CN116465586A - 基于规范反应谱法的顶部激振抗震性能评估方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种基于规范反应谱法的顶部激振抗震性能评估方法及系统，该方法将电液伺服激振器固定于结构顶层，通过控制作动器，推动质量块做频率接近结构基本频率的简谐运动，根据力的作用相互原理，质量块运动所产生的惯性力会反作用于作动器，通过固定装置，最终作用于结构，相当于在结构顶部施加周期激振力作用，使其产生相同地震作用下的最大结构反应，从而实现等效地震作用，基于此原理，可以实现对现场结构采用顶部激振的方法来进行抗震性能评估，填补相关领域的空白，为房屋结构的抗震性能评估与鉴定提供一种全新的技术与方法。
Description
技术领域
本申请属于建筑结构抗震性能评估技术领域，具体涉及一种基于规范反应谱法的顶部激振抗震性能评估方法及系统。
背景技术
建筑结构抗震性能试验一般大多是在实验室内完成的，如地震台试验、拟动力试验以及低周往复荷载试验等，且这类试验一般均面向模型试验或者墙、柱等构件类试验，对于建筑结构的现场原位抗震性能试验一直没有相关的成熟技术以及可用的仪器设备，然而随着社会与经济的发展，建筑结构慢慢进入以维护为主的发展阶段，特别是我国大量的自建房、功能性建筑物以及公共与民用建筑的现场原位抗震试验以及抗震性能评估，现有相关技术均不支持现场原位抗震试验与相关的结构抗震性能评估。
发明内容
本申请实施例的目的是提供一种基于规范反应谱法的顶部激振抗震性能评估方法及系统，其实现在现场对结构顶部进行激振的抗震性能评估，解决了已建建筑结构的现场抗震性能评估的问题，从而可以解决背景技术中涉及的至少一个技术问题。
为了解决上述技术问题，本申请提供如下技术方案：
一种基于规范反应谱法的顶部激振抗震性能评估方法，包括：
步骤S1：将电液伺服激振器固定于结构顶层，所述电液伺服激振器包括作动器和通过所述作动器驱动的质量块；
步骤S2：通过控制作动器驱动质量块做频率接近结构基本频率的简谐运动，根据结构动力学原理，使结构产生等效地震作用下的结构反应；
步骤S3：根据规范反应谱，采用底部剪力法确定结构在地震作用下所遭受的地震作用，即基底剪力；
步骤S4：基于基底剪力等效原则，使激振下结构产生的最大基底剪力等于反应谱所确定的基底剪力，确定激振下结构的激振力幅值；
步骤S5：根据确定的激振力幅值，由激振运动方程关系得到伺服作动器运动控制最优参数；
步骤S6：基于能量等效原则，采用能量反应谱方法，确保结构输入的能量等于地震作用下输入的能量，得到荷载作用下的激振时长；
步骤S7：基于激振荷载，采用确定的激振频率、时长以及幅值作为参数控制电液伺服作动器推动质量块做有规律的简谐运动，从而实现对结构进行激振。
可选的，在步骤S3中，基底剪力由下式得出：
（1）
其中，为水平地震影响系数，可根据规范反应谱确定；/>为结构等效总重力荷载。
可选的，步骤S4具体包括：
根据结构动力学知识，对于一个单自由度体系，在稳态激振力的作用下，会产生受迫振动，在忽略阻尼的作用下，基底剪力为：
（2）
式中，F 基、F 激、F I分别为结构的基底剪力、施加的激振力以及结构的惯性力；
施加的激振力F 激可表示为：
（3）
式中，F P 为激振力幅值；θ为激振力圆频率；
结构在激振力的作用下位移反应可表示为：
（4）
式中，为简谐运动幅值；/>为结构动力放大系数，共振时一般取值为10；/>为激振力幅值；/>为静力荷载/>作用下结构的静态位移；/>分别为激振力的频率，正弦波的相位角，结构的刚度，时间；
基于位移反应，结构的加速度反应为：
（5）
故惯性力可表示为：
（6）
将式（3）和（6）代入式（2）可得：
（7）
则最大基底剪力为：
（8）
