一种研究框架结构振动响应特征的模型试验方法及系统

摘要

一种研究框架结构振动响应特征的模型试验方法及系统，方法包括以下步骤：1)模型制作；2)模型加载：分为两个部分：①模型初始应力状态和边界条件；②模型结构在不同模拟振动荷载加载；3)振动台模型试验过程监测：分别进行了加速度监测和应力应变监测。系统包括模型制作系统、模型加载系统和模型监测系统：模型制作系统包括结构混凝土和钢筋相似材料，模型结构和底板浇筑；模型加载系统包括结构的固定装置、振动模拟荷载施加装置；模型监测系统包括加速度监测单元和应力应变监测单元。本发明解决了框架结构模型制作复杂的问题；研制出可行的模型试验系统；能够客观直接反应出框架结构在振动作用下的放大效应和加载参数对结构的影响规律。

说明书

技术领域

本发明涉及框架结构振动台物理模型试验领域，具体涉及一种研究框架结构振动响应特征的模型试验方法及系统。

背景技术

近年来，随着框架结构的迅速发展，建筑结构在振动作用下的响应特征和变形机理的研究越来越受到人们的重视。自然地震波因其频率低、衰减慢、持续时间长和携带能量巨大的特点很容易对建(构)筑物产生危害，而随着城市建设的高速发展，爆破施工在工程建设中的广泛应用，施工过程中产生的爆破振动波也会对周围建(构)筑物产生影响，可见研究分析框架结构的振动响应特征非常必要，可为爆破振动控制和结构抗震设计提供依据。

目前对于振动作用下框架结构的响应特征分析的研究主要采用三种方法：现场试验、数值模拟和物理模型试验。现场试验的不足之处在于试验周期长，试验成本高，并且很难找到两个完全相同的试验条件；采用数值模拟方法存在的问题是由于框架结构在振动作用下变形的复杂性，数值模拟结果的可靠性往往很难保证；而振动台物理模型试验在分析结构设计是否合理以及评价结构的稳定性能方面具有无可替代的作用，相比于应用数值模拟技术，振动台试验具有可直观反应结构的变形和破坏过程，更能实际的反映出各种物理现象和规律。

通过振动台物理模型试验对模型框架结构进行振动加载以研究框架结构在振动作用下各层的加速度表现出的高程放大效应以及结构关键构件的应变特征，并通过改变加载振动的参数(强度、频率、持续时间)研究各加载参数对结构的影响，对获得的监测数据进行定量和定性的结合分析，具有重要的理论和实际意义。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，针对现有技术存在的上述不足，提供一种研究框架结构振动响应特征的模型试验方法及系统。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种研究框架结构振动响应特征的模型试验方法，包括以下步骤：

S1、模型制作：合理概括框架结构在振动作用下的响应规律，根据物理模型试验相似理论确定框架结构中钢筋相似材料和混凝土相似材料，并考虑振动台模型试验的实际可操作性，包括：振动台台面尺寸、振动台承载能力、模型制作难易程度，得到试验相关物理量的相似比，然后以一栋钢筋混凝土结构为原型进行小比例尺缩尺模型制作，考虑现有试验条件的局限以及试验研究的目的，在模型制作过程中主要包含结构梁、柱、板的制作，而忽略结构剪力墙及其它结构的制作，通过模型制作得到物理试验模型；

S2、模型加载：分为两个部分：(1)模型初始应力状态和边界条件：试验中为了弥补模型结构重力效应的不足，在模型每层楼上均匀布置砖块充当附加人工质量，此外，为了使模型结构与原型结构具有相同的边界条件，制作底板使模型结构底部与振动台固定连接，保证在进行振动试验时模型结构和振动台共同振动；(2)模型在不同模拟振动荷载加载：在试验过程中通过振动台的控制系统改变加载振动波的频率、强度、持续时间，研究各加载参数对模型结构的影响规律；

