是目 前抗震研究中的重要手段之一振动台有一 维、二维和三维的，台面尺寸从0.8m×0.5m ～16m×16m不等，频率范围根据用途不同 可以从0～1000Hz不等 3.2 地震模拟拟振动动台的发发展状况 地震模拟振动台始建于20世纪60年代末 的美国Berkley加州大学，它6.1m×6.1m的 水平、垂直两向振动台随后日本国立防 灾科学技术中心建成了当时世界上最大的 15m×15m水平或垂直单独工作的地震模 拟振动台 到目前为止，根据文献[1，2]和最近有关 资料的不完全统计 ，国际上已经建成了 近百座地震模拟振动台(见表3-1～3-4)， 主要分布在日本、中国和美国三个国家， 其中日本拥有的振动台规模最大、数量 最多中国的地震模拟振动台规模和数 量也相当可观 其余的一部分地震模拟振动台分布在其它 有地震的国家，如墨西哥、加拿大、法国 、英国、葡萄牙、伊朗、前南斯拉夫、前 苏联、意大利、罗马尼亚、希腊和德国等 。

根据地震模拟振动台的承载能力和台面尺 寸，振动台基本可以分成三种规模，既小 型的承载能力为10t以下，台面尺寸在 2m×2m之内；中型的一般承载力在20t左 右，台面尺寸在6m×6m之内；而大型地震 模拟振动台的承载力可达数百吨以上目 前国际上正在建造的最大振动台台面尺寸 为15m×25m，我国正在建造的最大振动台 台面为6m×6m或者更大 从表3-1～3-4可以看到，多数地震模拟振 动台的规模是属于中型的，既台面尺寸在 2m×2m～6m×6m之间，建造这样规 模的地 震模拟振动台从投资、日常维护 和能源消 耗三方面考虑都是比较合理的 从驱动方式来看，大部分模拟振动台都采 用电液伺服方式，即采用高压液压油作为 驱动源，这种方式具有出力大、位移行程 大、设备重量轻等特点一部分小型振动 台采用电动式的 从激振方向来看单项 和双向的较多，但是 随着科学技术的发展和抗震研究水平的提 高，三向模拟振动台不断增多其中一部 分是将原有的单向或双向振动台改造成三 向振动台关于地震模拟振动台的使用频 率一般是0～50Hz，个别有特殊要求的震 动台可达100Hz以上 振动台的位移幅值一般在±100mm以内，速 度在80cm/s之内，加速度可达2g。

从模拟 控制方式分主要有两种，一种是以位移控 制为基础的PID控制方式，另一种是以位移 、速度和加速度组成的三参量反馈控制方 式 地震模拟振动台的数控方式主要还是采 用开环迭代进行台面的地震波再现目 前新的自适应控制方式已经在电液伺服 控制中有所应用，对于地震模拟振动台 主要有三种方式：一种是在PID控制基础 上进行的连续矫 正PID[5,6]；另外两种是在 三参量反馈控制的基础上建立的自适应 逆控制方法和联机迭代法[7] 模拟地震振动台作为抗震研究的重要实验 设备已经经历了四、五十年的发展，在承 载能力、运动参数、控制自由度、控制技 术、实时波形再现以及数据的采集及数据 处理方面都得到了长足的进步 目前我们应 用的地震模拟振动台主要有以 下特点： (1)载重和台面尺寸越来越大，一般都具有 三向振动、六个自由度控制为了能应用 于原子能设施的抗震试验 ，其运动参数， 如加速度、速度、行程位移都有所增大， 为此泵源动力大大提高 (2)控制方式以散参量闭环 多自由度控制 为基本控制方式，但在控制中增加了自适 应去谐波控制(ACH)自适应反函数控制 (AIC)和实时 迭代控制(OLI)，使控制的波 形更好，波形迭代更快，效率更高。