根据等效原则，最大基底剪力等于采用底部剪力法确定的基底剪力，确定激振荷载的激振力幅值。
可选的，步骤S5具体包括：
当质量块做简谐运动时，其简谐运动方程可表示为：
（9）
式中，y为质量块位移；A为质量块做简谐运动的幅值；θ为质量块运动的圆频率，试验前可通过对结构进行扫频确定；T为简谐运动时间；
质量块产生的惯性力可表示为：
（10）
式中，为质量块的惯性力；m s 为质量块的质量；
该专利方法可通过电液伺服作动器推动质量块产生的惯性力来对结构施加激振力，此时最大惯性力：
（11）
基于上式公式，为降低激振能量，可选用结构的基本频率来作为伺服作动器的激振频率，即采用共振法来完成试验时，效果最佳，此时，根据结构与现场实际情况，选择合适的激振质量块/>与最大作动位移/>。
可选的，所述最优参数包括质量块重量、最大位移幅值以及运动频率。
可选的，步骤S6具体包括：
在水平地震作用下，单自由度体系的运动方程为：
（12）
式中，分别为结构质量、阻尼系数、恢复力；/>分别为结构的位移、速度和加速度；/>为地面运动加速度；
将式（11）对位移进行积分，可得按照位移定义的能量平衡方程：
（13）
将微分关系，代入上式（14），则可将上式（14）变化为对时间t的积分，则上式（14）变为：
（14）
简写为：
（15）
式中，分别为动能、阻尼能量、吸收能量、地震输入能量；
其中：
（16）
荷载一个周期内输入的能量为：
（17）
式中，为荷载一个周期内输入的能量；/>为质量块做简谐运动的幅值；/>为激振力幅值；
根据能量等效原则，激振时长便表示为：
（18）。
本申请实施例还提供了一种用于运行所述的方法的基于规范反应谱法的顶部激振抗震性能评估系统，该系统包括：
电液伺服激振器，包括电液伺服作动器和通过所述作动器驱动的质量块以及连接与固定用的底座，所述电液伺服激振器用于固定于结构顶层，并通过控制作动器驱动质量块做频率为接近结构基本频率的简谐运动，根据力的作用相互原理，使结构产生等效地震作用下的结构反应；
基底剪力确定模块，用于根据反应谱，采用底部剪力法确定结构所遭受的地震作，即基底剪力；
激振力幅值确定模块，用于基于基底剪力等效原则，使激振下结构产生的最大基底剪力等于根据反应谱确定的基底剪力，确定激振下结构的激振力幅值；
激振力参数确定模块，用于根据确定的激振力幅值，由激振运动方程关系得到伺服作动器运动控制三个最优参数，即质量块重量、最大位移幅值以及运动频率；
激振时长确定模块，用于采用能量反应谱，基于能量等效原则，使荷载激振下对结构输入的能量等于地震作用下输入的能量，确定荷载作用下的激振时长；
激振模块，用于基于激振荷载，采用确定的激振频率、时长以及幅值作为参数，来控制电液伺服作动器推动选定的质量块做有规律的简谐运动，从而实现对结构进行激振。
本申请有益效果如下：
（1）相较于传统的抗震试验方法一般是在实验室内完成的，且试验对象为模型试验、墙或柱等构件的抗震试验，无法在对现场的建筑结构进行抗震试验，本申请提供的方法可对现场的建筑结构进行原位抗震性能试验，填补相关领域的空白。由于建筑结构在地震作用下会遭受由地面运动而产生的惯性力从而导致其发生结构反应，结构遭受的地震作用可以等效为在固定基础上遭受的侧向作用力的作用，由动力学运动方程可知，结构在外部动荷载的激振下，会产生一定幅度的受迫振动，其受迫振动的强弱与动荷载的大小及作用频率有关，因此，本申请利用该原理，在建筑结构顶部按照一定规律施加激振荷载来模拟与等效结构遭受的地震作用，且提出了在顶部采用电液伺服技术控制的激振方法来实现在建筑结构顶部激振进行抗震性能试验的方法与流程。
