地震模拟振动台（振动实验台）

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本文主要内容一览

• 1、建筑结构抗震设计课程教学方法
• 2、上海软土地震响应的振动台模型试验
• 3、建筑结构减隔震及结构控制技术的现状和发展趋势
• 4、大断面地下结构抗震模型试验

地震模拟振动台（振动实验台）

1建筑结构抗震设计课程教学方法

针对土木工程专业建筑结构抗震设计课程教学现状和课程特点，结合教学实践经验，探索采用加强课程间联系、震害系统性分析、比较各国抗震设计方法和增强实践环节等措施，推进以基本概念为主导的教学方法，增强学生课程知识的系统性，加深学生对专业知识的理解程度，提升建筑结构抗震设计课程的教学质量。

中国属于地震多发国家，减轻地震灾害、保护人民生命安全，对保障社会经济发展和人民生活有着重要的作用，其中建筑结构抗震减震是减轻地震灾害的有效技术手段。建筑结构抗震设计是土木工程学科的专业课之一，是一门建立在震害调查基础上的理论性与实践性很强的课程，该课程对培养抗震意识、理解抗震理念、掌握抗震设计的专门人才有重要作用，目前很多学校的建筑结构抗震设计都是必修课程。

地震具有很强的不确定性、结构地震反应的非线性以及地震作用属于动力荷载的特点，因此相对其他土木工程专业课程，结构抗震设计课程理论不够系统、成熟，课程实际教学效果中学生对抗震设计流程不熟练、抗震设计理念掌握得不扎实，不能灵活运用抗震知识。在建筑结构抗震设计课程改革方面，哈尔滨工业大学提出在教学改革中要坚持理论与实际相结合，坚持教学、科研一体化，强化师资队伍建设，注重互动、启发的教学方法，建立长效考核机制的建议。

同济大学提出形成以反应谱理论、概念设计为主线的教学理念，并突出结构变形能力的重要性，讨论了地震震害特点、抗震设防原则、地震作用计算和概念设计及构造措施等四个方面的教学要点。湖南大学提出土木工程专业应按照“大土木”的思想，将建筑结构抗震设计课程拓展为结构抗震设计课程，在教材建设、课程教学等方面做出调整和改革建议。武汉大学提出合理安排教学内容、重视理论推导、教学与规范相结合以及重视实践教学的教学建议。

由此可见，突出“教、学、研”一体化，教学和科研紧密结合，课程教学和实践教学相结合是建筑结构抗震设计课程教学的共同认识，同时应充分调动学生的主动性和积极性，以达到培养建筑抗震综合素质型人才的教育目的。笔者在承担该课程的教学过程中，根据本专业学生思维特点和学习情况，总结了该课程的教学过程应主要强调基本概念、基本理论以及知识体系的宽度，尤其要重视与相关课程知识体系间的衔接，使学生系统性地掌握抗震知识。

一、建筑结构抗震设计课程现状

在土木工程专业四年制本科教学中，建筑结构抗震设计课程通常安排在第六学期或第七学期开展，一般为32学时。该课程不仅要求学生有较好的数学(微分方程、概率论)、力学(材料力学、结构力学)以及动力学(单自由度、多自由度结构动力分析)基础，而且要求学生熟知建筑材料(砌体、混凝土、钢材)、地基基础、砌体结构、混凝土结构以及钢结构等专业课程知识。如何综合运用这些知识，理解掌握抗震设计理论和方法是课程学习的关键。

建筑结构抗震设计课程的教材通常包含了大量中国抗震设计规范的条文、公式以及表格，条文涉及了许多调整系数和抗震构造措施，内容相对乏味且规律性不强。另外，由于建筑结构抗震设计课程与其他课程存在联系，检验教学效果需要涉及很多其他课程的知识，过多的知识重复容易降低学生课堂注意力，且学生对相关知识掌握程度的差异影响课程教学效果。总的来说，建筑结构抗震设计课程具有以下特点:理论难度较大、知识面广、综合性强、实践教学少。

