2018年12月6日

地震检测趋势分析

地区/国家:选择

贡献:Cecilia Marsicovetere，Elisabeth Van Overbeeke

介绍

地震工程是研究结构在地震作用下的表现。由于地震力比其他结构力更复杂，因此采用物理和数字仿真方法来验证结构的抗震性能。物理测试方法是使用振动台进行的，虚拟测试方法是使用静态或动态数学评估方法(伪静态和伪动态)的计算机模型模拟。这些测试是在新材料、部分配置或完整设计上进行的。建筑规范在确定特定建筑的设计要求时，经常使用这些测试的结果。历史证明，利用地震工程设计的建筑可以挽救地震活跃地区的生命。地震模拟对于保护使用或靠近建筑物的人的安全起着重要的作用。下面的段落提供了关于振动台和伪静态/动态方法的文献分析，以评估如何、何时和为什么使用具体方法的趋势。对不同试验的分析旨在帮助确定哪一种试验对评估土袋结构的抗震性能最有用。

摇表测试

振动台试验，是一种物理动态试验，其结构被放置在一个在一个或多个轴上移动的平台上。震动是为了模拟地震的运动，并准确地表示所涉及的力。这是最广泛认可的测试，并经常用于验证其他模型和分析。一些规范要求对地震模拟器进行多轴测试(振动台测试)，以验证非建筑组件，如变电站设备。¹摇动台测试是研究结构系统性能的唯一方法，这些系统受到地震作用的动态和空间特征的影响，例如砖石。该测试包括平台，指导系统和执行器。最大的挑战是准确代表地震运动。²

测试的结构可以是一个全尺寸模型或缩小尺寸。模型与原型的比例一般是根据可用的振动台的承载能力和尺寸来确定的。^3、4有1/3比例的4层建筑的测试，结构的比例是1:6，在大型结构的情况下，如冷却塔，模型的比例是1:30。如果可能的话，还会对全尺寸结构进行测试。还进行了一些试验，将模块化砖结构的规模缩小了一半。⁵重要的是要注意缩放消除了质量，这有助于惯性力。这种损失必须用人工质量来弥补，并且必须小心定位，以确保它不会影响结构的其他参数。^3.摇动表方法允许测试可能更难以数字地模拟的不规则形状的建筑物。⁶

有三个轴(6个自由度)的振动台是最精确的，但一些测试要求更少，而其他研究没有三维运动的振动台的可能性，所以研究人员使用他们所拥有的。有些测试仅在水平运动时进行性能测试，在一个方向或两个正交方向，即使使用的振动台能够垂直移动。^7、8在其他情况下，使用这三种方法。^9、10有些振动台被设计成一个更大的振动台。

摇架尺寸随之而变化。有些是相对较小的 - 3 x 3米¹¹或5.8 x 4.4米。¹²世界上最大的，电子防守，衡量20 x 15米。其他人陷入困境，如尼征的筑波摇桌，这是14.5 x 15米。可以添加扩展帧以使平台更大。¹³

输入动作可以根据测试意图评估的内容而变化。运动可以是正弦波，实际输入接地加速度，环境和强制振动。¹⁴“真实输入地面加速度”是指在地震事件中，测量运动，并在模拟中再现。^{9、11、12、15、16}在某些情况下，加载历史用于将结构暴露于围绕时间损坏的各个频率。¹³

各种类型的传感器和硬件用于测量结构的运动。通常用应变计加速度传感器测量加速和位移。可以将三轴地震仪或电压位移传感器（LVDT）放置在将移动转换为可以记录的电压的结构上。摄像机用于图像处理，用于响应位移，并且可以放置复古反射目标，以便通过相机拾取更高的精度。^13,16.也可以使用光学激光传感器。¹⁰通过BBM数据采集系统等硬件可以测量声音和振动。¹⁷收集的数据用于定性和定量分析。这些数据通常用作伪静态或伪动态模拟的输入(在下一节中概述)，并经常用于确认结果。