S3、振动台模型试验过程监测：在进行振动台模型试验时，合理的测点布置能更好的反应出模型结构各测量参量的变化规律，在模型结构的各层上布置了加速度监测点和应力应变监测点，在振动加载过程中，对模型结构各加速度监测点和应力应变监测点进行加速度监测和应力应变监测，并记录各加速度监测点的加速度变化值以及各应力监测点的应力应变值，以研究模型结构在不同振动加载作用下各层的加速度和应力应变特征。

按上述方案，所述模型的制作流程具体包括以下几个工序：

a、根据选取的原型结构设计出模型结构的浇筑设计图，并在图上标明模型结构中各构件钢筋相似材料的配筋以及模型各层的梁、柱、楼板的尺寸；

b、按照模型结构的浇筑设计图中要求的模型结构的尺寸，用薄木板作挡板，计算出模型浇筑时每层挡板的长和宽，把薄木板按照要求尺寸切割成一块底面挡板和六组周围挡板，并进行编号；

c、用泡沫块充当模型浇筑过程中的填充材料，把预定好的长方体泡沫块，按照模型结构的梁、柱、楼板的尺寸进行切割，使切割后的泡沫的空余部分与模型梁、柱、楼板的尺寸相同；

d、浇筑一层模型结构时，用胶带使底板与周围挡板固定，放入切割好的泡沫块并固定，根据抗弯能力等效原则计算得到的结构配筋用量进行梁、柱、板配筋铁丝和铁丝网的绑扎工作，然后按照配方量进行混凝土相似材料的配比和搅拌工作，待搅拌均匀后倒入制作好的模具中，待一层浇筑完成材料完全凝固后即可开始下一层的浇筑工作；

e、各层全部浇筑完成后，在自然条件下放置，待整体模型结构完全凝固后即拆除周围模板，小心掏出中间的泡沫块，并进行适当修整，检查模型结构是否满足相似比的要求，若满足即得到试验用的用于研究框架结构振动响应特征的物理试验模型。

按上述方案，所述步骤S2中底板的制作流程具体包含以下几个工序：

a、根据模型结构的尺寸和振动台台面尺寸设计出底板结构的浇筑设计图，并在图上标明底板结构的尺寸、底板固定孔位的尺寸及位置、底板与模型结构连接孔位的尺寸及位置；

b、按照底板结构的浇筑设计图中要求的底板结构的尺寸，把薄木板切割成一块底面底板和6组周围挡板，并用胶带逐层固定为整体，用来作为浇筑的模具；

c、根据底板结构的浇筑设计图中的固定孔位和与模型结构连接孔位的大小和位置，把填充材料切割成相应大小并固定在模具中的相应位置，把配比均匀的模型材料浇筑在模具中，待浇筑的模型材料完全凝固后拆除周围挡板和孔位填充物得到底板。

按上述方案，所述模型结构与振动台的固定、附加荷载的加载以及进行不同模拟振动荷载施加的具体操作流程为：

a、通过制作好的底板使模型结构底部与振动台固定连接，首先通过螺栓使底板与振动台固定牢固，然后把模型结构底部的柱结构放置在底板预留的孔位中，在缝隙处浇筑粘结材料，使模型结构底部通过底板与振动台固定为一个整体；

b、采用欠人工质量模型的方法(在模型结构上设置尽可能多的附加人工质量以此来尽可能补足重力效应和惯性效应的不足)，根据等效密度的原则计算得到合理的附加总质量，然后均匀布置在模型结构各楼层上，附加人工质量布置在楼板的中心位置，并通过粘结材料使附加人工质量与模型结构相固定；

c、在试验过程中通过振动台的控制系统改变加载振动波的频率、强度、持续时间，根据设定好的各组加载参数进行振动加载，通过对比相同加载强度不同加载频率和相同加载频率不同加载强度下模型结构的响应特征研究加载强度和频率对模型结构的影响规律，通过对加速度时程曲线进行时间分解研究加载持续时间对模型结构的影响规律。

