《現代結構實驗》
作業三學校： 廣州大學
學院： 土木工程學院
專業班級： 結構工程專業13級
學生姓名： 蔡江紅
學號： 2111316009
指導教師： 徐麗冼巧玲
二〇一四年六月
一、振動台試驗方案
本工程塔樓結構體系為「三維巨型空間框架－鋼筋混凝土核心筒」結構體系，主要由4個核心筒、鋼骨混凝土（src）外框架、3個避難層聯絡桁架三部分構成，圖1-2、圖1-3分別是b塔結構體系構成示意圖和建築效果圖。特別指出的是本工程在14、24樓層的聯絡桁架的腹杆以及32、48樓層的斜撐為防屈曲支撐（ubb）構件。設計指標為小震不屈服，大震屈服耗能。
具體位置示意見圖1-4。
本工程的自振週期約為6.44秒，超過了《建築抗震設計規範》(gb-50011-2001)設計反應譜長為6秒的規定。本工程存在5個一般不規則和2個特別不規則型別，5個一般不規則型別分別是扭轉不規則、凹凸不規則、剛度突變、構件間斷和承載力突變。
2個特別不規則是高位轉換和複雜連線。
1、模擬方案選擇
動力試驗用的結構模型必須根據相似律進行設計，模型動力相似律的建立以結構運動方程為基礎，選擇若干主要控制引數作為模擬控制的物件，依據buckingham的π定理，經無量綱分析匯出控制引數的無量綱積，據此確定各控制引數的相似比率。
結構動力試驗的相似模型大致分為四種：
（1）彈塑性模型理論上可以重現結構反應的時間過程，使模型和原型的應力分布一致，並可模擬結構的破壞。由於要嚴格考慮重力加速度對應力反應的影響，必須滿足sa=sg=1（sa=模型加速度/原型加速度，sg為重力加速度相似係數，各相似係數之間的關係見表1），即模型加速度反應與原型加速度反應一致，這一要求大大限制模型材料的選擇。因為在縮尺模型中，幾何比（sl）很小，在sa=sg=1的條件下，要滿足sa=se/slsρ=1，即sl=se/sρ，必須使模型材料的彈模很小或材料密度很大，彈模小導致模型澆築困難，容易損壞；密度大則要求在模型材料中加入大量鉛粉之類容重大的摻合物。
這對大型建築動力試驗模型是難以辦到的。即使彈模或密度滿足了相似條件，材料的其他性質如泊松比和阻尼等也難以滿足相似關係，所以全相似模型只是一種理想化的模型，在實際工程中很難採用。
（2）用人工質量模擬的彈塑性模型使用原型材料或其他替代材料製作時，se自然等於1或接近於1，若要滿足sa=sg=1的條件，材料密度需要加大，故採用人工質量。人工質量可以產生適當的重力效應和慣性作用，但不影響結構的剛度、強度和阻尼特性。人工質量若布置得當，可以模擬幾何非線性。
因此人工質量模型在**模擬實驗中獲得廣泛應用，但對於大型建築物，模型幾何比（sl）很小，人工質量將大大超過模型本身的質量，而模型各層空間有限，國內外的絕大多數振動台裝置承載能力均難以滿足這一要求。因而在模型設計中常加以改進。
（3）忽略重力效應的彈性模型放棄sa=sg=1的條件，忽略重力效應，會使模型反應失真。在一般情況下，重力引起的結構效應與水平**作用效應相比是較為次要的，特別是在結構反應處於小變形階段不發生明顯幾何非線性的情況下，忽略重力效應不會造成大的誤差。由於忽略重力效應的模型中相似比sa>1，即振動台要有較大的出力，而模型的頻率則較高，載入和量測裝置要在高頻狀態下工作。
這種模型對研究彈性狀態下的效能比較合適，但本項試驗要求模擬結構在7度大震作用下的反應，結構有可能進入非彈性階段並產生較大位移。因此不宜採用忽略重力效應的模型。
（4）混合相似模型使用微粒混凝土材料，採用一定的人工質量儘量減少忽略重力效應的影響。微粒混凝土材料的彈模較原型材料小，而泊松比和阻尼等特性與原型材料相近。
2、模擬方案確定
本試驗選用混合相似模型的設計方案是較為理想的。由前述分析可知，結構模型振動台試驗的相似關係是根據運動基本方程建立的，相似關係應滿足質點運動平衡方程式相似、邊界條件相似和運動初始條件相似。相似關係可採用量綱分析法求得。
對於結構的**反應問題，可表述為如下函式關係：
式中：為結構反應應力，為結構構件尺寸，為構件的彈性模量，為構件的質量密度，為時間，為結構反應變位，為結構反應速度，為結構反應加速度，為重力加速度，為結構自振圓頻率。
取, ,三者為基本量，其餘各量均可以此為基礎按照量綱分析的原理表示為, ,的冪次單項式。定義a在原型結構中的數值為，在模型中的數值為，那麼在模型設計中量a的相似比為。若使模型試驗能模擬原型結構的**反應，各量的相似比必須滿足表1-1中的公式條件。
一般情況下，振動台試驗是模型試驗，要做到所有物理量完全相似是十分困難的，甚至是不可能的。因此在實際試驗中只能要求保證主要的物理量相似，不能要求所有的物理量都嚴格相似。
根據表1-1（模型/原形=1/35）模型與原型的相似關係，根據振動台的承載能力，同時估算模型重量後，對模型配重進行初步驗算。其中彈性模量的相似關係需根據模型材料試塊的測試結果加以調整。
