目前抗震试验一般采用什么设备 土木工程结构试验

虽然各种动力触探试验设备的重量相差悬殊，但其仪器设备却大致相同（图3—2）。以目前应用的机械式动力触探为例，一般可分为六部分。

1.导向杆（包括上下导杆）。

2.提引器，目前国内常用的尽管结构各异，但就其基本原理可分为两种形式：

（1）内挂式（提引器挂住重锤顶帽的内缘而提升），它是利用导杆缩径，使提引器内的活动装置（钢球、偏心轮或挂钩等）发生变位，完成挂锤、脱钩及自由下落的往复过程，如图3—3所示。

图3—2　轻型动力触探仪（单位：mm）

1—穿心锤；2—钢砧与锤垫；3—触探杆；4—圆锥探头；5—导向杆

图3—3　偏心轮缩径式

1—上导杆；2—下导杆；3—吊环；4—偏心轮；5—穿心锤；6—锤座

（2）外挂式（提引器挂住重锤顶帽的外缘而提升），它是利用上提力完成挂锤，靠导杆顶端所设弹簧锥套或凸块强制挂钩张开，重锤自由下落。

80年代前，国内外都用手拉绳（或卷扬机）提锤、放锤，和现在的自动脱钩式自动放锤不同。

3.穿心锤，钢质圆柱形，其高径比一般为1∶1—1∶2，中心圆孔直径比导杆外径大3—4mm。

4.锤座，包括钢砧与锤垫，目前国内常用的规格为：轻型（N10），直径为φ45mm；重型（N63.5）与特重型（N120），一般认为直径应小于锤径的 ，并大于100mm（与欧洲标准相同）。

5.探杆，目前国内使用较多的探杆外径为：轻型，φ25mm；中型，φ33.5mm；重型，φ42—50mm；特重型，φ50—φ63mm。

6.探头，从国际上看，外形多为圆锥形，种类繁多，锥头直径达25种以上，锥角有30°、45°、60°、90。、120°，广泛使用的是60°和90°两种。我国常用探头直径约5种，锥角基本上只有60°一种。

结构动力特性

建筑结构动力特性是反映结构本身所固有的动力性能。它的主要内容包括结构的自振频率、阻尼系数和振型等一些基本参数，也称动力特性参数或振动模态参数。这些特性是由结构形式、质量分布、结构刚度、材料性质，构造连接等因素决定，但与外荷载无关。建筑结构动力特性试验量测结构动力特性参数是结构动力试验的基本内容，在研究建筑结构或其他工程结构的抗震、抗风或抗御其它动荷载的性能和能力时，都必须要进行结构动力特性试验，了解结构的自振特性。1．在结构抗震设计中，为了确定地震作用的大小，必须了解各类结构的自振周期。同样，对于已建建筑的震后加固修复，也需了解结构的动力特性，建立结构的动力计算模型，才能进行地震反应分析。2测量结构动力特性，了解结构的自振频率，可以避免和防止动荷载作用所产生的干扰与结构产生共振或拍振现象。在设计中可以便结构避开干扰源的影响，同样也可以设法防止结构自身动力特性对于仪器设备的工作产生干扰的影响，可以帮助寻找采取相应的措施进行防震，隔震或消震。3．结构动力特性试验可以为检测、诊断结构的损伤积累提供可靠的资料和数据。由于结构受动力作用，特别是地震作用后，结构受损开裂使结构刚度发生变化，刚度的减弱使结构自振周期变长，阻尼变大。由此，可以从结构自身固有特性的变化来识别结构物的损伤程度，为结构的可靠度诊断和剩余寿命的估计提供依据。建筑结构的动力特性可按结构动力学的理论进行计算。但由于实际结构的组成，材料和连接等因素，经简化计算得出的理论数据往往会有一定误差。对于结构阻尼系数一般只能通过试验来加以确定。因此，建筑结构动力特性试验就成为动力试验中的一个极为重要的组成部分，而引起人们的关注和重视。结构动力特性试验是以研究结构自振特性为主，由于它可以在小振幅试验下求得，不会使结构出现过大的振动和损坏，因此经常可以在现场进行结构的实物试验，正如本章所介绍的试验实例。当然随着对结构动力反应研究的需要，目前较多的结构动力试验，特别是研究地震，风震反应的抗震动力试验，也可以通过试验室内的模型试验来测量它的动力特性。结构动力特性试验的方法主要有人工激振法和环境随机振动法。人工激报法又可分为自由振动法和强迫振动法。人工激振法是一种早期使用的方法，试验得到的资料数据直观简单，容易处理；环境随机振动法是一种建立在计算机技术发展基础上采用数理统计处理数据的新方法，由于它是利用环境脉动的随机激振，不需要激振设备，对于现场测试特别有利。以上任何一种方法都能测得结构的各种自振特性参数，由于计算机技术的发展和数据分析专用仪器的普及使用，为各种方法所测得的资料数据提供了快速有效的处理分析条件。

