华中科技大学硕士学位论文单向水平地震模拟振动台基础设计与施工研究姓名：邹荣申请学位级别：硕士专业：结构工程指导教师：张卉20041112I摘 要 地震模拟振动台是在实验室中研究结构地震反应和破坏机理的最直接方法它可以很好地再现地震过程和进行人工地震波的实验目前对地震模拟振动台的有关研究主要集中在电液伺服控制系统而对其基础研究不多仅仅是对基础进行经验性的介绍这也是振动台发展中的缺憾 地震模拟振动台基础实质上是一个给振动台面运动提供反力的质量块它是振动台可动系统的重要组成部分对基础进行深入全面的研究是地震模拟振动台研究领域的一个必要环节本文针对一个 4m4m 单向水平地震模拟振动台基础进行了设计与施工方面研究与分析 在地震模拟振动台基础的设计中本文从动力基础的基本理论出发进行了结构的计算与动力分析经过 A N S Y S有限元程序进一步计算与比较得出实体式刚体基础的半嵌固理论模型并对填充材料进行分析再对基础尺寸材料配筋进一步分析做出基础结构设计施工图针对振动台基础作出深基坑边坡支护的设计与施工方案在基础的施工中依照设计图制定施工流程图解决了大体积混凝土浇注过程水化热及留置施工缝的问题采用过渡构件解决了高精度预埋件的安装问题通过结构验收及振动台面的顺利安装证实了这些施工措施是有效的最后针对振动台基础作出深基坑边坡支护的设计与施工方案 本文是对单向水平振动台基础设计与施工方面的一些方面的研究与总结具有一定的实用性希望它能为其他类振动台基础的建设与研究提供参考 关键词振动台 振动台基础 质弹阻模式 施工技术 IIAbstract By using shaking table test is a direct method to study earthquake response and failure mechanism of structure. Shaking table can simulate earthquake and perform related experiment. At present, the research about shaking table is focused on electro-hydraulic servo system, little on its foundation. This is a shortage of shaking table progress. Actually, foundation of shaking table is a mass that provide reaction to table movement and is an important part of the moving system. It is indispensable to study foundation of shaking table fully and deeply. This paper analyses an actual project, one 4mx4m single directional horizontal shaking table foundation, and studies its design and construction. In design process, beginning with the analysis basic theory of dynamical foundation, this paper calculates and analyses the foundation simply by hand and deeply by using Finit Element program. By comparing the two results, it presents a new half-in-ground model. After analyzing the fill, foundation dimension, material and reinforcing steel bar, the construction drawing can be obtained. During foundation construction, according to blueprint, some actual problems were solved include how to decrease mass concrete solidification quantity of heat and how to settle down construction joint. In addition, a transitional member was designed and the embedded parts were positioned accurately. It was proved that construction methods adopted were right in practice. At last, this paper introduces simply the design and construction of deep foundation shoring. The paper studies and summarizes the design and construction of foundation of shaking table. The study engineering is practical and provides reference for other shaking table construction. Keywords: Shaking table Foundation of Shaking table M-K-C Mode Construction Technology 