表1-1 模型與原型的相似關係（幾何比：模型/原型=1/35）
模型比例選用1/35，依據相似理論進行模型設計。在模型設計、製作過程中與甲方和設計單位進行3～4次討論和確認。
1）模型混凝土
模型用微粒混凝土製作，材料為水泥沙漿。水泥為425r號矽酸鹽水泥，骨料為粗砂和細砂。選用不同配合比使微粒混凝土達到不同的強度等級和彈性模量，以模擬原型c30～c60混凝土。
在模型製作過程中同時澆注規定數量的砂漿立方體試塊和稜柱體試塊以測定微粒混凝土材料的強度和彈性模量。試塊和模型同時養護。材料效能試驗在廣州大學廣東省重點實驗室（教育部、科技部共建重點實驗室）進行。
彈性模量的測定是將稜柱體試塊（尺寸70.7mm×70.7mm×240mm）置於10t標準壓力試驗機上進行重複載入。
使用荷載感測器、千分表測荷載和變形，然後繪出應力變形曲線，重複進行載入和解除安裝，直到曲線的殘餘變形不再增長為止，載入和量測按照《混凝土結構試驗方法標準》（gb5015-92）的要求進行。
2）模型鋼筋
模型鋼筋採用回火鍍鋅鐵絲。根據剛度條件選用直徑為22＃－8＃等多種規格的回火鍍鋅鐵絲。根據模型和原型配筋率相似的原則進行模型配筋，並滿足構造要求。
3）模型型鋼
對型鋼的模擬採用剛度相似原則，梁柱型鋼、型鋼混凝土內型鋼及支撐型鋼（包括工字型、十字型和箱型）用不同厚度的薄鋼板（或紫銅）焊接而成，模擬實際工程中不同截面的型鋼。
4）模型鋼結構
對模型內連桿、梁、柱等鋼結構構件，採用剛度相似的原則設計，選用成品鋼結構構件（或紫銅構件）加工成形。
5）模型鋼管混凝土
模型鋼管混凝土採用鋼管（或紫銅管）微粒混凝土來製作。鋼管（或紫銅管）內灌注微粒混凝土，微粒混凝土中加入膨脹劑以防止鋼管（或紫銅管）與混凝土之間離析。根據鋼管（或紫銅管）混凝土構件整體剛度相似原則，盡量兼顧模型的強度相似，選擇不同壁厚和直徑的鋼管（或紫銅管）和不同配合比的微粒混凝土。
在模型製作前，先進行小比例的構件試驗，確定材料的剛度和強度。
6）防屈曲支撐模擬
防屈曲支撐（ubb）初步擬定小震作用下按剛度相似來模擬，大震時考慮換一批ubb，按阻尼相似模擬。具體模擬方案還要與設計方及製作方溝通協商確認。
測點的布置主要考慮測試模型的動力特性、結構的**反應以及關鍵部位的受力情況和彈塑性變形情況。因此，需要在適當部位布設加速度感測器、位移感測器及應變片。
1.4.1測點布置原則
1）模型動力特性的測試
由於在振型分析中只需加速度資料，在測點布置上可僅布置加速度感測器。測點主要分布在結構模型兩個水平主振型方向上，中間點（a點）主要用於單方向主振型的測試，外圍點（f點）主要用於空間扭轉振型的測試。
2）模型結構**反應的測試
為了解結構模型在x、y、z三個方向上的**反應情況，加速度感測器和位移感測器沿結構的三個方向布置。在a點布置加速度感測器及位移感測器。同時為了考慮結構的扭轉效應，在f點布置位移感測器。
加速度感測器及位移感測器沿結構高度布置，測點的豎向分布間距以反映結構模型的整體情況為原則。
3）應變測點的布置
應變測點布置在重點觀測的柱、梁的桿件上，具體布置根據計算結果，並與設計方商討確定，監測重點部位的受力情況和彈塑性變形情況。
1.4.2測點布置方案
結構測點的平面及豎向布置圖見圖1-6、1-7。模態測試及**反應測試用加速度感測器測點布置方案見表1-2，共有74個通道。
應變測點布置在結構複雜連線、轉換桁架、主要受力構件、以及防屈曲支撐構件等處。具體布置方案將根據計算結果與設計方商討後確定。
在進行結構**反應試驗之前，先進行結構的模態測試，分別在x、y、z三個方向輸入白雜訊，測定結構震前的動力特性，為了保證模型在彈性變形範圍內，白雜訊的加速度幅值採用0. 05g。模態測試工況見表1-3。
表1-3 模態測定試驗工況
在每個**水準試驗前後，各輸入一次白雜訊用以測定結構動力特性的變化情況。
在多遇**作用下，分別按甲方提供的人工波1、天然波1、天然波2三個**波進行x向、y向和z向的單向輸入，以便用來與按《建築抗震設計規範》彈性計算的結果進行比較和驗證。然後再進行最危險方向74度方向輸入和x+y+z三向輸入。模型試驗工況及順序見表1-4。
在設防烈度**作用下，分別進行x向和y向單向輸入，以便與結構動力彈塑性時程分析結果進行比較。然後進行x+y+z三向輸入。模型試驗工況及順序見表1-5。
在罕遇**作用下，根據前面的實驗選用最不利**波，分別進行x向和y向單向輸入和x+y+z三向輸入，以便與結構動力彈塑性時程分析結果進行比較。模型試驗工況及順序見表。
表1-2 多遇**試驗工況及順序
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