二、建筑结构抗震设计教学方法探索

(一)加强课程间联系，拓展知识和能力的深度和宽度

结构抗震设计是土木工程专业本科生阶段以结构动力学作为主要理论基础的专业课，其前继专业基础课程有理论力学、材料力学、结构力学、混凝土结构设计原理和钢结构基本原理及设计等，它们主要以结构的静力分析和设计为主，与结构的动力分析有很大差别，而且在工程抗震设计实践中仍主要采用等效静力的设计方法。因此强调结构抗震设计课程与前继专业基础课程之间的联系和区别尤为重要。

结构抗震设计的首要任务是确定地震作用，它与混凝土结构和钢结构的设计流程完全相同，相当于结构设计的最不利荷载。反应谱理论是结构抗震设计中的核心概念，其目的就是确定结构的地震作用，同时反应谱理论又是结构动力分析和等效静力分析的联系纽带(如图1所示)，是与其他课程的重要区别。因此，授课老师不仅要讲清楚反应谱理论的基本概念，更要清晰阐述如何通过反应谱理论从结构动力分析转换为等效静力分析。

单条地震动时程记录的反应谱曲线是通过单自由度结构动力时程分析直接得到，规范中的设计谱是通过统计大量地震动时程记录的加速度反应谱曲线，并结合经验进行平滑处理得到。因此通过规范中的设计谱可以近似得到单自由度结构在设计基准期内最大恢复力，将该力作为侧向荷载作用到单自由度结构的质点处进行设计，即完成了结构动力分析转换为等效静力分析的过程。

规范中的设计谱本质上是用来预估结构在设计基准期内可能遭受的地震作用，在前继课程混凝土结构设计原理和钢结构基本原理及设计中，荷载汇集同样是为了确定结构在设计基准期内的最不利荷载，其区别为恒荷载和活荷载是静力荷载，地震作用是动力荷载。因此，荷载汇集可以作为这些课程间的桥梁和纽带，以荷载汇集为课程间知识联系点讲授反应谱理论，一定程度上可拓展学生知识和能力的深度和宽度，加强课程间在培养学生知识、能力和素质等方面的内在联系，将各门课程粘合成一个联系紧密的整体。

(二)重视震害系统性分析，点面结合形成知识体系

地震给人类带来灾难的同时也给人类呈现出宝贵的抗震资料，抗震设计理论是在大量实际经验和教训的基础上发展的，几乎每经历一次大地震，都将呈现出未曾显现或重视的震害现象，抗震设计理论就会随之得到发展。由于地震的随机性和结构地震反应的滞回非线性，抗震设计理论经过一个世纪的发展，仍未形成系统成熟的理论。

结构的震害，尤其是砌体结构和钢筋混凝土结构的震害还不能准确解释。因此，历史上成熟的震害经验就显得尤为宝贵，了解抗震设计理论的发展史将有助于加深学生对抗震理论的认识，拓展学生知识面。例如，2008年汶川8．0级特大地震和2010年玉树7.1级地震中，中小学校舍建筑破坏较为严重，并导致许多中小学生伤亡。根据2010年玉树地震震害调查资料，中小学校舍建筑是所有调查建筑物中破坏最严重的建筑类型，严重破坏和倒塌的占76%，其中倒塌占21%。

汶川地震中钢筋混凝土框架校舍建筑的震害现象为:框架柱震害明显比框架梁严重，不符合一般框架结构“强柱弱梁”原则，而且结构底层柱顶破坏比柱脚严重。通过震害照片、数值模拟分析结果系统阐述这一震害，指出震害的原因和解决方案:必须提高校舍建筑的设防标准，深化落实“强柱弱梁”的抗震措施，对学生产生知识点“爆炸冲击”，让学生从震害分析中获取抗震知识，牢固掌握结构的抗震设计理念。

(三)比较各国抗震设计方法，强化抗震设计思想

中国抗震规范采用两阶段设计方法来实现“小震不坏，中震可修，大震不倒”的三个水准基本设防目标，大部分结构只需要进行第一阶段设计，即采用小震的地震作用进行截面承载力验算和弹性层间位移验算;通过抗震措施来实现第二和第三水准的性能要求。日本建筑基准法规定了两个水准的抗震设计，第一水准相当于中国的中震水平，按照容许应力验算结构的弹性强度;第二水准相当于中国的大震水平，进行结构层间变形、极限层剪力、刚度率和偏心率验算。