检测内容通常分为：地基基础工程检测、主体结构工程现场检测、建筑幕墙工程检测、钢结构工程检测。

常用检测仪器有：高应变基桩检测仪、低应变基桩检测仪、强度检测仪，回弹仪、测厚仪、回弹仪、冲击回波仪、水平仪、钢筋锈蚀仪、波纹管注浆质量检测仪、锚杆测试仪、超声波检测仪、扫描式冲击回波仪、探地雷达、红外成像仪等等。

2、抗震鉴定不是按照烈度分的，这是不同的概念。根据核设施的所在的在设计上会考虑到核级设备的抗震要求，确定SSE和OBE，根据历史调查和分析确定最大加速度，但水平加速度一般不低于0.15g,并且根据不同的厂房结构根据不同的规范确定楼层的响应普，确定设备的承载应力，在专门的设备上进行试验；

第3、4不回答了。

1、钻机5台（标准贯入、动力触探设备相应配套）或有固定的工程勘察劳务资质（工程钻探）企业队伍。

2、室内试验设备需满足下列两种技术装备配备要求之一：

（1）高压固结仪10台，中低压固结仪20台，三轴剪力仪2台，四联直剪仪、无侧限抗压仪、渗透仪各1台；

（2）膨胀仪器、万能材料试验机、压力试验机、岩石三轴仪各1台。

3、原位测试仪3台：载荷试验设备、静探设备、旁压设备、岩石点荷载试验设备、现场剪切设备等设备中任选3类。

4、物探测试检测设备2台：波速检测仪、工程检测仪、地下管线探测仪等设备中任选2类。

5、经纬仪2台、水准仪5台，并提供仪器的检定证书或校准证书。

6、计算机等其它仪器设备，且软件配套齐全。

20世纪70年代以来，为进行结构的地震模拟试验，国内外先后建立起了一些大型的模拟地震振动台。模拟地震振动台与先进的测试仪器及数据采集分析系统配合，使结构动力试验的水平得到了很大的发展与提高，并极大地促进了结构抗震研究的发展。

二、常用振动台及特点

振动台可产生交变的位移，其频率与振幅均可在一定范围内调节。振动台是传递运动的激振设备。振动台一般包括振动台台体、监控系统和辅助设备等。常见的振动台分为三类，每类特点如下：

1、 机械式振动台。所使用的频率范围为1~100Hz，最大振幅±20mm，最大推力100kN，价格比较便宜，振动波形为正弦，操作程序简单。

2、 电磁式振动台。使用的频率范围较宽，从直流到近10000Hz，最大振幅±50mm，最大推

力200kN，几乎能对全部功能进行高精度控制，振动波形为正弦、三角、矩形、随机，只有极低的失真和噪声，尺寸相对较大。

3、 电液式振动台。使用的频率范围为直流到近2000Hz，最大振幅±500mm，最大推力

6000kN，振动波形为正弦、三角、矩形、随机，可做大冲程试验，与输出力（功率）相比，尺寸相对较小。

4、 电动式振动台。是目前使用最广泛的一种振动设备。它的频率范围宽，小型振动台频率

范围为0~10kHz，大型振动台频率范围为0~2kHz，动态范围宽，易于实现自动或手动控制；加速度波形良好，适合产生随机波；可得到很大的加速度。原理：是根据电磁感应原理设置的，当通电导体处的恒定磁场中将受到力的作用，半导体中通以交变电流时将产生振动。振动台的驱动线圈正式处在一个高磁感应强度的空隙中，当需要的振动信号从信号发生器或振动控制仪产生并经功率放大器放大后通到驱动线圈上，这时振动台就会产生需要的振动波形。组成部分：基本上由驱动线圈及运动部件、运动部件悬挂及导向装置、励磁及消磁单元、台体及支承装置。

三、组成及工作原理

1.振动台台体结构

振动台台面是有一定尺寸的平板结构，其尺寸的规模由结构模型的最大尺寸来决定。台地震模拟振动台的组成和工作原理 体自重和台身结构是与承载试件的重量及使用频率范围有关。一般振动台都采用钢结构，控制方便、经济而又能满足频率范围要求，模型重量和台身重量之比以不大于2为宜。振动台必须安装在质量很大的基础上，基础的重量一般为可动部分重量或激振力的10~20倍以上，这样可以改善系统的高频特性，并可以减小对周围建筑和其他设备的影响。

2.液压驱动和动力系统

液压驱动系统给振动台以巨大的推力，按照振动台是单向(水平或垂直)、双向〔水平一水平或水平一垂直)或三向(二向水平一垂直)运动，并在满足产生运动各项参数的要求下，各向加载器的推力取决于可动质量的大小和最大加速度的要求自前世界上已经建成的大中型的地震模拟振动台，基本是采用电液伺服系统来驱动。它在低频时能产生大推力，故被广泛应用。