按上述方案，所述步骤S3中的加速度监测点通过加速度计进行监测，由于数据收集通道有限，加速度计设于模型结构0、2、4、6层左右两侧(这样既研究了模型结构各层加速度的变化规律，又验证了模型结构左右两侧的抗侧刚度是否均匀)，加速度计放置于各监测楼层的相同位置，放置方向与振动台的振动方向相一致，并通过粘结材料使加速度计与模型结构相固定。

按上述方案，所述步骤S3中的应力应变监测点通过应变片进行监测，应变片监测点设于模型结构的梁和柱上，柱上的应力应变监测点位于柱的底部，梁上的应力应变监测点位于梁的左侧端部，以研究模型结构在振动作用下结构关键构件梁、柱的应力应变变化。

本发明还提供了一种研究框架结构振动响应特征的模型试验系统，包括模型制作系统、模型加载系统和模型监测系统：

所述模型制作系统用于制作模型结构和制作固定模型的底板结构，包括模具制作设备、钢筋相似材料、混凝土相似材料、模型浇筑填充材料；所述模具制作设备包括用于浇筑模型结构的模具制作设备和用于浇筑底板的模具制作设备，所述用于浇筑模型结构的模具制作设备主要按设计的尺寸对薄木板进行切割成一块第一底板和6组周围挡板；所述用于浇筑底板的模具制作设备主要通过对薄木板按尺寸切割成一块第二底板和4块周围挡板；所述钢筋相似材料为根据抗弯能力等效原则确定的固定规格的镀锌铁丝；所述混凝土相似材料为根据相似理论和单轴抗压试验得到的合适水膏比的石膏材料；所述模型浇筑填充材料为剪切后的泡沫块；

所述模型加载系统包括模型结构固定装置和振动模拟荷载施加装置：所述模型结构固定装置用于把制作成的底板，通过螺栓固定在振动台上以固定模型结构；所述振动模拟荷载施加装置采用振动台进行振动波形的加载工作，振动台包含台面和基础，高压油源和管路系统，电液伺服作动器，模拟控制系统，计算机控制系统和相应的数据采集处理系统；

所述模型监测系统用于监测振动加载过程中模型结构各层的加速度变化以及结构关键构件的应力应变，包括加速度监测单元、应力应变监测单元和应变数据采集箱；所述加速度监测单元采用应变数据采集箱进行数据的记录和分析，所述加速度监测单元为压电式加速度计，放置于模型结构各层的拐角处，所述数据采集箱共有16个数据收集通道，结合配套的信号测试分析系统对监测数据进行记录分析，压电式加速度计与数据采集箱连接，数据采集箱通过数据线与电脑连接；所述应力应变监测单元采用应变数据采集箱进行数据的记录和分析，所述应力应变监测单元为混凝土应变片，所述混凝土应变片设于模型结构各层关键构件梁的左端和柱脚处，通过胶水使应变片与模型结构粘结，同样混凝土应变片通过数据采集线采用桥接的方式与数据采集箱连接。

按上述方案，所述的用于模型结构模型浇筑的第一底板尺寸为300mm×300mm，每组周围挡板组成的内空间尺寸为300mm×300mm×150mm。

按上述方案，所述的用于模型结构与振动台固定的第二底板的尺寸为500mm×500mm，四块周围挡板组成的内空间尺寸为500mm×500mm×10mm，其中底板中部的四个固定孔位的尺寸为30mm×30mm×10mm。

按上述方案，所述泡沫块按照模型结构梁、柱的尺寸进行切割。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

(1)通过模型制作系统，特别是在框架模型结构制作方面，采用在各层结构的空余部分用切割好的规定尺寸的泡沫块作填充物，在浇筑时使得模型结构各层梁、柱、板一体成型，待模型凝固成型后掏出泡沫块的方式得到模型结构，该方法获得的模型结构的强度、弹模等物理参数满足相似比要求，并且模型制作方便、成本低廉、可操作性强，为以后相似的小比例尺框架模型制作提供了指导思路。