美国抗震设计规范按照设计地震(相当于中国的中震水平)进行结构的抗震承载力验算和变形验算，通过选择结构的不同延性等级来满足相应设防水准的要求，采用结构反应调整系数R来折减弹性地震作用，从而考虑结构的弹塑性变形能力对弹性反应谱进行折减。通过横向对比中、日、美抗震设计方法的异同，突出抗震设计的核心理念和中国抗震设计方法的特点。

中国第二水准和第三水准抗震目标的实现属于定性设计，虽然简化了计算过程，表面上降低了运用设计方法的难度，但要求更深入地理解和掌握，务必强调第二水准和第三水准是结构抗震设计的重中之重，是保护结构抗震安全性的关键手段。通过对比各国抗震设计方法可以有助于学生理解、掌握抗震设计的关键点，更好地理解、运用中国的抗震设计方法。建筑结构的抗震设计应巧妙地顺应自然、适应自然，充分发挥结构体系、关键构件的塑性变形和耗能能力，才是降低地震灾害损失最有效的手段。

(四)加强实践教学，全方位体验抗震知识

学生对地震的认识主要通过教材和教学PPT，渠道相对单一，教学手段应充分利用网络资源和实验室资源。首先，让学生观看地震视频形成视觉冲击，如观看美国国家地理频道出品的《终极灾难地震》片段，宏观感受地震对地球、大地、结构、室内物品的影响;观看日本E－Defense振动台的足尺结构试验录像，细致观察结构在地震作用下的振动、变形以及破坏情况。然后，利用实验室中模拟地震振动台真实再现地震过程，让学生如身临其境般感受地震，以及让学生观看结构或结构构件的静力推覆试验，了解结构抗震试验的基本情况。通过上述途径让学生全面了解地震、认识结构在地震下破坏情况，增强学生对于抗震知识的兴趣和好奇心，以便带着问题在课堂上学习抗震知识。

建筑结构抗震设计目前上没有统一的课程体系和教学大纲，但结构抗震问题受到越来越多的关注，该课程对培养合格的土木工程专业人才显得尤为重要。文章总结了几点教学方法和经验，在今后的教学实践中仍将继续探索完善，总体来说该课程应重视与其他课程的联系，强调震害经验及其与各知识点的联系，了解各国抗震设计方法并能灵活运用。因此，该课程应继续倡导“以基本概念为主”的教学理念，以反应谱理论和构件延性为主线，通过震害分析的点面结合开展课堂教学，多启发学生思考，激发学生学习好奇心，增强学习积极性，达到提高教学质量的目的。

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地震模拟振动台（振动实验台）

2上海软土地震响应的振动台模型试验

上海软土地震响应的振动台模型试验具体包括哪些内容呢，下面中达咨询招投标老师为你解答以供参考。

近十多年来,随着地下工程数量的增多和地下结构震害的频繁出现,尤其是受到神户地震的启示, 人们对地下结构的抗震能力有了新的认识,并加强了对地下结构建立抗震设计理论与方法的研究①。

历史上发生的大震表明,软土会放大地震的破坏作用,故对于软土地层厚达250~300m的上海地区开展建立地下铁道抗震设计的分析理论和设计方法的研究具有更重要的意义。张雄[1]等在时间域内研究了土-地下结构相互作用体系的三维地震响应;AKIRA[2]等采用静态有限元法研究了地下结构的的地震响应。国内学者也加强了对地下结构的抗震性能的研究。马险峰[3]等在国内较早、也较详细的对地下结构的震害进了调查和研究,为建立地下结构的抗震计算理论和方法提供了基础;陈国兴[4]等采用子结构法分析了地铁车站结构的地震;张鸿[5]等分析了地铁隧道的非线性地震响应。

