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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。