(2)通过对试验原型进行简化分析，建立了合理比例尺的物理试验模型，克服了振动台承载能力不足、试验模型尺寸过大等实际情况；在振动台加载时采用正弦波进行加载，更大程度的实现了试验控制单一变量的原则，在研究过程中改变加载正弦波的频率、强度、持续时间参数，对分析研究各加载因素对框架结构的影响规律具有非常重要的意义。

(3)模型试验的主要测量内容是结构各层的加速度和结构梁、柱的应力应变值，在对结构进行监测时同时观察记录模型结构整体的变形破坏情况，通过对测得的加速度时程曲线进行分析，还获得结构各层的层惯性力变化特征和位移变化特征，总体上研究内容系统丰富、研究方法简单方便、研究结果准确可靠。

附图说明

图1为本发明模型结构一层浇筑时的模具结构图；

图2为本发明底板的结构示意图；

图3为本发明试验模型结构监测点分布的结构示意图；

图4为本发明实施例相同加载频率不同加载强度下模型结构各层的加速度响应包络图；

图5为本发明实施例不同加载强度下模型结构关键构件的应变变化规律；

图中，1-第一底板，2-周围挡板，3-泡沫块，4-螺丝孔，5-与框架结构的连接孔。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的技术方案做进一步详细的说明。

参照图1～图3所示，本发明所述的研究框架结构振动响应特征的模型试验系统，包括模型制作系统、模型加载系统和模型监测系统：

模型制作系统用于制作模型结构和制作固定模型的底板结构，包括模具制作设备、钢筋相似材料、混凝土相似材料、模型浇筑填充材料；用于浇筑模型结构的模具制作设备，主要按设计的尺寸对薄木板进行切割成一块第一底板和6组周围挡板，其中第一底板尺寸为300mm×300mm，每组周围挡板组成的内空间尺寸为300mm×300mm×150mm，通过胶带、胶水把模型结构一层挡板与底板固定为整体；用于浇筑底板的模具制作设备主要通过对薄木板按尺寸切割成一块第二底板和4块周围挡板，其中第二底板尺寸为500mm×500mm，四块周围挡板组成的内空间尺寸为500mm×500mm×10mm，并通过胶带和胶水固定；钢筋相似材料为根据抗弯能力等效原则确定的固定规格的镀锌铁丝，根据模型结构梁柱的配筋面积转换公式，计算得模型试验中梁、柱的配筋面积，并以此得到模型梁的配筋选用#20的镀锌铁丝，柱的配筋选用#18的镀锌铁丝，对于楼板中的钢筋配筋模拟，由于试验主要是对结构模型中的梁、柱进行研究，为了试验的可操作性，在模型制作过程中用铁丝网代替楼板中的配筋；混凝土相似材料为根据相似理论和单轴抗压试验对三组水膏比为0.6:1、0.8:1、1:1的石膏材料进行择优选择，考虑材料的强度、密度、弹模和制作难易度，选择水膏比为0.8:1的石膏材料；模型浇筑填充材料为剪切后的泡沫块，其中用于框架结构制作的填充材料是在尺寸为300mm×300mm×145mm泡沫块的基础上，切割去模型梁、柱的尺寸大小得到的泡沫块。

模型加载系统包括模型结构固定装置和振动模拟荷载施加装置：

模型结构固定装置用于把制作成的底板结构通过4个直径为5mm、高为10mm的螺丝孔位固定在振动台上，然后把模型框架结构的一层底柱放入底板上预留的4个尺寸为30mm×30mm×10mm的连接孔位中，在两者间隙浇筑石膏材料使模型结构与底板结构连接牢固；振动模拟荷载施加装置采用振动台进行振动波形的加载工作，振动台包含台面和基础，高压油源和管路系统，电液伺服作动器，模拟控制系统，计算机控制系统和相应的数据采集处理系统。