杨林德教授进行了上海软土地区典型地铁车站结构振动台模型试验①。该模型试验包括两部分:自由场振动台模型试验和典型地铁车站结构振动台模型试验。前者主要用于模拟自由场地土层的地震反应,以及确定模型箱的工作性能,为进行典型地铁车站结构振动台模型试验提供前提条件;后者则主要用于了解地铁车站与土共同作用时地震动响应的规律与特征。根据模型试验结果,杨超[6]和刘齐建[7]在平面应变假设的基础上研究了上海软土地区地铁车站结构地震响应的计算方法。本文拟对自由场振动台模型试验建立三维计算模型,对其进行三维数值拟合分析,为建立上海软土三维地震响应的数值计算方法奠定基础。

1 自由场振动台模型试验

1.1 试验概况

自由场振动台模型试验[8]模型箱装置如图1所示,为由美国MTS公司生产的三向电液伺服驱动地震模拟振动台。台面尺寸为4.0m×4.0m;最大承载为15t;振动方式为X、Y、Z三向六自由度;频率范围为0.1~50Hz;台面最大加速度为:X向1.2g、Y向0.8g、Z向0.7g。模型箱为高1.2m的中空长方体,沿振动方向净长3.0m,垂直于振动方向净宽2.5m,箱中土体高度1m。

在模型土表面和中部设置了16个加速度传感器,用A表示(图2);并在模型土与箱壁的接触面上布设了4个动土压力传感器,以P表示。试验采集到的信息为模型土和模型箱的加速度值以及模型土与模型箱之间的接触压力值。

1.2 模型土的选择与配制

模型土的性能难于在各个方面都与原状土相似,故试验中力求在最大动剪切模量值和动剪切模量与动应变间关系曲线的变化规律两方面使模型土与原状土尽量相似。

本次试验用来制作模型土的材料选取为褐黄色粉质粘土,原因主要有:(1)这类粘土在上海市区的地表浅层内普遍存在,获取方便,(2)这类粘土干燥时强度较高,遇水后可迅速软化,易于通过调整含水率及密实度使其特性满足对模型土配制的要求。

2 计算模型

2.1 计算区范围的确定

计算区范围与模型箱尺寸一致。模型土长3.35m(激振方向,含两侧泡沫塑料板厚各175mm),宽2.5m,深1.0m,采用实体单元对模型土和塑料板划分三维有限差分网格,如图3所示。

2.2 材料本构模型的选取

对重塑土进行动力试验[9]表明上海软土的动应力应变关系遵循“应变软化”规律:动剪切模量随动剪应变的增加而降低,阻尼比则随动剪应变的增加而增加,其关系可用Davidenkov模型描述为

其中:A、B和γr为拟合常数;γr亦为参考剪应变,γd为瞬时动剪应变;Gd和λ为瞬时的动剪切模量和阻尼比;Gmax和λmax为最大动剪切模量和最大阻尼比。

本次试验选取褐黄色粉质粘土作为制作模型土的原料。Davidenkov模型参数由试验确定[8],见表1。其泊松比为0.4,密度为1760kg/m3;试验[8]测得泡沫塑料板的动弹性模量为4.13MPa,密度15kg/m3,泊松比0.4,泡沫塑料板选用弹性模型。

2.3 边界条件

由于在激振过程中模型箱的刚度较大,其变形可忽略不计,可认为侧向和底部边界在水平方向上的加速度始终与台面输入的试验波一致。因而计算时所采取的动力边界条件为:沿激振方向在模型四个侧面与底面同时施加与振动台台面输入加速度一致的加速度边界;模型底面为竖向固定的边界;顶面为自由变形的边界。

2.4 荷载输入

试验选取三种地震波作为振动台台面输入波,试验加载制度见表2。试验采用单向输入激励,在模型底部输入台面波。

3 计算结果与分析

鉴于自由场振动台模型试验中,用于接受激振响应信息的传感器主要是加速度传感器,因此本文仅分析加速度响应规律。

3.1 加速度放大系数

将测点加速度反应的峰值与振动台台面输入的峰值之比定义为加速度反应的放大系数。各加载工况下,土体表面测点A3和一半深度处测点A25的二维[6]、三维数值模拟计算结果列于表3和表4,测点布置图见图2。

