大型地震模拟振动台基础设计关键问题研究

摘要

地震是一种重大的自然灾害，地震灾害可能会危及人身安全，造成财产损失，环境污染等严重情况，尤其会对房屋，桥梁等基础设施造成重大损害。近年来我国大部分地区正处于地震多发期，因此，地震灾害所带来的风险也日益增大，减轻结构在地震中所造成的人员伤亡和经济损失等成为亟待解决的问题。地震模拟振动台是对工程结构或机电设备等进行抗震性能试验最为有效和直接的工具。地震模拟振动台可以充分模拟地震过程及人工地震波试验，它是实验室中研究结构地震反应和破坏机理最直接的方法。这种设备还可用于研究结构动力特性、抗震性能以及检验结构抗震措施。所以，对地震模拟振动台设计和施工的研究具有实际意义。地震模拟振动台的基础支撑着整个振动台系统，如果其振动过大，不仅会破坏台面的运动性能，还会影响现场工作人员的健康，更为严重的是会危害到周围建筑物和设施。因此，在建造振动台时必须对基础进行合理的设计，把基础的最大振动控制在规定的范围之内。
　　本研究主要内容包括：⑴阐述了荷载、地基土参数的确定方法以及地基振动的容许标准。基于设计实例的设备资料、场地资料、地震效应和场地土的腐蚀性等设计背景条件，结合相关设计准则，进行了初步方案比选。针对比选结果根据规范进行详细设计，得出两个不同设计参数的设计方案。⑵根据集总参数法原理，采用理想集总参数法对两个设计方案进行验算。对各种扰力作用下的振动台基础进行了振动分析，计算出不同种振动情况（竖向振动、扭转振动、水平倾侧藕合振动、偏心竖向振动）下的振幅、频率。对比两种不同设计方案的振幅，选取最优方案。经过计算，得出方案一中基础的水平向振幅为0.077mm，垂直向振幅为0.150mm，均满足规范限值要求。⑶采用solid45单元建立混凝土基础的三维实体模型，利用弹簧-阻尼单元COMBIN14模拟地基与基础之间的接触关系，通过有限元模拟的手段，得出振动台基础在振动台开启的过程中所产生的三个方向的位移，与第三章集总参数法得出的结果进行比较，可以得出结论:该基础在振动作用下的位移值满足规范要求，集总参数法可以作为设计方法而采用。⑷针对基础的刚度，基础的质量，地基阻尼进行参数化分析，可以得到以下结论：改变基础刚度对振动台基础的振动影响并不显著；改变基础质量时，随着基础质量变大，基础的质量比变大，从而使得基础阻尼减小，振动影响变大，因此在建造设计混凝土基础的过程中，尽量选择密度较轻的混凝土，有助于减小振动响应；改变地基阻尼时，随着地基阻尼变大，基础的振动影响变小，说明增大地基阻尼对基础的共振效应具有减弱的作用。⑸东南大学九龙湖校区新实验室大厅设计方案是按照抗震设防7度进行考虑。振动台开启过程中其动力作用需按照使用荷载考虑到荷载组合中，在考虑振动台动力效应的基础上，对原有的设计方案进行优化，主要提出三点优化措施：增加主体结构竖向构件的抗侧刚度；增加主体结构楼盖的水平刚度；屋盖与柱项之间原聚四氟乙烯橡胶垫改为设置橡胶隔振支座。⑹考虑振动台开启过程中对周边环境的影响，根据动力基础设计规范中的相关准则，计算出振动台基础周边0～15米范围内的振动影响，距离振动台15米远处，其振动效应为0.009g，满足规范要求。

目录

声明

摘要

第一章 地震模拟振动台概述及建设概况

1．1 地震模拟振动台

1．1．1 国外地震模拟振动台建设

1．1．2 国内地震模拟振动台建设

1．2 地震模拟振动台的组成和工作原理

1．3 地震模拟振动台的发展趋势

1．3．1 大型足尺试验

1．3．2 地震模拟振动台台阵

1．3．3 全数字控制技术

1．4 地震模拟振动台基础的研究现状和动态

1．4．1 动力基础的形式

1．4．2 地震模拟振动台基础的形状

1．4．3 振动台基础研究的现状

1．4．4 动力基础的理论计算方法

1．4．5 动力基础理论计算方法在振动台基础设计中的研究现状

1．4．6 关于大型机器振动对建筑物影响的研究动态

1．5 东南大学大型地震模拟振动台简介

1．5．1 建设项目背景

1．5．2 东南大学大型地震模拟振动台的建设目标

1．5．3 东南大学大型地震模拟振动台的设计参数

1．5．4 配套建设项目

1．6 本文研究的目的与主要内容

1．6．1 研究目的

1．6．2 研究内容

第二章 振动台基础初步设计

2．1 概述

2．2 荷载的确定

2．2．1 水平与竖向荷载

2．2．2 绕竖轴回转荷载

2．2．3 绕水平轴摇摆荷载

2．3 地基土参数的确定

2．4 容许振动标准

2．5 初步设计

2．5．1 设备资料

2．5．2 场地资料

2．5．3 地震效应

2．5．4 场地土的腐蚀性

2．5．5 初步设计方案

2．5．6 地基承载力验算

2．5．7 天然地基承载力的计算

2．5．8 桩基础的设计

2．6 本章小结

第三章 振动台基础振动分析验算

3．1 概述

3．2 基础的力学模型与振动方程

3．3 理想集总参数法

3．3．1 理论基础

3．3．2 基本假定

3．3．3 计算模型

3．3．4 计算模型

3．4 等效集总参数法

3．4．1 理论基础

3．4．2 基本假定

3．4．3 计算模型

3．5 美国《基础工程手册》方法

3．6 Lysme比拟法

3．7 集总参数法的选取

3．8 方案一振动分析

3．8．1 集总参数的确定

3．8．2 自振频率计算

3．8．3 振动分析

3．8．4 振幅计算

3．8．5 方案一小结

3．9 方案二振动分析

3．9．1 集总参数的确定

3．9．2 自振频率计算

3．9．3 振动分析

3．9．4 振幅计算

3．9．5 方案二小结

3．10 方案对比

3．11 本章小结

第四章 振动台基础设计关键问题研究

4．1 数值模拟法建模及结果分析

4．1．1 ANSYS简介

4．1．2 ANSYS有限元模拟验证

4．1．3 数值模拟法与集总参数法对比

4．1．4 分析结果对比

4．2 数值模拟法参数化分析

4．2．1 基础刚度对振动反应的影响

4．2．2 基础质量对振动反应的影响

4．2．3 地基阻尼对振动反应的影响

4．3 振动台对配套结构影响分析

4．3．1 配套建设项目

4．3．2 设备开启对大型反力基础影响

4．3．3 设备开启对实验室大厅影响

4．4 振动台的振动对周围环境影响分析

4．4．1 输入荷载

4．4．2 基础参数计算

4．4．3 振动计算

4．4．4 振动衰减计算

4．5 本章小结

第五章 结论与展望

5．1 结论

5．2 展望

致谢

参考文献

作者简介