振动台相似理论幻灯片.ppt

振动台相似理论第1页，共24页，编辑于2022年，星期六地震振动台试验发展振动台模拟试验的相似第2页，共24页，编辑于2022年，星期六地震模拟振动台的发展结构抗震性能试验是结构工程研究的重要组成部分，目前实验室内常用的试验方法有拟静力试验、拟动力试验和地震模拟振动台试验。1第3页，共24页，编辑于2022年，星期六 拟静力试验以较低的加载速率实现单调或周期的加载,可以最大限度地获得构件刚度、承载力、变形和耗能等信息;拟动力试验是将计算机的计算和结构试验相结合的一种试验方法,最大的优点是结构的恢复力特性不是来自数学模型,而是直接从被测结构上实时取得,但是试验的加载过程还是拟静力的;拟动力试验是将计算机的计算和结构试验相结合的一种试验方法,最大的优点是结构的恢复力特性不是来自数学模型,而是直接从被测结构上实时取得，但是试验的加载过程还是拟静力的;地震模拟振动台试验是真正意义上的地震模拟试验,台面上可以真实地再现各种形式的地震波,结构在地震作用下的破坏机理也可以直观的被了解,是目前研究结构抗震性能最直接也是较准确的试验方法。第4页，共24页，编辑于2022年，星期六地震模拟振动台试验的应用：研究结构物的动力特性、设备抗震性能、检验结构抗震措施等方面,同时在原子能反应堆、海洋结构工程、水工结构、桥梁工程等领域也起着重大作用。地震模拟振动台的局限性性：除了少数超大型地震模拟振动台可以用来做足尺试验外,绝大部分地震模拟振动台只能 进行缩尺模型试验,对试验 对象的动力相似条件有着 严格的要求。另外，地震 模拟振动台投资大。第5页，共24页，编辑于2022年，星期六地震模拟振动台的基本原理：将试验对象放在一个足够刚性的台面上,通过动力加载设备使台面再现各种类型地震波,并使试验对象随之产生类似地震作用下的振动,这就是地震模拟振动台试验的基本原理。第6页，共24页，编辑于2022年，星期六地震模拟振动台的主要组成：以目前普遍使用的电液伺服地震模拟振动台为例,系统主要由液压源系统、激振器、伺服模拟控制器、台面、计算机控制系统组成,其中伺服模拟控制器是以电液伺服阀为核心的模拟控制器,其性能的好坏对整个系统起着决定性作用,是整个控制系统的核心部分。液压源系统主要是提供动力,包括液压泵站、蓄能器组、冷却系统等,液压泵的流量是根据地震波的最大速度值来设计的,为了节省能源,目前都是设置大容量的蓄能器组来提供作动器瞬时的巨大能量。另外为了保证油液的温度,系统设有冷却器。地震模拟振动台台面是试验的平台,台面的基本要求是要有足够的刚度,承载能力要求足够大。第7页，共24页，编辑于2022年，星期六地震模拟振动台的发展趋势：大型足尺试验：根据地震模拟振动台的承载能力和台面尺寸一般分3 种规模，承载能力10t 以下台面尺寸在 2m2m以内为小型振动台;承载能力在20t左右台面在 2m2m以上、6m6m以 下为中型振动台;台面尺寸 在6m6m 以上,承载能力 大于20t为大型振动台。第8页，共24页，编辑于2022年，星期六地震模拟振动台实验要求试验结构满足动力相似条件,在实际试验中很难让所有的模型参数都同时满足相似性条件,通常都采取近似和简化,根据试验目的只考虑主要参数的相似性,另外如钢结构中的连接部件,钢筋混凝土中的绑扎和焊接等很难达到相似理论的要求,这样为了达到能准确反映结构的动力特性,在资金条件允许的情况下,应通过加大地震模拟振动台的台面尺寸和承载能力,以克服模型尺寸效应的影响。第9页，共24页，编辑于2022年，星期六地震模拟振动台台阵随着社会的发展,管道、多跨桥梁等细长型结构日益增多,细长型结构通过增大地震模拟振动台的规模显然是不科学的,因为无限增大振动台规模不仅投资巨大,另外由于相似比的原因,大型振动台在有些方面还是不能满足要求,为此,多台小型振动台组成的地震模拟振动台台阵建设是今后的另一种发展趋势。地震模拟振动台台阵不仅可以分开独立进行小型结构试验,也可以组成大型振动台进行大尺寸、多跨、多点地震输入的结构抗震试验。第10页，共24页，编辑于2022年，星期六全数字控制技术使试验的过程简单,易于操作。数字控制技术可以消除模拟控制中电子元器件受温度湿度影响等缺陷,可以提高系统的稳定性、可靠性和准确性。全数字控制技术完全代替模拟控制技术是发展的必然趋势。第11页，共24页，编辑于2022年，星期六2振动台模拟实验中的相似利用大型振动台进行结构地震模拟实验是研究工程结构抗震能力和破坏机理的重要手段。但是,限于振动台的设备能力,大型建(构)筑物只能以缩尺模型进行实验.为使模型实验结果能尽量真实地反映原型结构的性状,必须考虑原型与模型的物理相似性。多年以来,基于定理建立的人工质量相似律和忽略重力相似律,在地震模拟实验中获得了广泛应用。