从表3、4可以看出:大部分工况下三维计算结果与二维计算结果以及试验结果均吻合较好,相对误差均在10%之内,表明提出的计算方法能较好的模拟模型土的动力响应规律。仅在El-9和SH-10两种工况时二维和三维的计算结果与试验结果有一定的误差,原因可能是地震动输入峰值过大,土的剪切模量衰减较大,从而使得试验过程中土实际的应力应变关系曲线偏离所采用的Davidenkov模型曲线较大。此外还可看出三维的计算结果大于二维,二维的计算结果大于试验。

3.2 加速度反应时程与富氏谱

图4、5分别为SH-3工况下测点A25的加速度时程曲线及其富氏谱的计算结果与实测结果。由图可见计算结果的波形、幅值与试验结果均基本吻合,两者在各频段的频率组成也基本一致,也表明文中的计算方法能较好的模拟模型土的加速度响应规律。

4 结语

本文对在同济大学进行的上海软土地区地铁车站结构振动台模型试验的自由场振动台试验建立了三维计算模型,分自由场振动台模型试验进行了三维数值拟合分析,得到了模型土的加速度响应规律及模型土与模型箱之间的动土压力,计算结果与实测结果以及按二维模型计算的结果吻合较好,表明本文建立的三维计算模型能较好的模拟模型土的动力特性,为建立计算上海软土三维地震响应的计算方法奠定了基础。对三维计算方法的研究将另文介绍。

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3建筑结构减隔震及结构控制技术的现状和发展趋势

一、传统的抗震方法

地震是由于地面的运动，使地面上原来处于静止的建筑物受到动力作用而产生强迫振动，因而在结构中产生内力、变形和位移。经过简化后模型的动力学分析，即一次次的震害分析进行修正、补充，得到一些建筑物在地震作用下的反应机理及破坏形式，提出了一些建筑物抗争的计算方法及设计的基本原则。这些在实际应用中得到了很不错的效果。

1、概念设计的一些原则

1）总体屈服机制。例如强柱弱梁。

2）刚度与延性均衡。砌体结构中为提高延性设构造柱与圈梁，形成一个较弱的框架。

3）强度均匀。结构在平面和立面上的承载力均匀。

4）多道抗震防线。

5）强节点设计。

6）避开场地卓越周期区。

2、在此基础上作结构地震反应分析，其分析方法主要有：①地震荷载法；②振型分解法；③动力时程分析法。现在还发展了push-over法、能力谱等方法。抗震设防目标也从单一的、基于生命安全的性态标准发展到基于各种性态，强调“个性”设计的设计理念。

3、传统抗震方法的缺点与不足传统抗震结构主要利用主体结构构件屈服后的塑性变形能和滞回耗能来耗散地震能量，这使得这些区域的耗能性能变得特别重要，而一旦由于某些因素导致这些区域产生问题，将严重影响到结构的抗震性能，产生严重破坏，由于破坏部位位于主要结构构件，其修复是很难进行的。

由于传统抗震结构是以防止结构倒塌为目标，其抗震性能在很大程度上依赖于结构（构件）的延性，以往的许多研究也注重于提高结构（构件）的延性方面，却忽略了对结构损伤程度的控制。

4、传统的抗震方法在提高结构性能方面有较多困难。

传统抗震结构的耗能能力主要依赖于主体结构的延性。既要求主体结构强度高，又要求延性好，很难实现。

1）框架结构许多研究者推荐强柱弱梁体系作为最合适的抗震框架体系。该体系可将地震输入能量分散在结构的许多部位耗散掉，甚至可以控制塑性铰出现的顺序与部位，延性对于使建筑物在罕遇地震中保存下来固然很重要，但这些预期的塑性铰区在中等程度的地震中也会产生，延性也同时应被看作是一种“破坏”。后期修复费用也很高。