（2）对房屋结构进行安全性鉴定或者抗震性能检测与鉴定的现有技术手段与方法，均是基于房屋的现有状态、材料特性进行整体结构的验算以及抗震性能评估，本申请提出的方法，可为房屋结构的抗震性能评估与鉴定提供一种全新的技术与方法，即通过现场原位抗震性能试验的手段获取结构的抗震性能，该方法更直接与科学。本申请采用基于反应谱法（建筑抗震设计规范）来进行顶部激振的抗震性能评估，由于同一结构在不同地震波作用的产生的反应不同，但其遭受的地震作用在统计意义上是相符的，特别对于以剪切变形为主且质量和刚度的沿高度分布比较均匀的结构，可采用底部剪力法来计算水平地震作用，故对于该种结构可以采用底部剪力法根据反应谱来确定地震作用，故可将等效地震作用转化为等效基底剪力，使顶部激振下结构遭受的最大基底剪力与根据底部剪力法确定的基底剪力相等，以实现等效。因此，基于本申请所提出的技术原理与方法，可以完成采用顶部激振的现场试验技术进行建筑结构的抗震性能评估的技术方案与实施办法。
附图说明
图1是本申请实施例提供的基于规范反应谱法的顶部激振抗震性能评估系统的结构框架图；
图2是本申请实施例提供的电液伺服激振器的结构示意图；
图3是本申请实施例提供的基于规范反应谱法的顶部激振抗震性能评估方法的流程图；
图4是本申请实施例提供的单自由度体系的受力分析图；
图5是本申请实施例提供的单自由度体系的物理模型图；
图6是本申请实施例提供的正弦荷载示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。
本申请的说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施，且“第一”、“第二”等所区分的对象通常为一类，并不限定对象的个数，例如第一对象可以是一个，也可以是多个。此外，说明书以及权利要求中“和/或”表示所连接对象的至少其中之一，字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
下面结合附图，通过具体的实施例及其应用场景对本申请实施例提供的基于规范反应谱法的顶部激振抗震性能评估方法进行详细地说明。
请参阅图1所示所示，本申请实施例提供了一种基于规范反应谱法的顶部激振抗震性能评估系统，该系统包括电液伺服激振器1、基底剪力确定模块2、激振力幅值确定模块3、激振参数确定模块4、激振时长确定模块5以及激振模块6。
再结合图2所示，所述电液伺服激振器1包括作动器11和通过所述作动器11驱动的质量块12，所述电液伺服激振器一般用于固定于结构顶层（根据现场与结构实际情况，也可固定于其它楼层），并通过控制作动器驱动质量块做频率为接近结构基本频率的简谐运动，根据力的作用相互原理，使结构产生等效地震作用下结构反应。
所述基底剪力确定模块2用于根据反应谱，采用底部剪力法确定结构所遭受的地震作用，即基底剪力。
所述激振力幅值确定模块3用于基于基底剪力等效原则，使激振下结构产生的最大基底剪力等于根据反应谱确定的基底剪力，确定激振下结构的激振力幅值。
需要说明的是，该激振包括但不限于正弦波激振、余弦波激振以及方波激振。
所述激振力参数确定模块4用于根据确定的激振力幅值，由激振运动方程关系得到伺服作动器运动控制三个最优参数，即质量块重量、最大位移幅值以及运动频率。
所述激振时长确定模块5用于采用能量反应谱，基于能量等效原则，使荷载激振下对结构输入的能量等于地震作用下输入的能量，确定荷载作用下的激振时长。
需要说明的是，该荷载包括但不限于正弦荷载和余弦荷载。
所述激振模块6用于基于激振荷载，采用确定的激振频率、时长以及幅值作为参数，来控制电液伺服作动器推动选定的质量块做有规律的简谐运动，从而实现对结构进行激振。
再结合图3所示，本申请实施例提供了一种基于上述系统的基于规范反应谱法的顶部激振抗震性能评估系统方法，包括：
步骤S1：将电液伺服激振器固定于结构顶层，所述电液伺服激振器包括作动器和通过所述作动器驱动的质量块；
步骤S2：通过控制作动器驱动质量块做频率接近结构基本频率的简谐运动，根据结构动力学原理，使结构产生等效地震作用下的结构反应；