3.控制系统

在目前运行的地震模拟振动台中有两种控制方法:一种是纯属于模拟控制另一种是用数字计算机控制。模拟控制方法有位移反馈控制和加速度信号输入控制两种。在单纯的位移反馈控制中，由于系统的阻尼小，很容易产生不稳定现象，为此在系统中加入加速度反馈，增大系统阻尼从而保证系统稳定。与此同时，还可以加入速度反馈，以提高系统的反应性能，由此可以减小加速度波形的畸变。为了能使直接得到的强地震加速度记录推动振动台，在输入端可以通过二次积分，同时输入位移、速度和加速度三种信号进行控制。

为了提高振动台控制精度，采用计算机进行数字迭代的补偿技术，实现台面地震波的再现。试验时，由振动台台面输出的波形是期望再现的某个地震记录或是模拟设计的人工地震波。由于包括台面、试件在内的系统的非线性影响，在计算机给台面的输入信号激励下所得到的反应与输出的期望之间必然存在误差。这时，可由计算机将台面输出信号与系统本身的传递函数(频率响应)求得下一次驱动台面所需的补偿量和修正后的输入信号。经过多次迭代，直至台面输出反应信号与原始输人信号之间的误姜小与预先给定的量值，完成佚代补偿并得到满意的期望地震波形。

4.测试和分析系统

测试系统除了对台身运动进行控制而测量其位移、加速度等外，还可对被测试模型进行多点测量，一般是测量位移、加速度和应变等，根据需要来了解整个模型的反应。位移测量多数采用差动变压器式和电位计式的位移计，可测量模型相对于台面的位移或相对于基础的位移加速度测量多采用应变式加速度计、压电式加速度计，近年来也有采用差容式或伺服式加速度计。

电液式激振器的优点是重量轻、体积小，但却能产生很大的激振力，这种电液式激振器又称为动力千斤顶、电液伺服千斤顶、加振器、作动器等。电液式振动台推力可达几十kN~几百kN，主要用于大型结构物的振动试验，诸如汽车的行驶模拟试验、工程结构的抗震试验、飞行器的动力试验以及电工、电子产品的整机环境试验、筛选试验等。 四、加载设计

1、地震模拟振动台试验的加载设计

地震模拟振动台试验的加载设计是非常重要的，荷载选取过大，试件可能很快进人塑性阶段甚至破坏倒塌，难以完整地量测和观察到结构的弹性和弹塑性反应的全过程，甚至可能发生安全事故。荷载选取太小，不能达到预期日的。产生不必要的重复。影响试验进展，而且多次加载能对试件产生损伤积累。因此，为获得系统的试验资料，必须周密地考虑试验加载程序的设计。

进行结构抗震动力试验，振动台台面的输人一般选用地面运动的加速度。常用的地震波谱有天然地霞记录和拟合反应谱的人工地震波。

振动台是一个非线性系统，直接用地震波信号通过D/A转换和模拟控制系统放大后驱动振动台，在台面上无法得到所要求的地震波。在实际试验时，地展模拟振动台的计算机系

统将根据振动台的频谱特性。对输入的地震波进行分析、计算，经处理后再进行D/转换和模拟放大，使振动台能够再现的地震波。

2、在选择和设计台面的输人运动时，需要考虑下列有关因素：

(1)试验结构的周期

如果模拟长周期结构并研究它的破坏机理，就要选择长周期分量占主导地位的地震记录或人工地震波，以便使结构能产生多次瞬时共振而得到清晰的变化和破坏形式

(2)结构所在的场地条件

如果要评价建立在某一场地土上的结构的抗震能力，就应选择与这类场地土相适应的地震记录，即要求选择地震记录的频谱特性尽可能与场地的频谱特性相一致，并需要考虑地震烈度和震中距离的影响。在进行实际工程地震模拟振动台试验时，这个条件尤其重要。

(3)考虑振动台台面的输出能力

主要考虑振动台台面的输出的频率范围、最大位移、速度和加速度、台面承载能力等性能，在试验前应认真核查振动台台面特性曲线是否满足试验要求。

3、地震模拟振动台试验的加载过程和试验方法

地震模拟振动台试验的加载过程包括:结构动力特性试验、地震动力反应试验和量测结构不同工作阶段(开裂、屈服、破坏阶段)自振特性变化等试骏内容。

结构动力特性试验，是在结构模型安装在振动台以前，采用自由振动法或脉动法进行试验量测。试验时应将模型基础底板或底梁固定。模型安装在振动台上以后则可采用小振幅的白噪声输人振动台台面，进行激振试验，量侧台面和结构的加速度反应。通过传递函数、功率谱等频谱分析，求得结构模型的自振频率、阻尼比和振型等参数。也可采用正弦波输人连续扫频，通过共振法测得模型的动力特性。当采用正弦波扫频试验时，应特别注意由于共振作用对结构模型强度所造成的影响，避免结构开裂或破坏。

根据试脸目的的不同，在选择和设计振动台台面输人加速度时程曲线后，试验的加截过程可以是一次性加载或多次加载的不同方案。