(3)计算机系统CPU采用大量生产的Intel- Pentium处理器，计算机系统由原来的小 型机种改为商用的PC机，其他外部设备 也采用通用配置总的来说，硬件成本大 幅度下降 (4)以窗口操作系统支持的地震试验 和数据 采集，分析软件包是试验 数据能够容易、 快捷输到其它存储媒体上，以便在广泛使 用的PC机上进行各种分析操作地震波的 波形和谐的再现由采用迭代修正输入波形 的离线迭代方式，发展为实时 修正控制回 路的一个补偿滤 波器硬件，使得期望的地 震波形和反应谱 能够的得以实现 3.3 地震模拟拟振动动台的设计设计 和建造 地震模拟振动台是一项复杂的高技术产品 ，它的设计和建造涉及到土建、机械、液 压传动、电子技术、自动控制和计算机技 术等 地震模拟振动台作为一个复杂的系统主 要由如下几个部分组成：台面和基础，高 压油源和管路系统，电液伺服作动器， 模拟控制系统，计算机控制系统和相应 的数据采集处理系统图3-1为地震模拟 振动台系统的示意图，图3-2为地震模拟 振动台各组成部分 图图 3-1 地震模拟拟振动动台系统统示意图图 (a)台面和基础(b)高压油源和管路系统 (c)电液伺服作动器(d)控制系统和数据 采集处理系统 图图3-2 地震模拟拟振动动台各组组成部分 3.3.1 振动动台的主要技术术参数 振动台最主要的技术参数是激振力和使用 频率范围，这些参数在很大程度上取决于 作动器的工作性能。

合理地选择这两个参 数使地震模拟振动台既满足实验要求，又 能节省投资是十分重要的 建筑结构的原材料特性和构造要求决定了 其模型实验时的几何相似比Se不宜过小，一 般不小于l/10，当实验研究内容进入到弹塑 性范围时，这个相似比还应大一些(否则尺 寸效应的影响可能非常严重) 根据结构模型的相似要求，振动台的再现 加速度和实际 加速度之比为Sa=1按照目 前国家抗震设计规 范规定；Ⅸ度地震区的 最大加速度为0.4g，因此振动台能在最大 荷载下达到3倍最大加速度(1.2g)就具有较 大的加速度裕量了， 据此可以算出作动器的最大激振力(等于 加速度与整个运动质 量的乘积)而振动 台的频率上限是由伺服阀特性和系统流 量控制的，从模型方面考虑，多数情况下 模型的频率相似比 ，可见如果模型的几 何相似比为l/10，那么振动台在满载时 上 限频率不应低于33Hz 所以使用频率的选择 必须适当，过高地 要求上限频率就必须加大伺服阀和油泵 的流量，从而导致投资增加；目前多数 振动台的使用频率范围是0～50Hz 能够综 合反映地震模拟振动台激振力和 频率特征的是最大功能曲线，如图3-3所 示 图图3-3 作动动器最大功能曲线线（A表示空载载 、 B表示半载载、C表示满载满载 ） (该曲线为 哈尔滨建筑大学3m×4m地震模拟 振动台作动器的最大能曲线)。

最大功能曲 线全面反映了位移、速度、加速度、频率和 荷载之间的关系当台面负荷减小时（C-A ），则可以提高输入加速度；当要提高振动 台的频率时，则台面的位移幅值就要减小； 同样在低频情况下要想获得较大的加速度也 不现实 ，除非增加投资采用能力更大的作动 器 3.3.2 台面与基础础 振动台的台面需要有足够的刚度和承载力 ，以便台面的自振频率能够避开振动台的 使用频率范围，不至于造成系统的共振 一般要求台面的一阶弯曲频率高于 倍的使 用频率上限，这样基本可以保证台面自身 的动力特性不影响振动台的波形再现精度 振动台的台面应当尽可能地轻，这样可以 获得更大的台面承载力或者说获得更大的 激振加速度当然台面的自重减小会造成 试件动力特性对振动台系统特性影响更加 敏感，这个问题目前可以通过模控和数控 技术进行补偿来解决 另外，从理论上讲，当台面满载时，台面 的自振频率会降低，但根据使用经验证实 ，由于台面和模型之间几乎是刚性联接， 试件和台面组成了一个整体，所以此时台 面的频率不仅不降低，反而有所提高 图3-4 振动台台面 从材料方面来考虑，振动台的台面应当 重量轻、刚度大，铝材料可能是最适合 的材料，因为铝 材密度小，局部刚度也 很高。

