建筑结构振动台模型试验方法与技术（第二版）

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《建筑结构振动台模型试验方法与技术（第二版）》较系统地阐述了建筑结构振动台模型试验的方法与技术。内容包括建筑结构振动台试验相似关系、建筑结构振动台试验模型材料、抗震结构振动台试验模型设计、隔震及减震结构振动台试验模型设计、建筑结构振动台试验模型边界模拟与施工技术、建筑结构振动台试验方案设计、建筑结构振动台试验准备、建筑结构振动台模型试验数据分析方法等。

目录
第二版前言
**版前言
第1章 引言 1
第2章 建筑结构振动台试验相似关系 3
2.1 结构模型相似的概念 3
2.2 结构模型相似关系的建立方法 3
2.3 结构抗震模型试验的相似常数 6
2.4 结构振动台试验的相似关系 9
第3章 建筑结构振动台试验模型材料 13
3.1 模型试验材料要求 13
3.2 常用的结构振动台试验模型材料 13
第4章 抗震结构振动台试验模型设计 16
4.1 钢筋混凝土结构模型设计 16
4.2 钢结构模型设计 17
4.3 桁架结构模型设计 19
4.4 组合楼板模型设计 20
4.5 砌体结构模型设计 20
4.6 预应力结构模型设计 21
第5章 隔震及减震结构振动台试验模型设计 22
5.1 铅芯叠层橡胶支座隔震结构模型设计 22
5.2 摩擦摆支座隔震结构模型设计 26
5.3 黏滞阻尼器模型设计 31
5.4 黏弹性阻尼器模型设计 37
第6章 建筑结构振动台试验模型边界模拟与施工技术 43
6.1 边界模拟基本原则 43
6.2 底座结构类型及设计要点 44
6.3 模型施工技术与质量控制 45
第7章 建筑结构振动台试验方案设计 47
7.1 模型安装位置及方向 47
7.2 传感器布置原则 48
7.3 传感器类型 48
7.4 试验工况设计 50
7.5 地震激励选择及输入顺序 51
第8章 建筑结构振动台试验准备 57
8.1 试验模型上振动台前 58
8.2 试验模型上振动台后 60
第9章 建筑结构振动台模型试验数据分析方法 62
9.1 模型结构动力特性 62
9.2 模型结构加速度 69
9.3 模型结构位移 70
9.4 模型结构地震作用 70
9.5 预测原型结构的抗震性能 73
第10章 结语 74
参考文献 75
附录A 同济大学振动台试验设备主要性能参数 76
附录B 已完成高层建筑结构振动台模型试验一览表 79
附录C 建筑结构振动台模型试验实例(上海国际设计中心) 81
C.1 概述 81
C.2 试验设备与仪器 82
C.3 模型设计与制作 83
C.4 模拟地震振动台试验 89
C.5 模型结构试验结果分析 105
C.6 原型结构抗震性能分析 132
C.7 结论 138
附录D 高层隔震结构振动台试验实例 140
D.1 概述 140
D.2 试验设备与仪器 141
D.3 模型设计与制作 141
D.4 模拟地震振动台试验 147
D.5 模型结构试验结果分析 160
D.6 原型结构抗震性能分析 187
D.7 结构隔震效果评估 191
D.8 抗拉装置效果评估 192
D.9 结论 196

第1章 引言
　　模拟地震振动台试验通过向振动台输入地震波，激励起振动台上结构的反应，从而很好地再现地震过程，因而振动台试验是实验室研究结构地震反应和破坏机理*直接的方法，也是研究与评价结构抗震性能的重要手段之一。
