高层建筑结构振动台模型试验与原型对比的研究

摘要

工程结构振动台模型试验是研究结构地震破坏机理和评价结构整体抗震能力的重要方法之一,如何正确处理试验模型与原型的相似关系以及如何由模型反应正确推导原型反应是很关键的问题。本文基于振动台试验,以12层的高层建筑框架结构为模型,对其进行了模型设计,并在同济大学土木工程防灾国家重点实验室进行了模型试验。另外,运用大型非线性有限元分析软件MSC.Marc分别对原型结构和模型结构建立了有限元分析模型,并对其进行了地震作用下的动力响应分析。根据相似理论,由模型地震反应按照动力相似关系推导出原型结构的地震反应,并将其与原型结构的计算值进行对比分析。文章分别从结构的自振特性、加速度、位移、层间剪力、结构倾覆力矩和桩身应变来对比原型与模型的动力响应:
　　 (1)对比模型和原型的前10阶自振频率,模型反推值和原型计算值吻合较好;由模型试验得到的振型曲线和原型的模态分析得到的振型相似性较好,故可采用模型试验结果来研究原型结构的动力特性。
　　 (2)按照相似关系,由模型反推得到的原型最大加速度与原型结构计算值相符合,各楼层的加速度时程曲线变化趋势一致,相似性较好。
　　 (3)对比模型与原型的位移时程曲线和楼层最大位移,对比表明:位移时程曲线和各楼层的最大位移都有很好的相似性,按照相似关系由模型推算的原型结构顶层最大位移为21.66mm,原型结构计算得到的结构顶层最大位移为20.36mm,二者误差不大。
　　 (4)根据相似关系由模型反推得到的原型结构底部的最大剪力和倾覆力矩与由原型结构计算分析得到的底部最大剪力和倾覆力矩均相当吻合。
　　 (5)通过对比模型和原型支盘桩桩身应变时程曲线,以及对原型结构数值模拟所得桩身应变云图与模型试验观察到的桩顶破坏情况进行分析,原型计算所得结果和模型试验结果一致。
　　 通过上述对高层建筑结构模型和原型的频率、振型、加速度、位移、剪力、倾覆力矩和桩身应变的对比分析,验证了基于E.Buckinghamπ定理导出的动力相似关系的准确性,结构振动台模型试验可以真实地反映原型结构的地震响应,可以根据模型的试验结果对原型结构进行抗震性能的评估。

目录

文摘

英文文摘

致谢

论文说明:图表目录

第1章 绪论

1.1 概述

1.2 振动台模型试验国内外研究现状

1.3 结构振动台模型试验概论

1.3.1 模型试验的发展

1.3.2 结构模型的分类

1.3.3 结构抗震试验流程

1.3.4 振动台模型试验

1.4 振动台模型试验研究的目的和必要性

1.4.1 振动台模型试验研究的目的

1.4.2 振动台模型试验研究的必要性

1.5 高层建筑结构振动台模型试验中存在的问题

1.6 本文研究的主要内容

第2章 结构模型试验的相似理论

2.1 概述

2.2 结构模型试验

2.1.1 模型试验的特点

2.1.2 模型试验的意义

2.3 模型试验相似理论

2.3.1 相似理论的发展

2.3.2 相似理论三定理

2.3.3 相似准则的导出方法

2.4 结构模型试验的动力相似条件

2.4.1 物理条件相似

2.4.2 几何条件相似

2.4.3 边界条件相似

2.4.4 运动条件相似

第3章 高层建筑结构振动台模型试验的设计与实现

3.1 概述

3.2 振动台性能参数

3.3 模型试验的目的和基本原则

3.3.1 试验目的

3.3.2 试验的基本原则

3.4 振动台试验模型设计

3.4.1 模型的相似关系设计

3.4.2 试验模型的结构设计

3.4.3 土体的边界条件模拟及土箱设计

3.4.4 模型用土的物理力学性质

3.4.5 模型结构施工图及其制作

3.5 模型试验的测试仪器和测点布置

3.5.1 测试仪器

3.5.2 测点布置

3.6 试验地震波的选择

3.7 试验加载制度

3.7.1 自由场试验加载制度

3.7.2 相互体系振动台试验加载制度

第4章 非线性有限元软件MSC.Marc在振动台试验中的应用

4.1 概述

4.2 有限元软件MSC.Marc的组成及特点

4.2.1 有限元软件MSC.Marc的组成

4.2.2 有限元软件MSC.Marc的特点

4.3 MSC.Marc非线性动力分析

4.3.1 非线性方程的直接积分

4.3.2 塑性的影响

4.3.3 几何非线性

4.3.4 非线性加载和边界条件

4.3.5 精度和稳定性

4.3.6 利用Marc进行非线性瞬态分析

4.4 高层建筑结构-土相互作用体系的几何建模

4.4.1 建模对结构对称性的利用

4.4.2 划分网格时要兼顾精度和经济性

4.4.3 有限元模型的建立

4.4.4 材料属性的定义

4.4.5 边界条件的定义

4.4.6 接触定义

4.4.7 有限元几何模型的分析运算

第5章 模型与原型的结构动力响应对比分析

5.1 概述

5.2 原型结构的有限元计算分析

5.3 模型与原型结构的自振特性对比

5.3.1 结构的自振频率对比

5.3.2 结构的振型对比

5.4 模型与原型的加速度对比

5.4.1 结构的加速度时程对比

5.4.2 结构加速度峰值对比

5.5 模型与原型的位移对比

5.5.1 位移时程分析对比

5.5.2 结构楼层最大位移对比

5.6 模型与原型的剪力和倾覆力矩对比

5.6.1 结构内力计算简化模型

5.6.2 结构层间剪力对比

5.6.3 结构倾覆力矩的对比分析

5.7 模型与原型的桩身应变对比

5.8 本章小结

第6章 结论与展望

6.1 本文研究的主要结论

6.2 后续工作的展望

参考文献