模型监测系统用于监测振动加载过程中模型结构各层的加速度变化以及结构关键构件的应力应变，包括加速度监测单元、应力应变监测单元和应变数据采集箱；

加速度监测单元采用DH5956应变测试系统，应变测试系统包括加速度传感器和数据采集箱，加速度传感器为压电式加速度计，设于模型框架结构各层的拐角处，数据采集箱共有16个数据收集通道，结合配套的信号测试分析系统对监测数据进行记录分析，压电式加速度计与数据采集箱连接，数据采集箱通过数据线与电脑连接；

应力应变监测单元包括混凝土电阻应变片和DH5956数据采集箱，应变片设于模型结构各层关键构件梁的左端和柱脚处，通过胶水使应变片与模型结构粘结，同样应变片通过数据采集线采用桥接的方式与数据采集箱连接。

以一栋六层高的钢筋混凝土结构原型为例，进行振动台框架结构模型试验，本发明实施例研究六层框架结构振动响应特征的小比例尺模型试验方法，包括以下步骤：

S1、模型制作：合理概括框架结构在振动作用下的响应规律，根据物理模型试验相似理论确定框架结构中钢筋相似材料和混凝土相似材料，并考虑模型试验的实际可操作性，包括：振动台台面尺寸、振动台承载能力、模型制作难易程度等，得到试验相关物理量的相似比，然后以一栋六层高的单间钢筋混凝土结构为原型进行小比例尺缩尺模型制作，考虑现有试验条件的局限以及试验研究的目的，在模型制作过程中主要包含结构梁、柱、板的制作，而忽略了结构剪力墙等其它结构；在浇筑框架结构一层模型时，在模具中放入切割好的泡沫块并固定，然后进行梁、柱、板配筋铁丝和铁丝网的绑扎以及水膏比为0.8:1的石膏材料的配比和搅拌工作，待搅拌均匀后倒入制作好的模具中，待一层浇筑完成材料完全凝固后即可开始下一层的浇筑工作，从下至上逐层浇筑；

S2、模型加载：分为两个部分：(1)模型初始应力状态和边界条件：试验中为了弥补模型结构重力效应的不足，在模型每层楼上放置质量均约为2.7kg砖块充当附加人工质量，此外，为了使模型结构与原型结构具有相同的边界条件，制作底板使模型结构底部与振动台固定连接，保证在进行振动试验时模型结构和振动台共同振动；(2)模型结构在不同模拟振动荷载加载：在试验过程中通过振动台的控制系统，选取加载正弦波来模拟振动波，考虑到模型试验频率的相似常数和振动台的工作频率范围，试验选取30Hz、50Hz、70Hz三组加载频率进行试验。为了分析加载强度对模型结构的影响，在试验前对振动台进行测试发现当加载强度达到0.9g的时候响应误差较大，试验加载强度选取为0.1g、0.3g、0.5g、0.7g，加载持续时间均为180s。相同加载频率不同加载强度下结构各层的加速度响应包络图如图4所示，通过对比相同加载强度不同加载频率和相同加载频率不同加载强度下结构的响应特征可以研究加载强度和频率对结构的影响规律，通过对监测测值的时程曲线进行时间分解可以研究加载持时对结构的影响规律；不同加载强度下结构的应变变化规律如图5所示；

S3、模型振动试验过程监测：在进行振动台结构模型试验时，合理的测点布置能更好的反应出框架结构各测量参量的变化规律，在模型结构的各层上布置了加速度监测点和应力应变监测点，其中在模型结构的底板和2、4、6层左右柱角处各布置压电式加速度计4个，共8个，此外还在每层的柱根处布置了6片应变片，在1、3、6层梁的左侧端部横向布置了3个应变片；在振动加载过程中，对结构各加速度监测点和应力应变监测点进行加速度监测和应力应变监测，并记录各加速度监测点的加速度变化值以及各应力监测点的应力应变值，以研究模型框架结构在不同振动加载作用下各层的加速度和应力应变特征，此外通过对测得的加速度时程曲线进行分析，还可以获得结构各层的层惯性力和位移响应。

以上所述的仅为本发明的较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此采用与本例相同或相近方法，或依本发明申请专利范围所作的等效变化，仍属本发明的保护范围。