2）剪力墙结构剪力墙结构体系具有抗侧刚度大，在水平地震作用下的侧移小，其总的水平地震作用也大等特点，常见的震害一般来说为墙面的斜向裂缝或是底部楼层的水平施工缝发生水平错动，当底部屈服后，剪力墙的抗侧作用就很小，且剪力墙的耗能也基本集中与底部塑性铰区域，上部墙体对抵御强震无显著作用。而且剪力墙要承担一定的竖向荷载，因此底部的破坏也十分难修复。

3）框架-剪力墙结构从抗震概念设计来说，框架-剪力墙结构具有了多道抗震防线。有框架和墙体组成的抗震结构中，框架的刚度小，承担的地震作用力小，而弹性极限变形值和延性却较小。整个结构在地震作用下，墙体很快超过自身的较小弹性极限变形，出现裂缝，水平承载力下降，此时框架尚未充分发挥自身的水平抗力；墙体开裂后，框架承担的地震力增大，同时由于结构刚度的变化，地震作用效应也发生了变化。但无论是剪力墙还是框架，都是主体结构的一部分，损伤坏后的修复工作都是比较困难的，而且花费也不小。

二、减振、隔震和振动控制的现状鉴于上述传统抗震方法的缺点与不足，并在全部了解地震引起结构震动的全过程。

由震源产生地震动，通过传播途径传递到结构上，从而引起结构的震动反应。通过在不同阶段采取震动方法控制措施，就成为不同的积极抗震方法。大致包括以下四点：

①震源→消震消震是通过减弱震源震动强度达到减小结构震动的方法，由于地震源难以确定，且其规模宏大，目前还没有有效可行的措施将震源强度减弱到预定的水平。

②传播途径→隔震隔震是通过某种装置将地震与结构隔开，其作用是减弱和改变地震动时结构作用的强度和方式，以此达到减少结构震动的目的。隔震方法主要有基底隔震和悬挂隔震两种。

③结构→被动减震被动减震是通过采取一定的措施或附加子结构吸收和消耗地震传递给主结构的能量，达到减小结构震动的目的。被动减震方法有耗能减震，冲击减震和吸震减震。

④反应→主动减震主动减震是根据结构的地震反应，通过地震系统地执行机，主动给结构施加控制力，达到减小结构震动的目的。

结构隔震、减震方法的研究和应用开始于60年代，70年代以来发展速度很快。这种积极的结构抗震方法与传统的消极抗震方法相比，有以下优点：

①能大大减小结构所收得的地震作用，从而可减低结构造价，提高结构抗争的可靠度。此外，隔震方法能够较准确地控制传到结构上的最大地震力，从而克服了设计结构构件时难以准确确定载荷的困难。

②能大大减小结构在地震作用下的变形，保证非结构构件不受地震破坏，从而减少震后维修费用，对于典型的现代化建筑，非结构构件（如玻璃幕墙，饰面，公用设施等）的造价甚至占整个房屋总造价的80%以上。

③隔震、减震装置即使震后产生较大的永久变形或损坏，其复位、更换、维修结构构件方便、经济。

④用于高技术精密加工设备、核工业设备等的结构物，只能用隔震、减震的方法满足严格的抗震要求。

（一）、隔震

1、基地隔震

1）夹层橡胶垫隔震装置用于隔震装置的橡胶垫块，可用天然橡胶，也可用人工合成橡胶（氯丁胶）。为提高垫块的垂直承载力和竖向刚度，橡胶垫块一般由橡胶片与薄铜板叠合而成。

2）铅芯橡胶支座这样就使支座具有足够的初始刚度，在风荷来和制动力等常见载荷作用下保持具有足够的刚度，以满足正常使用要求，但强地震发生时，装置柔性滑动，体系进入消能状态。

3）滚珠（或滚轴）隔震有自复位能力的；有加铜拉杆风稳定装置；横向油压千斤顶位的。另外，还有加消能装置的，消能装置有软消能杆剪，铅挤压消能器，油阻尼器，光阻尼器等。