第12页，共24页，编辑于2022年，星期六人工质量相似律我们前面已经学过相似第二定律，也就是定理。对于结构的地震反应问题,在线弹性范围内,可表述为如下函数关系:=f(l,E,t,r,v,a,g,w)式中为结构反应应力,l为结构构件尺寸,E为结构构件的弹模,为结构构件的质量密度,t为时间,r为结构反应变位,v为结构反应速度,a为结构反应加速度,g为重力加速度,w为结构自振圆频率。第13页，共24页，编辑于2022年，星期六取l,E,三者为基本量 l=L,E=E,=那么,其余各量均可表示为L,E,的幂次单项式,进而可得无量纲积i，具体有:0=/E 6=v/(l-2E-1)4=t/(lE-0.50.5)7=a/(l-1E-1)5=r/l 8=g/(l-1E-1)9=w/(l-1E0.5-0.5)式（1）第14页，共24页，编辑于2022年，星期六 定义量A在原型结构中的数值为 Ai,在模型中的数值为Am,那么,在模型设计中量A的相似比为Ar=Am/Al,欲使模型实验能模拟原型结构的地震反应,基于式(9)给出的各无量纲积,各量的相似比必须满足以下条件:r=Er vr=(Er/r)0.5 tr=lr(r/Er)0.5 ar=Er/(lrr)rr=lr wr=(Er/r)0.5/lr 分析以上各相似条件可以发现,满足上式所示全部关系是难以 作到的。式（2）第15页，共24页，编辑于2022年，星期六 其主要困难在于,模型实验中重力加速度不可改变,故应满足ar=gr=1，换一言之,有关系式，Er=lrr。这样,Er、lr、r三者不能独立地任意选择,给模型设计带来极大的困难。为解决这一问题,目前一般采取如下两种途径。其一,由Er=lrr可得mr=Erlr 2,mr为模型总质量与原型质量之比,模型总质量为模型 本身质量mm与人工质量ma之和。这样,可通过设置人工质量,补足重力效应和惯性效应的不足,但并不影响构件的刚度。显然,满足相似要求需设置的人工质量的数量为:第16页，共24页，编辑于2022年，星期六 ma=Erlr 2mp-mm 式（3）满足式(2)和(3)要求的结构模型为人工质量模型。忽略重力相似律 其二,在模型设计中不考虑重力加速度的模拟,亦即忽略在模型设计中不考虑重力加速度的模拟,亦即忽略gr=1的相似要求,此时，Er、lr、r这种模型称为忽略重力模型。目前使用的上述两类相似要求见下表：第17页，共24页，编辑于2022年，星期六第18页，共24页，编辑于2022年，星期六新思路一致相似律前述人工质量相似律和忽略重力相似律都是根据结构地震反应这一物理现象、运用第 二相似定理推导得出的,只不过前者通过设置人工质量适当地模拟了全部重力和惯性力效应,而后者不设人工质量,忽略了部分重力效应。那么,给出这两种相似律的一致表达式将是可能的,这种一致表达式也将解决介于人工质量模型和忽略重力模型之间的“欠人工质量模型”的设计问题。第19页，共24页，编辑于2022年，星期六既然上述三种模型的差别仅在于是否设置人工质量和设置多少人工质量,那么,在相似律推导中可定义一个与人工质量多少有关的变量,称之为模型房屋的等效质量密度*m。*m=(mm+ma+m0m)/Bm 式中,mm为根据长度模比lr、模型构件材料密度计算得出的模型(结构构件)质量;ma为模型中设置的人工质量；m0m为模型中活载和非结构构件的模拟质量;Bm为根据长度模比lr、原型（结构构件）体积计算得出的模型(结构构件)体积.第20页，共24页，编辑于2022年，星期六类似地,可定义原型结构的等效质量密度*p。*p=(mp+m0m)/Bp 式中,mp为原型结构构件的质量;m0m为模型中活载和非结构构件的模拟质量;Bp为原型结构构件的体积。结构地震反应控制方程为:=f(l,E,*,t,r,v,a,g,w)式中*为等效质量密度,其余各量定义同前。有关活载和非结构构件质量,因合并在*的定义中,不再单独考虑。第21页，共24页，编辑于2022年，星期六综上最终可得 *r=(mp+ma+m0m)/lr3(mp+m0m)现将以一致相似律表示的相似要求列于下：第22页，共24页，编辑于2022年，星期六不难看出,对于使用非原型材料的一般情况,若将一致相似律中的ma取为零,m0p=m0m=0(不考虑活载等的模拟),则可得到与表1 所示忽略重力模型相同的相似关系。若将一致相似律中的ma取为 ma=Erlr2mp-mm且m0m=Erlr2m0p,则可得到与表1 所示人工质量模型相同的相似关系。若限于实验设备条件,将人工质量取为零与(Erlr2mp-mm)之间的某个量,同时取m0m=Erlr2m0p则可得到相应“欠人工质量”相似关系。第23页，共24页，编辑于2022年，星期六第24页，共24页，编辑于2022年，星期六