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果尽我所知除文中已经标明引用的内容外本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果对本文的研究做出贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担 学位论文作者签名 日期 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留使用学位论文的规定即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版允许论文被查阅和借阅本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索可以采用影印缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文 保密 在_年解密后适用本授权书 不保密 请在以上方框内打 学位论文作者签名 指导教师签名 日期 年 月 日 日期 年 月 日 本论文属于 1 1 绪言 1.1 地震模拟振动台及其应用概况 1.1.1 地震模拟振动台发展现状 地震是一种自然现象世界上每年发生地震上百万次三级左右有感觉的地震大约有五万次左右其中对人们的生命财产造成严重破坏的地震世界上平均每年约十八次我国就属于一个地震多发国家近年来在我国河北邢台云南通海阳通四川甘孜辽宁海城和河北唐山西藏新疆喀什发生的几次地震都属于破坏性的强烈地震这些地震造成了巨大的人员伤亡和财产损失因此研究地震的发生及其发展规律分析地震给土木工程结构造成的反应和带来的后果尤其是做好抗震设防工作成了土木工程急需研究和解决的课题 地震模拟振动台可以很好地再现地震过程和进行人工地震波的实验它是实验室中研究结构地震反应和破坏机理的最直接方法这种设备还可用于研究结构动力特性设备抗震性能以及检验结构抗震措施等等另外它在原子能反应堆海洋结构工程水工结构桥梁等方面也都发挥了重要的作用而且其应用的领域仍在不断地扩大振动台实验方法是目前抗震研究中的重要手段之一1 地震模拟振动台始建于60年代末 首先是美国Berkerley 加州大学中建成了6.1m6.1m 的水平和垂直两向振动台随后日本国立防灾科学技术中心建成了世界上最大的 15ml5m 水平或垂直单独工作的振动台 到目前为止据有关资料的不完全统计2 3国际上已经建成了近百座振动台主要分布在日本中国和美国三个国家其中日本拥有的振动台规模最大数量最多中国的振动台规模和数量也相当可观其余的一部分地震模拟振动台分布在其它有地震的国家如墨西哥加拿大法国英国葡萄牙和德国等 根据地震模拟振动台的承载能力和台面尺寸振动台基本上可以分成三种规模即小型的实验荷载为 10t 以下台面尺寸在 2m2m 之内中型的一般实验荷载在2 20t 左右台面尺寸在 6m6m 之内而大型地震模拟振动台的实验荷载可达数百吨以上目前国际上正在建造的最大振动台台面尺寸为 15m25m我国已建造的最大振动台台面为 6m6m多数地震模拟振动台的规模属于中型的即台面尺寸在 2m2m6m6m 之间建造这样规模的地震模拟振动台从投资日常维护和能源消耗三方面考虑都是比较合理的从驱动方式来看大部分地震模拟振动台都采用电液伺服方式即采用高压液压油作为驱动源这种方式具有出力大位移行程大设备重量轻等特点一部分小型振动台采用电动式的目前从激振方向来看单向的和两向的较多但是随着科学技术的发展和抗震研究水平的提高三向的地震模拟振动台有不断增多的趋势其中有一部分是将原有的单向或两向振动台改造成三向振动台 例如加拿大的不列颠大学(哥伦比亚)将 3m3m 的单向地震模拟振动台改造成水平垂直两向的并将进一步发展成三向4美国的海军建筑工程研究实验室(USACERL)将 3.65m3.65m 的地震模拟振动台更新成三向的5中国国家地震局工程力学研究所将水平两向 5m5m 地震模拟振动台改造成三向的(1997 年)同济大学也将 4m4m 水平两向地震模拟振动台改造成三向的(1995 年)华南建设学院(西院)直接引进了 3m3m 三向地震模拟振动台(MTS 公司生产) 1.1.2 地震模拟振动台系统组成 地震模拟振动台作为一个复杂的系统它主要由如下几个部分组成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等现以单向水平振动台为例图 11 为地震模拟震动台系统的示意图三向地震模拟震动台系统原理同单向类似 图 11 地震模拟振动台系统示意图 3 从支撑形式来看振动台的台身部分有台面结构台面支承系统和侧面导向系统三大部分组成支承系统应使台面在振动台的振动方向自由运动目前能见到的支承系统有:1气浮式支承如美国伯克列大学 66m 振动台2滚珠轴承式支承如日本大林组株式会社 64m 振动台3静压导轨支承如中国建筑科学研究院抗震所 36m 振动台4四立柱万向球座支承如大连理工大学 33m 的振动台5交叉十字形钢扳弹簧铰支承如哈尔滨工业大学 33m 的振动台5其中四立柱万向球座支承应用最为广泛但其安装精度要求高 1.1.3 振动台工作的基本原理 电液伺服系统是地震模拟振动台以下简称振动台的重要组成部分具有大振幅大出力高精度响应快的特点它采用模拟控制方式为振动台台面运动提供可控动力使振动台既可按规则波(如正弦波)方式振动又可按地震波方式振动 模拟控制方式是振动台进行可控运动的核心从模拟控制方式来看目前主要有两种一种是以位移控制为基础的 PID 控制方式另一种是以位移速度和加速度组成的三参量反馈控制方式振动台的数控方式主要还是采用开环迭代进行台面的地震波再现目前新的自适应控制方法已经在电液伺服控制中有所应用在振动台方面的应用主要有三种方式一种是在 PID 控制基础上进行的连续校正6 7另外两种是在三参量反馈控制的基础上建立的自适应逆控制方法和联机迭代方法8 利用