基于尺寸效应振动台模型试验创新设计

孙求知 王燕华 陈 晨

(东南大学土木工程学院，江苏南京 211189)

0 引言

随着经济的发展，一些超出设计规范要求的结构形式不断出现，为了追求建筑造型新颖和建筑多功能、多用途，建筑师设计了众多体形复杂和内部空间多变的高层建筑，这些建筑结构一般都是不规则的，有的是特别不规则的，而且近年来出现了大批超高层结构和超大跨度结构，对于这些结构的抗震性能的理论分析还不够完善，因此模拟地震振动台试验成为目前一种非常重要和实用的抗震研究方法。

振动台模型试验是通过地震模拟振动台将地震波施加到模型上，通过直观的观察和各种途径的数据采集，可以得出模型的破坏形式和结构的薄弱环节，为建筑结构的设计和结构的抗震提供一定的依据。

本文通过大量阅读目前国内振动台模型试验的研究文献，对这些文献作出一定的整合与概括，同时针对振动台模型试验中存在的问题提出了一些思考与建议，并且对尺寸效应在振动台模型试验中的影响进行了具体阐述和后续的一些研究措施。

1 地震模拟振动台

模拟地震振动台系统是地震工程研究工作的重要设备，在结构模型的抗震性能试验中，振动台可以根据人们的需要，模拟或者再现地震波的振动，通过测定模型在这些振动波下的响应，经过相似关系的换算可以推测出原型结构在地震波下的响应。

世界上第一个振动台是日本于1966年建成的正弦波振动台，经过不断的发展，到了21世纪，世界上已经出现了各种不同形式和尺寸的振动台。

就国内而言，大型的振动台系统见表1。

2 振动台模型试验存在的问题

表1 大型振动台系统表

地震模拟振动台试验是一个对现实结构在地震作用下的模拟过程，在这个试验的设计和实施环节中，实验者模拟的情况和现实总会有一些差距，这就导致了试验中会存在一些不可避免的问题。

主要的问题存在于以下几个方面:

1)模型与原型的相似问题。

自凝树脂制作9个长方体试件(8 mm×8 mm×15 mm)，在其表面1/2的中心位置制备窝洞(4 mm×4 mm×3 mm)，冲洗吹干，充填3M光固化复合树脂并光照固化，随机留存3个树脂面不做处理，将剩余33个树脂面随机分为A、B、C 3组，每组11个树脂面，分别对3组树脂面进行表面处理。

原型结构一般尺寸很大，很多模型都是通过原型经过一定比例的缩小而形成的，由于尺寸的不同会导致测试结果的误差;有些结构原型构造复杂，在缩尺模型中无法体现的结构构造会进行一定的简化，简化之后的模型动力性能与原型结构有一定的差异;重力失真效应使得模型相对于原型柱子的轴压比产生变化，从而对测试结果产生一定影响。

2)模拟地震波的加载与真实地震情况下的差异。

振动台模型试验一般都是对一个模型进行加速度峰值由小到大的多次试验，在多次试验的过程中，模型可能产生一定的变化或者破坏，从而使得模型的激励与初次进行激励的响应不同。

3)数据采集与分析的误差。

目前计算结构的位移是通过不连续的加速度积分而来，而这些加速度数据由于其本身不是连续的，导致两次积分之后数据产生误差，计算得出的结构位移与实际情况有差异。

这几个问题只是影响振动台模型实验的精度与准确性的重要因素，在实际试验过程中，我们应该尽量把这些因素的影响降低到最小，或者设计进行相关的试验，得出一些因素的影响规律，通过这些规律推算出误差的大小，从而使得试验更完善。

3 研究尺寸效应的影响

在上述提到的几个值得注意的问题中，我们选择了研究尺寸效应的影响进行深入研究。

我们将按照结构原型制作不同比例的模型，在模型各部分材料完全相同的情况下，分别对各个不同尺寸的模型施加的地震波，由相似关系推算出结构原型对地震波的响应。通过比较不同比例模型推算出的结果来分析尺寸效应是否存在一定的规律或者趋势，从而探讨尺寸的不同对试验结果的影响。并比较不同的尺寸缩小在试验状态下，发生破坏时的加速度，模拟地震级数，产生应变。并与实际数值进行比较，从而得出两者之间的误差，这也就是由于尺寸效应所造成的误差。

在前期准备阶段，我们已经完成了如下一些工作:模型的制作，基于有限元分析软件进行的模型尺寸效应的理论分析，模型使用材料的力学性质的测定，初步试验。在这些前期准备及试验过程中，我们发现了一问题，并提出了一些解决方案:

1)材料选择。

由于试验经费的限制，我们无法像很多大型试验一样使用微粒混凝土浇筑试验所需要的模型。于是我们选择了使用木头作为试验材料，是因为木头具有较好的可加工性，方便我们对模型的加工，便于我们改变使用材料的尺寸，更好地保证不同大小模型的尺寸具有较好的尺寸比例。这也是本次试验我们的一个创新点，如果试验能获得较好的参数，那么将能大幅度缩减此类试验的科研经费。

2)模型制作。

上述提到我们选用木材作为试验材料，虽然木材具有一些优良特性，但是由于没有类似试验的借鉴，这个创新点为我们带来了很多问题:木材的力学性能的测定，木材顺纹、横纹的力学性能的差异，木材自身的缺陷，这些问题都会对尺寸的相似性造成比较大的影响。同时，在模型制作过程中，节点的处理也是一个难题，我们在梁柱的节点处设置了牛腿。

3)木材力学性能的测定。

我们根据GB 1936.1木材抗弯强度试验方法的规定制作了木材力学性能检测的标准试件进行了木材力学性能的测定。

4)初步试验。

a.传感器的选测:试验需要测定模型在振动状况下的位移、加速度的变化，我们采用了三维数字图像相关的位移测量方法，这个测量方式可以精确的测定在不同时间下模型的形变，并且记录下模型破坏一瞬间时的破坏形态，可以与我们理论分析的结构相验证。

b.试验数据的采集:由于试验涉及到的仪器较多:激光位移采集器，加速的采集器以及振动台等，需要协调一致。

我们设计的试验，主要是为了探究在试验中往往被试验者所忽视或者不计的尺寸效应。尺寸效应一直是影响振动台模型实验的一个重要的因素，试验时将原结构按一定比例缩放，最后得出的结构抗震响应与原结构实际抗震响应是有差距的，且有时差距还很明显。而我们旨在试验归纳出尺寸效应所产生的误差的大致范围，从而对尺寸效应所引起的误差有基本了解把握，以此加深我们对振动台模型试验的了解，为以后进一步学习有关抗震方面的知识打下基础。

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