步骤S3：根据规范反应谱，采用底部剪力法确定结构在地震作用下所遭受的地震作用，即基底剪力；
步骤S4：基于基底剪力等效原则，使激振下结构产生的最大基底剪力等于反应谱所确定的基底剪力，确定激振下结构的激振力幅值；
步骤S5：根据确定的激振力幅值，由激振运动方程关系得到伺服作动器运动控制最优参数；
在一些实施例中，该最优参数包括质量块重量、最大位移幅值以及运动频率。
步骤S6：基于能量等效原则，采用能量反应谱方法，确保结构输入的能量等于地震作用下输入的能量，得到荷载作用下的激振时长；
步骤S7：基于激振荷载，采用确定的激振频率、时长以及幅值作为参数控制电液伺服作动器推动质量块做有规律的简谐运动，从而实现对结构进行激振。
在步骤S3中，基底剪力由下式得出：
（1）
其中，为水平地震影响系数，可根据规范反应谱确定；/>为结构等效总重力荷载。
步骤S4具体包括：再结合图4所示，根据结构动力学知识，对于一个单自由度体系在稳态荷载，即激振力的作用下，会产生受迫振动；在忽略阻尼的作用下，基底剪力为：
（2）
式中，F 基、F 激、F I分别为结构的基底剪力、施加的激振力以及结构的惯性力；
施加的激振力F 激可表示为：
（3）
式中，F P 为激振力幅值；θ为激振力圆频率；
结构在激振力的作用下位移反应可表示为：
（4）
式中，为简谐运动幅值；/>为结构动力放大系数，共振时一般取值为10；/>为激振力幅值；/>为静力荷载/>作用下结构的静态位移；/>分别为激振力的频率，正弦波的相位角，结构的刚度，时间；
基于位移反应，结构的加速度反应为：
（5）
故惯性力可表示为：
（6）
将式（3）和（6）代入式（2）可得：
（7）
则最大基底剪力为：
（8）
根据等效原则，最大基底剪力等于采用底部剪力法确定的基底剪力，确定激振荷载的激振力幅值。在步骤S5中，通过模态试验大致确定结构的基本频率范围，然后使用作动器对结构输入正弦波，进行步进式激振。在共振频率附近测试时，应保证半功率带宽内有不少于5个频率的测点。在预先选定的频率点处进行稳态激振，通过传感器测量结构响应，找出结构的反应最大的激振频率，以此频率作为激振的激振频率。
当质量块做简谐运动时，其简谐运动方程可表示为：
（9）
式中，y为质量块位移；A为质量块做简谐运动的幅值；θ为质量块运动的圆频率，试验前可通过对结构进行扫频确定；T为简谐运动时间；
质量块产生的惯性力可表示为：
（10）
式中，为质量块的惯性力；m s 为质量块的质量；
该专利方法可通过电液伺服作动器推动质量块产生的惯性力来对结构施加激振力，此时最大惯性力：
（11）
基于上式公式，为降低激振能量，可选用结构的基本频率来作为伺服作动器的激振频率，即采用共振法来完成试验时，效果最佳，此时，根据结构与现场实际情况，选择合适的激振质量块/>与最大作动位移/>。
步骤S6具体包括：
在水平地震作用下，单自由度体系的物理模型可以表示为图5所示，其运动方程为：
（12）
式中，分别为结构质量、阻尼系数、恢复力；/>分别为结构的位移、速度和加速度；/>为地面运动加速度；
将式（11）对位移进行积分，可得按照位移定义的能量平衡方程：
（13）
将微分关系，代入上式（14），则可将上式（14）变化为对时间t的积分，则上式（14）变为：
（14）
简写为：
（15）
式中，分别为动能、阻尼能量、吸收能量、地震输入能量；
其中：
（16）
荷载（），如图6所示，一个周期内输入的能量为：
（17）
式中，为荷载一个周期内输入的能量；/>为质量块做简谐运动的幅值；/>为激振力幅值；
根据能量等效原则，激振时长便表示为：
（18）。
本申请有益效果如下：