4）悬挂基础隔震

5）摇摆支座隔震同原理还有踏步式隔震制作，用于细高的结构物，如烟囟、桥墩、柜体筒体建筑物等。

6）滑动支座隔震上部结构与基础之间设置相互滑动的滑板。风载、制动力或小震时，静摩擦力使结构固结于基础上；大震时；

结构水平滑动，减小地震作用，并以其摩擦阻尼消耗地震能源。

为控制滑板间的摩擦力，使之满足隔震要求；在滑板间可以加设滑层。目前常用的滑层有：涂层滑层（聚氯乙烯）、粉粒滑层（铅粒、沙粒、滑石、石墨等）。

2、悬挂隔震悬挂隔震使将结构的全部或大部分质量悬挂起来，是地震动传递不到主体质量上，产生较小的惯性力，从而起到隔震作用。悬挂结构在桥梁、火电厂锅炉架等方面有大量应用。著名的43层香港汇丰银行新大楼采用的就是悬挂结构。

悬挂结构悬杆受力较大，须采用高强钢，而高强钢忍性差，在竖向地震作用时易拉断。为减小竖向地震作用，可在吊点设减震弹簧，并配合使用阻尼器。

3、隔震应用的注意事项：

1）隔震实际上会使原有结构的固有周期演唱，在下列情况下不宜采用隔震设计：

①基础土层不稳定；

②下部结构变性大，原有结构的固有周期比较长；

③位于软弱场地，延长周期可能引起共振；

④制作中出现负反力；

2）隔震装置必须具有足够的初始刚度，这样能满足正常使用要求。当强震发生时，装置柔性消震，体系进入消能状态。

3）隔震装置能使结构在基础面上柔性滑动，在地震来时这样必然会产生很大的位移。为减低结构的位移反应，隔震装置应提供较大的阻尼，具有较大的消能能力。

4、隔震体系的优点：

1）明显有效地减轻结构的地震反应。从振动台地震模拟试验结果及美国，日本建造的隔整结构在地震中的强震记录得知，隔振体系的结构加速度反应只相当于传统结构（基础固定）加速度反应的1/3——1/10.这种减震效果是一般传统抗震结构所望尘莫及的。从而能非常有效地保护结构物或内部设备在强地震冲击下免遭任何毁坏。

2）确保安全。在地面剧烈震动时，上部结构仍能处于正常的弹性工作状态。这既适用于一般民用建筑结构，确保居民在强地震中的绝对安全，也适用于某些重要结构物和重要设备。

3）减低房屋造价。从汕头，广州，西昌等地建造隔震房屋得知，多层隔震房屋比传统多层隔震房屋节省房屋土建造价：7度区节省3——6%，8度区节省8——14%，9度区节省15——20%.并且安全度大大提高。

4）抗震措施简单明了。抗震涉及的对象从考虑整个结构物的复杂的不明确的抗震措施转变为只考虑隔震装置，简单明了。结构物本身与一般非地震区的做法无疑，设计施工大大简化。

5）震后修复方便：地震后，只对隔震装置进行必要的检查更换。而无需考虑建筑结构物本身的修复，地震后可很快恢复正产生活或生产，这带来极明显的社会效益和经济效益。

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4大断面地下结构抗震模型试验

长期以来,人们对地下结构抗震问题注意不够,一直认为“地下结构是安全的”。然而1995年1月17日发生在日本的阪神大地震,使神户市地铁等各类地下结构均遭受不同程度的破坏,打破了“日本地铁不可破坏”的神话,充分暴露了地下结构抗震的弱点。因此必须深入研究地下结构地震时的响应规律,对其抗震能力重新进行评估。对地下结构抗震问题的研究,主要采用理论分析与实验研究相结合的途径。分析影响地下结构地震响应的因素时,试验研究是重要的、不可缺少的办法。然而国内外现有的研究主要集中在一维线性地下结构,大断面地下结构抗震试验研究的工作开展得极少。