　　同济大学在1983年引入美国MTS公司生产的振动台，之后进行了建筑结构、桥梁结构、机械设备、电子设备、核反应堆安全壳、核电设备等多种不同体系的模拟地震振动台试验研究。这些试验按试验要求，可以划分为两类：一类是基础研究性试验；另一类是工程验证性试验。基础研究性试验旨在对一种抗震新方法或新技术进行探索和研究；工程验证性试验则是验证一种结构新体系或设备的抗震性能。本书从建筑结构角度，详述振动台模型试验的方法与技术。这些方法与技术，均适用于建筑结构模型的基础研究性振动台试验和工程验证性振动台试验。
　　本书主要内容包括建筑结构振动台试验相似关系(第2章)、建筑结构振动台试验模型材料(第3章)、抗震结构振动台试验模型设计(第4章)、隔震及减震结构振动台试验模型设计(第5章)、建筑结构振动台试验模型边界模拟与施工技术(第6章)、建筑结构振动台试验方案设计(第7章)、建筑结构振动台试验准备(第8章)、建筑结构振动台模型试验数据分析方法(第9章)等。各章节内容与振动台试验过程的逻辑关系如图1.1所示。
　　图1.1 振动台试验过程与各章节内容的逻辑关系图
　　第2章 建筑结构振动台试验相似关系
　　严格地讲，结构试验除了在原型结构上所进行的试验外，一般的结构试验都是模型试验，结构抗震试验也可以采用模型试验。模型是根据结构的原型，按照一定的比例制成的缩尺结构，它具有原型的全部或部分特征。对模型进行试验可以得到与原型结构相似的工作情况，从而可以对原型结构的工作性能进行了解和研究。模型试验的核心问题是如何按照相似理论的要求，设计出与原型结构具有相似工作情况的模型结构。本章介绍结构振动台试验中的相似理论与相似设计。
　　2.1 结构模型相似的概念
　　结构模型试验旨在设计出与原型结构具有相似工作情况的模型结构，其相似设计中既包含了物理量的相似，又包含了更广泛的物理过程相似。简单地说，结构模型相似主要解决下列一些问题：
　　(1)模型的尺寸是否要与原型保持同一比例；
　　(2)模型是否要求与原型采用同一材料；
　　(3)模型的荷载按什么比例缩小和放大；
　　(4)模型的试验结果如何推算至原型。
　　具体的结构模型相似设计将涉及几何相似、材料相似、荷载相似(动力、静力)、质量相似、刚度相似、时间相似、边界条件相似等。
　　2.2 结构模型相似关系的建立方法
　　结构模型与原型之间的相似关系，通过模型结构与原型结构相似常数之间的关系予以反映，即相似条件。模型设计的关键就是要给出各相似常数之间的相似关系。确定相似条件一般有方程式分析法和量纲分析法两种。
　　1．方程式分析法
　　运用方程式分析法确定相似条件，必须在进行模型设计前对所研究的物理过程各物理量之间的函数关系，即对试验结果和试验条件之间的关系提出明确的数学方程式，然后才能根据数学方程式，确定相似条件。用方程式分析法确定相似条件，方法简单、概念明确，许多文献有详细介绍，本书不再详细讨论。
　　2．量纲分析法
　　当待考察问题的规律尚未完全掌握、问题较为复杂没有明确的函数关系式时，常采用量纲分析法确定相似关系。
　　量纲(也称因次)的概念是在研究物理量的数量关系时产生的，它说明量测物理量时所采用单位的性质。一般来说，选取三个物理量的量纲作为基本量纲，其余物理量的量纲可以作为导出量纲推导得到。例如，在一般结构工程问题中，各物理量的量纲都可由长度、时间、力三个基本量纲导出，此系统称为**系统；或由长度、时间、质量三个基本量纲导出，此系统称为质量系统。建筑结构模型试验常用物理量的质量系统量纲见表2.1。也可以选用其他量纲作为基本量纲，只要基本量纲是相互独立和完整的，各物理量之间的量纲关系实际满足的是一种量纲协调。
　　表2.1 建筑结构模型试验常用物理量的质量系统量纲
　　量纲分析法需要遵循二个相似定理，即：相似物理现象的π数相等(**相似定理)；n个物理参数、k个基本量纲可以确定(n.k)个π数(第二相似定理)。运用量纲分析法确定相似条件的步骤可以总结为：列出与所研究的物理过程有关的物理参数，根据相似定理使得模型和原型的π数相等，得到模型设计的相似条件；遵循量纲和谐的概念，确定所研究各物理量的相似常数。