（1）相较于传统的抗震试验方法一般是在实验室内完成的，且试验对象为模型试验、墙或柱等构件的抗震试验，无法在对现场的建筑结构进行抗震试验，本申请提供的方法可对现场的建筑结构进行原位抗震性能试验，填补相关领域的空白。由于建筑结构在地震作用下会遭受由地面运动而产生的惯性力从而导致其发生结构反应，结构遭受的地震作用可以等效为在固定基础上遭受的侧向作用力的作用（如图4所示），由动力学运动方程可知，结构在外部动荷载的激振下，会产生一定幅度的受迫振动，其受迫振动的强弱与动荷载的大小及作用频率有关，因此，本申请利用该原理，在建筑结构顶部按照一定规律施加激振荷载来模拟与等效结构遭受的地震作用，且提出了在顶部采用电液伺服技术控制的激振方法来实现在建筑结构顶部激振进行抗震性能试验的方法与流程。
（2）对房屋结构进行安全性鉴定或者抗震性能检测与鉴定的现有技术手段与方法，均是基于房屋的现有状态、材料特性进行整体结构的验算以及抗震性能评估，本申请提出的方法，可为房屋结构的抗震性能评估与鉴定提供一种全新的技术与方法，即通过现场原位抗震性能试验的手段获取结构的抗震性能，该方法更直接与科学。本申请采用基于反应谱法（抗震设计规范GB50011-2010）来进行顶部激振的抗震性能评估，由于同一结构在不同地震波作用的产生的反应不同，但其遭受的地震作用在统计意义上是相符的，特别对于以剪切变形为主且质量和刚度的沿高度分布比较均匀的结构，可采用底部剪力法来计算水平地震作用，故对于该种结构可以采用底部剪力法根据反应谱来确定地震作用，故可将等效地震作用转化为等效基底剪力，使顶部激振下结构遭受的最大基底剪力与根据底部剪力法确定的基底剪力相等，以实现等效。因此，基于本申请所提出的技术原理与方法，可以完成采用顶部激振的现场试验技术进行建筑结构的抗震性能评估的技术方案与实施办法。
上面结合附图对本申请的实施例进行了描述，但是本申请并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本申请的启示下，在不脱离本申请宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，均属于本申请的保护之内。
Claims (7)
1.一种基于规范反应谱法的顶部激振抗震性能评估方法，其特征在于，包括：
步骤S1：将电液伺服激振器固定于结构顶层，所述电液伺服激振器包括作动器和通过所述作动器驱动的质量块；
步骤S2：通过控制作动器驱动质量块做频率接近结构基本频率的简谐运动，根据结构动力学原理，使结构产生等效地震作用下的结构反应；
步骤S3：根据规范反应谱，采用底部剪力法确定结构在地震作用下所遭受的地震作用，即基底剪力；
步骤S4：基于基底剪力等效原则，使激振下结构产生的最大基底剪力等于反应谱所确定的基底剪力，确定激振下结构的激振力幅值；
步骤S5：根据确定的激振力幅值，由激振运动方程关系得到伺服作动器运动控制最优参数；
步骤S6：基于能量等效原则，采用能量反应谱方法，确保结构输入的能量等于地震作用下输入的能量，得到荷载作用下的激振时长；
步骤S7：基于激振荷载，采用确定的激振频率、时长以及幅值作为参数控制电液伺服作动器推动质量块做有规律的简谐运动，从而实现对结构进行激振。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在进行激振参数计算过程中，将试验结构简化为水平单自由度振动体系，故在步骤S3中，基底剪力由下式得出：
（1）
其中，
为水平地震影响系数，可根据规范反应谱确定；
为结构等效总重力荷载。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤S4具体包括：
根据结构动力学知识，对于一个单自由度体系，在稳态激振力的作用下，会产生受迫振动，在忽略阻尼的作用下，基底剪力为：
（2）
式中，F 基、F 激、F I分别为结构的基底剪力、施加的激振力以及结构的惯性力；