本文通过开展大断面地下结构振动台模型试验,揭示出地震情况下大断面地下结构的一些动力响应分布规律。

1 试验情况

本试验以人防工程中常用的单层多跨无梁楼盖结构为研究对象,用有机玻璃制作了9区格的结构模型。结构模型尺寸为60cm×60cm×24cm,其中中柱横断面尺寸为1.2cm×1.2cm,顶底板厚度为1.2cm,侧墙厚度为5cm。以细干沙模拟场地土,沙层厚度为1m。装沙箱体尺寸为2.8m×1.2m×1.2m。在MTS振动台上结构分别以36cm(工况1)和10cm(工况2)两种埋深进行了地下结构振动台模型试验。在土和结构模型的关键部位布置了62个测点,其中加速度22个(结构上14个,土中6个,箱体上2个),应变30个(结构上),位移3个(结构上),土压力7个(土中2个,结构上5个),分水平、竖直、水平与竖直耦合等3种方式输入阪神(输入量级0.1g~1.2g)和ELcentro(输入量级0.1g~1.2g)两类地震波,主要测得土-结构界面上的动土压力、加速度、结构的动应变、位移等4种物理量。试验输入地震波波形见图1~3,结构模型测点布置见图4,试验用材料参数见表1,各物理量的动力相似关系见表2。

2 试验结果

2.1 加速度反应

随着各测点位置的不同,加速度响应差异较大,总体趋势是:土体和地下结构的加速度都是由低到高逐渐增大,而在同一高程处,土体中的加速度大于结构上的加速度(图5)。结构顶板的加速度响应比底板大,可达到底板的2.3倍。浅埋时加速度响应值普遍比深埋时大,而且增加的幅度比较大。顶板和侧墙上方的放大系数较大,放大作用较强,振动比较激烈。因此,地震时地下结构振动反应最激烈的部位是结构顶板及其两侧墙顶,这些部位需要承受的激振力最大,容易遭受破坏。

2.2 动应变反应

结构顶板的动应变峰值最大,受拉受压循环变化,反应最小的位于结构底板,以受压为最大。中柱和侧墙都是上下两端大,中间小,而中柱比侧墙动应变大(图6)。图7反映的是两种埋深情况下结构侧墙动应变随荷载输入强度的变化。由此可见,深埋结构比浅埋结构动应变小得多。这说明地下结构顶部的覆土对结构的地震反应影响很大,埋深越大,覆土对地下结构的约束作用越大,结构对地震荷载的动力响应越小。图8显示的是两种输入情况下结构中柱的应变情况。由图8可见,水平与竖直耦合输入的地震荷载与同级别水平荷载相比,结构的动应变响应显著增大,因此城市直下型地震对结构的破坏极大,应特别注意预防。

2.3 变形分析

由结构侧墙上排列的3个位移计的测量结果可以发现,在地震荷载作用下,周围场地土的运动会引起结构的变形和运动。由于周围场地土的运动会发生放大作用,其上下位置变形不一致,使结构也发生相应的变形。结构的变形随输入荷载的增大而增大。结构上部的变形大,下部的变形小,结构由原来的矩形变成了平行四边形。且结构中柱和侧墙的上下端动应变和位移都比中间大,这说明地下结构的上下墙角和上下柱角最容易遭到地震的破坏。

2.4 应力分析

就结构各点应力大小来看,结构顶板的角隅处,支柱顶端和底端以及靠近底板的角隅处,应力较大,比较危险,需要在设计和施工时着重注意。

3 结 论

(1)由于地下结构的振动变形受周围场地土的约束作用十分显著,因此地下结构的振动特性受埋深的影响很大,浅埋结构比深埋结构的动力响应大(特别是动应变)。这说明浅埋结构比深埋结构在地震时更易遭到破坏。

(2)地震荷载的竖直分量对结构的动力响应,包括加速度、动应变都有显著的影响,特别是对结构中柱动应变的影响很大。同时结构中柱的动力响应又比侧墙大,由此可推断阪神地震地铁车站破坏的主要原因有:①阪神地震波的主频率比较低,低频成分较多。②阪神地震中地震波的垂直分量比较大,这使得地铁车站的重要构件———中柱内力大大增大,造成中柱破坏,最终导致结构的破坏。

(3)结构的动力响应与输入加速度峰值近似成线性关系,而随着激励振幅的增加,土的共振频率和振幅减小,场地土显示出较强的非线性特性。

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