模拟地震波作用下框架结构模型的动态响应实验研究 框架结构房子使用寿命
时间：2019-04-17 03:17:16 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
摘要：各种结构在地震波作用下产生较大的内力和位移，引起结构的变形甚至倒塌。由于地震发生的不确定性及不可复制性，目前对于在地震波作用下结构的动态响应多采用数值计算的方法进行。本文通过计算机控制的小型精密振动台产生模拟地震波，对框架结构模型产生激振，通过布置在结构上的传感器记录动态响应信号，根据实验信号对结构的内力及模态进行了分析。
关键词：模拟地震波 振动测试 模态分析
1 概述
相信各位读者对2008年中国汶川地震及日本的大地震还记忆犹新。地震具有难预测，爆发迅速，波及范围广等特点，因此，一旦发生，造成的人员伤亡，财产损失巨大。那么，研究建筑物在地震作用下响应及破坏过程对减少财产损失，特别是保障人的生命安全具有重大意义。各种结构在地震波作用下产生较大的内力和位移，引起结构的变形甚至倒塌。由于地震发生的不确定性及不可复制性，目前对于在地震波作用下结构的动态响应多采用数值计算的方法进行。通过实验的方法对结构模型进行动态加载得到的动态响应数据可以与数值分析的结果进行比较和补充，从而可以全面的了解结构在地震时的某些薄弱环节，为结构的抗震设计提供依据。
2 地震波的人工模拟
在工程设计中，建筑物是否能抵御地震的破坏是不可忽视的设计技术指标，有些建筑工程在设计工作完成以后往往还需进行原型或模型的抗震试验，以检验地震对建筑物的破坏程度。目前我国已制造及引进了各种振动试验设备，特别是大型模拟地震振动台的建造和引进，使在实验室内模拟实际地震成为现实。为了模拟地震，一般可采用由地震现场记录到的实际地震波作为振动试验设备的输入信号。但在实际工程设计、试验及计算中仍希望根据预定条件来生成人工模拟地震波。地震反应谱是用实际地震波时域信号计算得到的，而该运算是不可逆的。在生成地震波前，先用给定的期望地震反应谱来计算功率谱，再根据功率谱生成人工地震波。
由期望反应谱计算出地震波功率谱以后，用随机信号发生器来生成随机相位，再经富氏逆变换来生成地震波。为了使生成的人工地震波的形式更接近实际地震波，在生成地震波模拟软件中我们设计了三种包络线形式（图1）。根据需要可以用任何一种包络线来乘生成的地震波。 ①无包络线(No Envelope)，这种情况生成的地震波信号的包络线取省略梯型包络线形式，其包络线参数AT=Tmax/6、UT=4×Tmax/6、DT=Tmax/6，其中Tmax为地震波的最大时程。②梯型包络线(Trapezoid)参数上升时间AT，持续时间UT和下降时间DT是可以根据需要自由选择的。AT+UT+DT等于地震波最大持续时间。③指数函数包络线(Exponential) I（t）=AM（e■-e■）参数AM，F1，F2和信号总时间长度Ｔ是可以根据需要自由选择的。
图1 生成人工模拟地震波程序的功能选择窗
一般来说，生成的地震波加速度信号的幅值应达到期望加速度幅值，但实际是做不到的。如果已生成的地震波的幅值低于期望幅值时，这似乎是不可理解的，但在以后生成地震波的迭代过程中会逐步修正的。地震波功率谱校正:根据期望地震反应谱，我们近似计算出地震波的功率谱，经富氏逆变换生成出地震波，再用包络线乘地震波、基线校正和幅值校正以后，我们就来计算已生成的地震波的绝对加速度反应谱，然后用期望反应谱Ｓdes(ω)和计算反应谱Ｓach(ω)来修正地震波的功率谱。这样的一次修正过程称为迭代一次，整个迭代过程根据需要进行Ｎ次，当然计算得到的地震反应谱是永远达不到期望地震反应谱的，但误差随迭代的次数的增加会逐渐减小的。
3 振动效应的测试
试验选用小型精密振动台对框架结构进行激振，在框架模型上布置有6个加速度传感器，传感器信号通过电荷放大器进行采集。图2为在模拟地震波作用下传感器的典型响应信号。
图2 加速度时间-历程曲线
4 测试结果与分析
4.1 地震传播规律:模拟地震波的传播规律是根据测量不同激振波下，建筑物振动响应得出的。根据测试结果，比较建筑物顶部三个方向（径向，切向，垂直向）的振动，可以看出水平方向的振动分量对建筑物的振动影响比垂直向分量大，所以将水平方向振动研究的主要对象。
4.2 振动的主振频率是影响建筑物响应的一个主要参数，当主振频率接近建筑物的自振频率时可能发生严重影响建筑物的共振现象。
4.3 建筑物的振动特性，采用传递函数与傅里叶频谱分析研究建筑物的振动特性，可以获得建筑物的自振频率，从建筑物振动时间历程曲线换算获得阻尼比参数也是表征建筑物振动响应特性的一个十分重要的参数。
4.4 从以往所测得的建筑物固有频率来看，除了农舍，烟囱外，其余建筑物都在3到10Hz之间，而模拟振动的主频也在这个范围内，也就是说，激振信号的频率十分接近结构的自振频率这就创造了建（构）筑物产生共振的条件。这也是地震为什么会对建（构）筑物产生影响的一个重要原因，建筑物的自振频率取决于建筑物的自身，是不可改变的。地震振动的主振频率主要取决于地质条件和其他因素，要通过控制模拟振动的主振频率以达到控制共振现象是要进行大量工作的。
5 结论
5.1 模拟地震波水平方向的振动分量对建筑物的振动影响比垂直向分量大。
5.2 框架结构对模拟地震波的激振有明显的响应，产生放大效应，通常建筑物顶部的振动强度高于地表振动强度数倍。在使用振动速度进行安全判据时，必须考虑建筑物的放大效应。
5.3 响应谱分析是预报建筑物对爆破振动响应的有效手段，在评价爆破地震对建筑物的破坏作用时，频谱分析是必须加以考虑的。
参考文献：
[1]谷峰，李奎年，石少卿.用动力减振器消减建筑结构在地震波激励下的随机振动响应.《振动与冲击》2002年第03期.
[2]苏E萨瓦林斯基.地震波.北京：科学出版社.
[3]肖承邺.地震.北京：北京人民出版社.