施加的激振力F 激可表示为：
（3）
式中，F P 为激振力幅值；θ为激振力圆频率；
结构在稳态激振力的作用下，位移反应为：
（4）
式中，为简谐运动幅值；/>为结构动力放大系数，共振时一般取值为10；/>为激振力幅值；/>为静力荷载/>作用下结构的静态位移；/>分别为激振力的频率，正弦波的相位角，结构的刚度，时间；
基于位移反应，结构的加速度反应为：
（5）
故惯性力可表示为：
（6）
将式（3）和（6）代入式（2）可得：
（7）
则最大基底剪力为：
（8）
根据等效原则，最大基底剪力等于采用底部剪力法确定的基底剪力，确定激振荷载的激振力幅值。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤S5具体包括：
当质量块做简谐运动时，其简谐运动方程可表示为：
（9）
式中，y为质量块位移；A为质量块做简谐运动的幅值；θ为质量块做简谐运动的圆频率，试验时，可通过现场扫频来确定最合适的试验激振频率； T为简谐运动时间；
质量块产生的惯性力可表示为：
（10）
式中，为质量块的惯性力；m s 为质量块的质量；
通过电液伺服作动器推动质量块产生的惯性力对结构施加激振力，此时最大惯性力为：
（11）
基于上式公式，为降低激振能量，选用结构的基本频率作为伺服作动器的激振频率，即采用共振法来完成试验时，效果最佳，此时，根据结构与现场实际情况，选择合适的激振质量块/>与最大作动位移/>。
5.根据权利要求1或4所述的方法，其特征在于，在步骤S5中，所述最优参数包括质量块重量、最大位移幅值以及运动频率。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤S6具体包括：
在水平地震作用下，单自由度体系的运动方程为：
（12）
式中，分别为结构质量、阻尼系数、恢复力；/>分别为结构的位移、速度和加速度；/>为地面运动加速度；
将式（11）对位移进行积分，可得按照位移定义的能量平衡方程：
（13）
将微分关系，代入上式（14），则可将上式（14）变化为对时间t的积分，则上式（14）变为：
（14）
简写为：
（15）
式中，分别为动能、阻尼能量、吸收能量、地震输入能量；
其中：
（16）
荷载一个周期内输入的能量为：
（17）
式中，为荷载一个周期内输入的能量；/>为质量块做简谐运动的幅值；/>为激振力幅值；
根据能量等效原则，激振时长便表示为：
（18）。
7.一种用于运行权利要求1-6任意一项所述的方法的基于规范反应谱法的顶部激振抗震性能评估系统，其特征在于，该系统包括：
电液伺服激振器，包括电液伺服作动器和通过所述作动器驱动的质量块以及连接与固定用的底座，所述电液伺服激振器用于固定于结构顶层，并通过控制作动器驱动质量块做频率为接近结构基本频率的简谐运动，根据力的作用相互原理，使结构产生等效地震作用下的结构反应；
基底剪力确定模块，用于根据反应谱，采用底部剪力法确定结构所遭受的地震作用，即基底剪力；
激振力幅值确定模块，用于基于基底剪力等效原则，使激振下结构产生的最大基底剪力等于根据反应谱确定的基底剪力，确定激振下结构的激振力幅值；
激振力参数确定模块，用于根据确定的激振力幅值，由激振运动方程关系得到伺服作动器运动控制三个最优参数，即质量块重量、最大位移幅值以及运动频率；
激振时长确定模块，用于采用能量反应谱，基于能量等效原则，使荷载激振下对结构输入的能量等于地震作用下输入的能量，确定荷载作用下的激振时长；
激振模块，用于基于激振荷载，采用确定的激振频率、时长以及幅值作为参数，来控制电液伺服作动器推动选定的质量块做有规律的简谐运动，从而实现对结构进行激振。
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