CN113191035B - 精密光学装置厂房地基筏板地脉动响应的分析方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了精密光学装置厂房地基筏板地脉动响应的分析方法，涉及隔振地基设计分析领域，包括S1待测地址钻孔并取样；S2岩土样本开展模态试验；S3建立岩土样本有限元模型，结合模态试验识别岩土样本的弹性模量与泊松比；S4安装深井传感器，获得地脉动载荷时域信号，分析获得地脉动加速度功率谱密度曲线；S5建立动力学有限元模型，在底部施加地脉动加速度功率谱密度曲线；S6开展地基动力学有限元模型模态分析和基础随机振动响应分析；S7根据动力学有限元模型确定加速度响应功率谱密度；通过对地基筏板地脉动响应的分析评估，在设计阶段获得可靠的厂房筏板上的地脉动响应，提高精密仪器装置稳定性分析评估可靠性，降低精密仪器的研发风险。

Description

精密光学装置厂房地基筏板地脉动响应的分析方法
技术领域
本发明涉及隔振地基设计分析领域，尤其涉及一种精密光学装置厂房地基筏板地脉动响应的分析方法。
背景技术
精密光学装置为了满足其物理功能，对在地脉动载荷下的稳定性有极高的要求，即在地脉动载荷下装置中光学元件的位移或转角响应在微米或微弧度量级。因此，对精密光学装置的稳定性设计是需要重点关注的内容之一，而此类装置稳定性设计定型的主要依据是结构的计算分析结果，稳定性分析通常以厂房地基筏板为边界，将筏板上的地脉动响应谱作为装置厂房结构与装置的载荷输入。但是，在装置工程设计阶段，装置厂房地基未建成或仍处在设计阶段，此时，为了获得装置地基筏板上可靠的地脉动响应以便后期对精密光学装置开展可信的结构稳定性分析，首先需要开展装置厂房地基筏板在地脉动载荷下的响应分析。
发明内容
本发明的目的就在于为了解决上述问题设计了一种精密光学装置厂房地基筏板地脉动响应的分析方法。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的：
精密光学装置厂房地基筏板地脉动响应的分析方法，包括以下步骤：
S1、对待测地址钻孔，并取样获得岩土样本；
S2、对岩土样本开展结构自由状态的模态试验，并获取其一阶模态频率与阻尼比；
S3、建立各岩土样本的有限元模型，结合各岩土样本的模态试验结果，通过模型修正方法识别岩土样本的弹性模量与泊松比；对岩土样本进行称重与几何测量，获得岩土样本的密度；
S4、在钻孔内安装深井传感器，监测获得地基底部的地脉动载荷时域信号，并分析地脉动载荷时域信号获得地基底部的地脉动加速度功率谱密度曲线；
S5、建立厂房地基的动力学有限元模型，并在动力学有限元模型周边及底部施加固支约束，在底部施加分析得到的地脉动加速度功率谱密度曲线；
S6、开展地基动力学有限元模型的模态分析，并基于模态叠加法开展动力学有限元模型基础随机振动响应分析；
S7、在地基筏板上表面中心及边界选取两个关键节点，根据动力学有限元模型分析结果确定所选取节点的加速度响应功率谱密度。
本发明的有益效果在于：通过本方法对地基筏板地脉动响应的分析评估，在厂房地基与精密装置设计阶段获得可靠的厂房筏板上的地脉动响应，提高精密仪器装置稳定性分析评估的可靠性，有效降低精密仪器的研发风险。
附图说明
图1是本发明精密光学装置厂房地基筏板地脉动响应的分析方法的流程示意图；
图2是本发明精密光学装置厂房地基筏板地脉动响应的分析方法的岩土样本自由状态模态试验示意图；
图3是本发明精密光学装置厂房地基筏板地脉动响应的分析方法的动力学有限元模型的整体模型图；
图4是本发明精密光学装置厂房地基筏板地脉动响应的分析方法的动力学有限元模型的A部放大模型图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，“设置”、“连接”等术语应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细说明。
如图1所示，精密光学装置厂房地基筏板地脉动响应的分析方法，包括以下步骤：
S1、对待测地址钻孔，并取样获得岩土样本，在孔中下钢管进行孔壁防护，钢管的安装垂直度≤3°，钻孔的深度为地基桩基长度的2～3倍，在孔深度向每间隔2～3米截取一个岩土样本，所截取的岩土样本长度范围为30cm～50cm。
S2、对岩土样本开展结构自由状态的模态试验，如图2所示，并获取其一阶模态频率与阻尼比。
S3、建立各岩土样本的有限元模型，结合各岩土样本的模态试验结果，通过模型修正方法识别岩土样本的弹性模量与泊松比；对岩土样本进行称重与几何测量，获得岩土样本的密度。