测试的结构由许多材料组成。材料包括但不限于原位铸造的混凝土墙，¹⁰交叉层压木板，¹⁴钢筋混凝土,^3、18混凝土空心块,¹⁹空心砖，^11,16.和砖单板。¹³有时测试的焦点可以是锚定，例如家具的锚固到墙壁。⁹大多数测试不包括基础，而是直接用螺栓将上部结构固定在振动台上。^6,13.此一般趋势的一些例外是在浅层基础或挡土墙上进行的摇动表测试。在这两种情况下，组件被放置在具有所需的土壤混合物的地球盒中。盒子由钢板制成，侧面使用玻璃窗格，看看土壤运动。^17,20

振动台试验被认为是地震工程研究的规范。振动台试验用于确认理论和部分实验行为。¹它是世界上许多建筑规范的一部分，经常被用来验证计算机模型，并作为试验其他类型测试的对照组。由于成本高昂，计算机模型只需生成并测试一次，就可以找到模型的准确性。如果能准确预测振动台试验结果，则可用于以后的计算，而不是重复振动台试验。

在抗压强度、变形特性和一般结构性能方面，^在21但是，在土袋组件上只执行了一个摇动台测试。大会仅为1：6的24 x 24英寸。然而，SolidWorks模型准确地预测了土拨鼠的行为。测试了三种类型的角配置。^30.巴基斯坦稻草捆和适当的建筑(PAKSBAB)与纳瓦达大学一起测试了一个全尺寸的粘土抹灰，薄，承重稻草捆房子。渔网用于加固，房屋建在沙砾袋地基上，地基被泥土和水泥包裹，并通过模板固定在振动台上，以模拟地基约束。房子运行良好，损坏的部分被认为是可以修复的。沙砾袋和稻草包抑制了移动。³¹

伪静、伪动测试

拟静力试验是指带有“单一恒定单向拟静力加速度”的地震荷载的表示(通过手工或计算机程序计算)。拟静力试验采用“静力学”数学方法，假定结构处于静力平衡状态。拟静力系数是惯性力振幅的一种测量方法，因此必须选择拟静力系数，这是计算中最重要的方面。³²该方法将幅度的力施加到等于设施的重量和地震系数的乘法。地震载荷表示为一系列水平特征向量，这些水平特征向量累积在建筑物的故事中，并且必须使用等同的故事刚度和阻尼平衡。伪静态倾向于同意时间历史分析评估的结果。³³

拟静力试验用于挡土墙后土压力的计算，³⁴山坡,^35、36地球水坝,³⁷砖,^38,39具体的，⁴⁰桩基础,⁴¹和混凝土块。⁴²

拟静力试验方法被选择为大型工程，如土坝或斜坡，而不使用振动台。在Li等人的案例中，³⁸研究团队可以访问摇动表，但对于他们想要测试的结构来说太小了。伪静态的优点是，它是一种简单而直接的分析，但缺点是它是原油，并且并不总是准确地代表真正的影响。在地震期间有一些没有发生过的大坝项目，即使它们被伪静态方法被证明是有弹性的。³²

准静态测试是一种物理测试，可以通过设置施加预定力的致动器来伴随伪静态分析，然后测量结构性能的传感器，包括裂缝传播速率，崩溃的层次和损坏水平。它通常在部分结构或建筑物组件上进行。物理仿真涉及建立一个液压执行器，可以推动和拉动结构的顶部，并模拟结构上的连续垂直载荷。³⁸施加水平循环荷载，然后逐步增加，直至试件开裂，失去对水平荷载的抵抗能力。⁴³这种测试的缺点是它没有考虑惯性的影响。它的优点是可以测量接近破坏的应力-变形条件，而振动台试验并不总是能够做到这一点。¹⁴

对袋式土墙进行了准静态循环荷载试验，以确定袋式土墙的最佳施工方式。由于没有使用石膏和按比例缩小，它们的强度很低。测试的结论是暂时性的，并明确表示需要更多的测试来完全得出结果。⁴⁴