但是从经济 性来考虑钢结 构的台 面是最广泛应用的大多数的振动台台面 是采用钢板焊接而成的格栅结 构，如图3 -4所示 地震模拟振动台的基础设计处 理是十分 重要的，如果设置不合理会对人身和建筑 物 造成严重影响，这方面的例子是有的目 前基础设计 的主要依据是根据基础振动 对人、建筑物影响的定量分区曲线进 行 的研究结果表明，振动台低频段的激 振力主要由土壤抵抗，而20Hz以上的较高 频率激振力主要由基础的质量作用抵消 ， 基础与台面的加速度比值恰好等于台面( 包括试件在内)质量与基础质 量的比值 如果基础的最大加速度为0.005g，则基础 的最小重量应等于20倍的最大激振力通 常是选择 最大台面重量(包括试件)的20～ 50倍作为基础的重量基础越大则振动 台的相对运动越小，振动台的性能就越好 在共振区基础的振幅较大，为了减小振幅 ，只有提高基础的阻尼比，然而土壤能够 提供给基础的阻尼是非常有限的，所以合 理地选择基础的几何形状，增大基础的几 何阻尼是一条有效的途径采用浅而大的 基础将可以有效地增大几何阻尼 另一个问题是地震模拟振动台的工作频率 范围比较宽，基础的自振频率一般都处于 振动台的工作频率范围内，这是基础设计 无法避免的。

当振动台输入随机波时问题 不大，当进行周期振动或扫频实验时，可 能产生较严重的共振问题 3.3.3 液压压源及管路 如果按照地震波的最大速度值来设计液压 泵站的流量，那么需要采用较大流量的液 压泵站地震过程是一个短时间的脉冲过 程，而较大流量的液压泵站将会造成很大 的能源浪费，这样作既不经济也不合理 目前的做法是采用较小的液压泵 站(见图 3- 2(b))，利用大型蓄能器来提供给作动器瞬 时所需的巨大能量[10]一般的地震波持时 是在lmin之内，这样 就为采用大型蓄能器 进行压力补偿 提供了可能，在容许的压力 下降范围内，蓄能器提供大的流量，而液 压泵 站可以是小流量的，这种供油方法是 地震模拟振动台比较经济 的供油方式 液压管路主要用于将油泵与作动器联系起 来,为作动器提供高压油，一般是用钢管( 见图 3-2(b))将高压油引到作动器附近，再 用软管与作动器联接起来；需要注意的是 软管不宜太长，否则在实验过 程中软管 可能产生振动，严重时将造成管路损坏 3.3.4 振动动台的技术术指标标 评价振动台的性能有许多技术指标 [11]， 对于单水平向的地震模拟振动台应着重考 虑的是如下几项：加速度波形失真度，加 速度竖向分量，台面主震方向的加速度不 均匀度，横向加速度分量，背景噪声和地 震波再现能力。

表3-5为一单水平向 3m×4m地震模拟振动台的实测结 果[12] 表3-5 振动动台技术术指标测试结标测试结 果 关于主震方向的加速度不均匀度国内一般 规定在20%以内，美国要求小于10%，而日 本则要求小于5%(避开局部共振)对于横 向加速度分量国内规定是小于20%，一些振 动台的实测结 果也是在15%左右美国 MTS公司、日本三维振动设 施委员会和德 国SCHENCK公司均要求横向加速度分量小 于5%，但是实现这 个数值还 是有一定困难 的 背景噪声定义为 振动台输入信号为零时， 由于油源振动以及电路噪声等造成的台面 加速度反应，一般是用信噪比来表示国 内一般要求信噪比大于50dB，而美国MTS 公司和日本规定背景噪声指标应 小于最大 功能的l%，德国SCHENCK公司提出小于 0.015g 但是这些规定均存在一些问题 ，一般抗震 实验 中使用的地震波最大加速度在0.3g左右 ，如果按这个数值考虑则 信噪比的数值就 较小，噪声对实验 的影响增大了 地震波的再现能力是振动台的一项重 要技术指标，但它在概念上比较笼统 ，没 有具体的标准，一般是通过台面再现的波 形和期望的波形进行比较来判断。

3. 4 控制系统统与控制方法 3.4.1 模拟拟控制 地震模拟振动台的控制系统主要由两部分 组成，一部。