基于尺寸效應振動臺模型試驗創新設計

孫求知 王燕華 陳 晨

(東南大學土木工程學院，江蘇南京 211189)

0 引言

隨著經濟的發展，一些超出設計規范要求的結構形式不斷出現，為了追求建筑造型新穎和建筑多功能、多用途，建筑師設計了眾多體形復雜和內部空間多變的高層建筑，這些建筑結構一般都是不規則的，有的是特別不規則的，而且近年來出現了大批超高層結構和超大跨度結構，對于這些結構的抗震性能的理論分析還不夠完善，因此模擬地震振動臺試驗成為目前一種非常重要和實用的抗震研究方法。

振動臺模型試驗是通過地震模擬振動臺將地震波施加到模型上，通過直觀的觀察和各種途徑的數據采集，可以得出模型的破壞形式和結構的薄弱環節，為建筑結構的設計和結構的抗震提供一定的依據。

本文通過大量閱讀目前國內振動臺模型試驗的研究文獻，對這些文獻作出一定的整合與概括，同時針對振動臺模型試驗中存在的問題提出了一些思考與建議，并且對尺寸效應在振動臺模型試驗中的影響進行了具體闡述和后續的一些研究措施。

1 地震模擬振動臺

模擬地震振動臺系統是地震工程研究工作的重要設備，在結構模型的抗震性能試驗中，振動臺可以根據人們的需要，模擬或者再現地震波的振動，通過測定模型在這些振動波下的響應，經過相似關系的換算可以推測出原型結構在地震波下的響應。

世界上第一個振動臺是日本于1966年建成的正弦波振動臺，經過不斷的發展，到了21世紀，世界上已經出現了各種不同形式和尺寸的振動臺。

就國內而言，大型的振動臺系統見表1。

2 振動臺模型試驗存在的問題

表1 大型振動臺系統表

地震模擬振動臺試驗是一個對現實結構在地震作用下的模擬過程，在這個試驗的設計和實施環節中，實驗者模擬的情況和現實總會有一些差距，這就導致了試驗中會存在一些不可避免的問題。

主要的問題存在于以下幾個方面:

1)模型與原型的相似問題。

自凝樹脂制作9個長方體試件(8 mm×8 mm×15 mm)，在其表面1/2的中心位置制備窩洞(4 mm×4 mm×3 mm)，沖洗吹干，充填3M光固化復合樹脂并光照固化，隨機留存3個樹脂面不做處理，將剩余33個樹脂面隨機分為A、B、C 3組，每組11個樹脂面，分別對3組樹脂面進行表面處理。

原型結構一般尺寸很大，很多模型都是通過原型經過一定比例的縮小而形成的，由于尺寸的不同會導致測試結果的誤差;有些結構原型構造復雜，在縮尺模型中無法體現的結構構造會進行一定的簡化，簡化之后的模型動力性能與原型結構有一定的差異;重力失真效應使得模型相對于原型柱子的軸壓比產生變化，從而對測試結果產生一定影響。

2)模擬地震波的加載與真實地震情況下的差異。

振動臺模型試驗一般都是對一個模型進行加速度峰值由小到大的多次試驗，在多次試驗的過程中，模型可能產生一定的變化或者破壞，從而使得模型的激勵與初次進行激勵的響應不同。

3)數據采集與分析的誤差。

目前計算結構的位移是通過不連續的加速度積分而來，而這些加速度數據由于其本身不是連續的，導致兩次積分之后數據產生誤差，計算得出的結構位移與實際情況有差異。

這幾個問題只是影響振動臺模型實驗的精度與準確性的重要因素，在實際試驗過程中，我們應該盡量把這些因素的影響降低到最小，或者設計進行相關的試驗，得出一些因素的影響規律，通過這些規律推算出誤差的大小，從而使得試驗更完善。

3 研究尺寸效應的影響

在上述提到的幾個值得注意的問題中，我們選擇了研究尺寸效應的影響進行深入研究。

我們將按照結構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況下，分別對各個不同尺寸的模型施加的地震波，由相似關系推算出結構原型對地震波的響應。通過比較不同比例模型推算出的結果來分析尺寸效應是否存在一定的規律或者趨勢，從而探討尺寸的不同對試驗結果的影響。并比較不同的尺寸縮小在試驗狀態下，發生破壞時的加速度，模擬地震級數，產生應變。并與實際數值進行比較，從而得出兩者之間的誤差，這也就是由于尺寸效應所造成的誤差。

在前期準備階段，我們已經完成了如下一些工作:模型的制作，基于有限元分析軟件進行的模型尺寸效應的理論分析，模型使用材料的力學性質的測定，初步試驗。在這些前期準備及試驗過程中，我們發現了一問題，并提出了一些解決方案:

1)材料選擇。

由于試驗經費的限制，我們無法像很多大型試驗一樣使用微粒混凝土澆筑試驗所需要的模型。于是我們選擇了使用木頭作為試驗材料，是因為木頭具有較好的可加工性，方便我們對模型的加工，便于我們改變使用材料的尺寸，更好地保證不同大小模型的尺寸具有較好的尺寸比例。這也是本次試驗我們的一個創新點，如果試驗能獲得較好的參數，那么將能大幅度縮減此類試驗的科研經費。

2)模型制作。

上述提到我們選用木材作為試驗材料，雖然木材具有一些優良特性，但是由于沒有類似試驗的借鑒，這個創新點為我們帶來了很多問題:木材的力學性能的測定，木材順紋、橫紋的力學性能的差異，木材自身的缺陷，這些問題都會對尺寸的相似性造成比較大的影響。同時，在模型制作過程中，節點的處理也是一個難題，我們在梁柱的節點處設置了牛腿。

3)木材力學性能的測定。

我們根據GB 1936.1木材抗彎強度試驗方法的規定制作了木材力學性能檢測的標準試件進行了木材力學性能的測定。

4)初步試驗。

a.傳感器的選測:試驗需要測定模型在振動狀況下的位移、加速度的變化，我們采用了三維數字圖像相關的位移測量方法，這個測量方式可以精確的測定在不同時間下模型的形變，并且記錄下模型破壞一瞬間時的破壞形態，可以與我們理論分析的結構相驗證。

b.試驗數據的采集:由于試驗涉及到的儀器較多:激光位移采集器，加速的采集器以及振動臺等，需要協調一致。

我們設計的試驗，主要是為了探究在試驗中往往被試驗者所忽視或者不計的尺寸效應。尺寸效應一直是影響振動臺模型實驗的一個重要的因素，試驗時將原結構按一定比例縮放，最后得出的結構抗震響應與原結構實際抗震響應是有差距的，且有時差距還很明顯。而我們旨在試驗歸納出尺寸效應所產生的誤差的大致范圍，從而對尺寸效應所引起的誤差有基本了解把握，以此加深我們對振動臺模型試驗的了解，為以后進一步學習有關抗震方面的知識打下基礎。

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