图3:土袋角准静态试验。⁴⁴

拟动力(PsD)试验是近年来发展起来的一种方法，它将时间包括在应用地震荷载和剪切波和主波效应的计算中。它将计算建模与实验测试相结合，实验测试遵循计算机的反馈回路，分析产生的位移，然后使用它来确定下一个时间步的响应。这是一种实验性的计算机模拟，它在程序运行时产生新的结果并分析它们。⁴⁵

伪动感是针对小规模标本可靠，信息丰富的经济技术。⁴⁶它可用于分析已经到位的结构，不能物理地测试，例如内钢框架。⁴⁷这还包括类似于挡土墙的结构，其无法以任何其他方式分析。⁴⁸它也可以用于研究全尺寸结构，而不需要在一个测试平台上构建整个东西。⁴⁹与诸如FEMA 273（如FEMA 273）的代码和标准相比，已经发现伪动态方法是准确的⁵⁰和gb50003 - 2001。³⁸

对于单一挡土墙等简单结构，可以手工进行拟静力和拟动力试验⁴⁸但对于需要使用计算机的更大、更复杂的结构来说，很快就会变得困难。用于伪静态和伪动态测试的软件包括开源、专有和自定义开发的工具。专有的例子包括ANSYS，^3.Solidworks,^30.和LS-DYNA。^3.ANSYS和SolidWorks是工程仿真软件，而LS-DYNA是一种多物理仿真软件。张量流量（tf）多是另一个是开源的另一个多物理仿真软件。³¹定制软件的一个例子是由地震工程和工程地震学（Iziis），斯科普里开发的Felisa // 3M。⁵¹

模拟动态行为的程序使用一种称为有限元法(FEM)的分析方法，该方法将力分解为一个相互关联的节点场。⁵²维基百科有执行由各种应用程序使用的有限元方法的软件包列表。这些程序的计算通常使用代表惯性力的振动台或准静态试验的输入，并对结果进行分析和比较。¹⁰对于粒状或不连续的结构或颗粒，使用一种称为DEM或扩展离散元法(XDEM)的数值模拟方法。研究人员¹⁶介绍了一种新的基于XDEM的模拟方法在砖房地震力模拟中的应用。在计算机模拟中，计算了2600个相互关联的砖块单元。

目前还没有发表过土袋的拟动力试验。

讨论

振动台试验与拟静力试验结果非常接近。^17,53与伪动感相比，两者都在接地压力系数和预期失败开始时得到了类似的结果。³⁴在振动台试验和准静态试验之间发现的主要区别是刚度。拟静力法更为保守，通过振动台试验验证，该方法计算的倒塌值远低于实际倒塌值。¹⁰准静态提供了振动试验无法提供的接近失效的信息。两者都是描述行为的必要条件。¹⁴一般来说，重要的是要注意，无论使用哪种测试，它可能都可以与实际的折叠模式不同。¹⁶

当土袋受到压力时，它们往往会产生甚至50毫米的塑性变形。²⁹虽然像这样的加载试验表明，土袋在倒塌前会变形，这意味着其性能不同于砌体或混凝土。当采用拟静力法或拟动力法测试时，砖块被建模为单一的刚体单元，并对墙体施加压力直到其开裂。土袋的延展性和强度将使建模更加复杂，因为它的行为不像刚性单位。振动台测试通常是按比例缩小，使其更容易承受;然而，由于只有一个部分组装的规模测试，它是不确定规模的土袋可以准确地代表一个全尺寸的建设。再一次，像砖块和砖块这样的刚性元素被按比例缩小了，但沙袋在加载时的表现可能会有所不同。结实⁴⁴说明只有通过振动台试验才能揭示土袋墙的减振性能。根据这一文献综述，可以得出结论，最好的测试方法是全尺寸振动台试验。虽然这将是非常昂贵的，一个良好执行的测试可以提供数据，用于开发更准确的计算机仿真模型，并为未来的设计一次性投资。

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