S4、在钻孔内安装深井加速度传感器，监测获得7天以上的地基底部的地脉动载荷时域信号，并进行功率谱分析获得地基底部的地脉动加速度功率谱密度曲线。
S5、建立厂房地基的动力学有限元模型，如图3、图4所示，并在动力学有限元模型的四周建立一层厚度约5米的人工虚拟层，并在动力学有限元模型周边及底部施加固支约束，在底部施加分析得到的地脉动加速度功率谱密度曲线；动力学有限元模型包括筏板以上模拟建筑、筏板、桩基及地基，地基长宽应是筏板长宽的3～5倍，地基深度约为桩基长度的2～3倍，各部分采用共节点或绑定约束，动力学有限元模型在深度方向切分为多层，每层2～3m，动力学有限元模型不同深度岩土层赋予不同的材料参数；
S6、对人工虚拟层的密度及泊松比取值，取值为1e-4kg/m3、1e-8，并确定人工虚拟层的弹性模量，弹性模量为
Figure BDA0002982303730000051
其中，h是虚拟层厚度，G为地基岩土的剪切模量，R为地基模型平面相距最远两边的距离，开展动力学有限元模型的模态分析，模态分析截止频率根据精密光学装置的关注频带确定，再基于模态叠加法开展动力学有限元模型基础随机振动响应分析，随机振动分析中模态阻尼比取各岩土样本模态试验阻尼比均值。
S7、在地基筏板上表面中心及边界选取两个关键节点，根据动力学有限元模型确定所选取节点的加速度响应功率谱密度。
通过本发明的方法可以对待测地址建设的厂房地基进行筏板地脉动响应进行分析评估，以便于在厂房地基与精密装置设计阶段就获得可靠的厂房筏板上的地脉动响应，提高精密仪器装置稳定性分析评估的可靠性，有效降低精密仪器的研发风险。
本发明的技术方案不限于上述具体实施例的限制，凡是根据本发明的技术方案做出的技术变形，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.精密光学装置厂房地基筏板地脉动响应的分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、对待测地址钻孔，并取样获得岩土样本；
S2、对岩土样本开展结构自由状态的模态试验，并获取其一阶模态频率与阻尼比；
S3、建立各岩土样本的有限元模型，结合各岩土样本的模态试验结果，通过模型修正方法识别岩土样本的弹性模量与泊松比；对岩土样本进行称重与几何测量，获得岩土样本的密度；
S4、钻孔内安装深井传感器，监测获得地基底部的地脉动载荷时域信号，并分析地脉动载荷时域信号获得地基底部的地脉动加速度功率谱密度曲线；
S5、建立厂房地基的动力学有限元模型，并在动力学有限元模型周边及底部施加固支约束，在底部施加分析得到的地脉动加速度功率谱密度曲线；
S6、开展地基动力学有限元模型的模态分析，并基于模态叠加法开展动力学有限元模型基础随机振动响应分析；
S7、在地基筏板上表面中心及边界选取两个关键节点，根据动力学有限元模型确定所选取节点的加速度响应功率谱密度。
2.根据权利要求1所述的精密光学装置厂房地基筏板地脉动响应的分析方法，其特征在于，在S1中，钻孔的深度为地基桩基长度的2～3倍，在孔深度向每间隔2～3米截取一个岩土样本，所截取的岩土样本长度范围为30cm～50cm。
3.根据权利要求1所述的精密光学装置厂房地基筏板地脉动响应的分析方法，其特征在于，在S4中，监测采集7天以上的地基底部的地脉动载荷时域信号，地脉动载荷功率谱密度曲线为所测时间段内数据分析得到曲线的包络。
4.根据权利要求1所述的精密光学装置厂房地基筏板地脉动响应的分析方法，其特征在于，在S5中，动力学有限元模型包括筏板以上模拟建筑、筏板、桩基及地基，地基长宽应是筏板长宽的3～5倍，地基深度为桩基长度的2～3倍，各部分采用共节点或绑定约束，动力学有限元模型在深度方向切分为多层，每层2～3m，动力学有限元模型不同深度岩土层赋予不同的材料参数。
5.根据权利要求1或4所述的精密光学装置厂房地基筏板地脉动响应的分析方法，其特征在于，在S5中，在动力学有限元模型的四周建立一层厚度5米的人工虚拟层。
6.根据权利要求5所述的精密光学装置厂房地基筏板地脉动响应的分析方法，其特征在于，在S5中，对人工虚拟层的密度及泊松比取值，取值接近零，并确定人工虚拟层的弹性模量，弹性模量为
Figure FDA0003774801740000021
其中，h是虚拟层厚度，G为地基岩土的剪切模量，R为地基模型平面相距最远两边的距离。
7.根据权利要求6所述的精密光学装置厂房地基筏板地脉动响应的分析方法，其特征在于，在S6中，模态分析截止频率根据精密光学装置的关注频带确定，随机振动分析中模态阻尼比取各岩土样本模态试验阻尼比均值。
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