　　可以看出，方程式分析法只是量纲分析法中的一种特殊情况，它以各物理量之间满足的方程式作为π数，各物理量的量纲也一定遵循量纲协调条件。
　　3．似量纲分析法
　　量纲分析法从理论上来说，先要确定相似条件(π数)，然后由可控相似常数，推导其余的相似常数，完成相似设计。在实际设计中，由于π数的取法有着一定的任意性，而且当参与物理过程的物理量较多时，可组成的π数也很多，将线性方程组全部计算出来比较麻烦；另一方面，若要全部满足与这些π数相应的相似条件，将会十分苛刻，有时是不可能达到也不必要达到的。综合上述两点，结合多年研究和试验经验，在结构模型相似常数建立过程中，并不需要明确的求出诸多π数的表达式，可以采用更为实用的设计方法，即先选取可控相似常数，利用一种近似量纲分析法的方法，求出其余的相似常数。因其原理本质仍为量纲分析法，故称为“似量纲分析”，其步骤简述如下。
　　相似理论求得的π数是独立的无量纲组合，它表示要求已知物理量的量纲与待求物理量的量纲组合为[1]，即已知物理量与未知物理量组合的基本量纲的幂指数之和为零。根据这一原则，很容易由幂指数的线性变换确定各相似常数之间的关系。
　　例如，一般建筑在地震作用下的结构性能研究中包含下列物理量：
　　 几何性能方面，长度l、位移D、应变ε；
　　 材料性能方面，弹性模量E、应力σ、泊松比μ、质量密度ρ、质量m；
　　 荷载性能方面，集中力F、线荷载p、面荷载q、力矩M；
　　 动力性能方面，刚度K、周期T、频率f、阻尼c、速度、加速度a等。
　　在结构振动台试验中，常选用长度、应力、加速度三个物理量的相似常数作为可控相似常数，在质量系统中，它们对应的量纲分别是[L]、[ML.1T.2]、[LT.2]。以求解弯矩相似常数为例，将长度、应力、加速度的质量系统量纲幂指数以列矩阵的形式列于表2.2；查取表2.1中弯矩的质量系统量纲为，将其相应幂指数以列矩阵的形式填入表2.2；进行线性列变换，直至变换后的列矩阵子项均为零。其中，Sl为模型几何尺寸与原型几何尺寸之比，SMb为模型弯矩与原型弯矩之比。
　　表2.2似量纲分析法求解弯矩相似常数表
　　此时的变换系数即为物理量之间相似常数的幂指数，即
　　(2.1)
　　再以阻尼相似常数为例。查表2.1可知，阻尼的质量系统量纲为[MT.1]，量纲幂指数按列矩阵的形式列入表2.3。
　　表2.3似量纲分析法求解阻尼相似常数表
　　(2.2)
　　结构振动台试验中的其余相似常数均可由似量纲分析法予以确定。
　　2.3 结构抗震模型试验的相似常数
　　结构抗震试验一般可分为结构抗震静力试验和结构抗震动力试验两大类，其中结构抗震静力试验又分为拟静力试验和拟动力试验；结构抗震动力试验分为模拟地震振动台试验和建筑物强震观测试验。结构抗震静力、动力试验模型设计均要满足物理条件相似、几何条件相似和边界条件相似的要求。
　　1．结构抗震静力模型相似常数
　　常见的钢筋混凝土结构静力模型相似常数如表2.4所示。在钢筋混凝土结构中，由于混凝土材料本身具有明显的非线性性质以及钢筋和混凝土力学性能之间的差异，要模拟钢筋混凝土结构全部的非线性性能是很不容易的。从应力与弹性模量量纲相同的含义来说，要求物体内任何点的应力相似常数与弹性模量相似常数相等。实际上受力物体内各点的应力大小是不同的，亦即各点的应变大小不同。对于不同的应变，要求弹性模量相似常数不变，这就要求模型与原型的应力-应变关系曲线相似，如图2.1所示。要满足这一关系，只有当模型与原型采用相同强度和变形的材料时才有可能，这时就要求满足表2.4中“实用模型关系式”的要求。