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全尺寸非结构构件的振动台试验
日期：2025-05-02 02:14
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摘要：全尺寸非结构构件的振动台试验
非结构构件（Nonstructural
component）主要是指长久性的建筑非结构构件和支承于建筑结构的建筑附属机电设备。非结构构件的造价通常占建筑总投资的80%。四川汶川地震、台湾集集地震都暴露了非结构构件的易损性，及其破坏带来的巨大经济损失和危及生命**。
相比结构构件抗震和建筑结构减隔震研究所取得的瞩目成果，非结构构件抗震问题的研究却较少，而且研究主要集中在非结构构件抗震计算方法的简化及抗震构造措施这两个方面，对于非结构构件的受力行为和破坏形态仍需深入的试验研究和理论...
全尺寸非结构构件的振动台试验
非结构构件（Nonstructural component）主要是指长久性的建筑非结构构件和支承于建筑结构的建筑附属机电设备。非结构构件的造价通常占建筑总投资的80%。四川汶川地震、台湾集集地震都暴露了非结构构件的易损性，及其破坏带来的巨大经济损失和危及生命**。
相比结构构件抗震和建筑结构减隔震研究所取得的瞩目成果，非结构构件抗震问题的研究却较少，而且研究主要集中在非结构构件抗震计算方法的简化及抗震构造措施这两个方面，对于非结构构件的受力行为和破坏形态仍需深入的试验研究和理论分析。因此，通过一个全尺寸构件的综合测试来观测地震中各类非结构构件的反应，对完善试验数据库、规范条文验证和编制都显得非常重要。
本文将介绍多方科研机构和建筑前沿企业参与的一个研究项目：加州大学圣地亚哥地震模拟振动台的测试。分别研究置于阻尼橡胶隔震器上及基底固定（去除隔振器后）测试楼的非结构构件受震性能，并辅以计算机仿真分析[1-2]。
1 试验概况
此研究项目于2012年在美国加州大学圣地亚哥分校进行，由美国国家科学基金会资助，与其他多家建筑行业知名企业合作完成，共耗资500万美金，耗时3年。研究包括安装全尺寸非结构构件的抗震性能和震后火灾测试，涉及的非结构构件包括客用电梯、楼梯、外墙、内部隔断墙、管道、暖通空调、吊顶、喷淋和主被动防火系统。
1.1 被测试楼层结构
图1是被测试楼，一栋室外全尺寸五层建筑，长11米，宽6.6米，其主结构框架是现浇混凝土结构，每层框架体系采用材料不同但抗弯能力相同的横梁，设计尺寸见图2。一、二层采用高强钢筋混凝土框架，三层为组合材料框架，四层为柔性框架，顶层为混凝土框架。
图1 现场全尺寸测试建筑
图2 立面设计尺寸
1.2 振动台
图3是本试验所采用的模拟地震装置是室外振动台，可提供高达4.2g的水平纵向加速度，见表1。只有这种超规模的测试平台，才能提供不同加速度和不同频率的冲击效能，满足有效模拟地震活动的真实工况，并获得比等效微缩模型更真实的结构体系受震反馈。
图3 振动台实景
振动台参数表 表1
1.3 非结构构件系统
为使研究更富有代表性，涵盖尽可能多的常用非结构构件，特对每层楼进行了不同的设计要求，图4为不同楼层使用功能说明示意图：第1层是共用设施；第2层是实验室和家居空间；第3层是服务器电子机房，并为震后明火测试配备了完整的隔断墙、吊顶和被动防火设备；第4、5层是典型医院的功能模拟—特殊护理病房、手术室；楼顶配有装满流动水的大型隔震冷却塔、空气处理装置、金属骨架阁楼。此外，1至5层楼都安装了客用电梯和预制钢楼梯。
为使研究更富有代表性，涵盖尽可能多的常用非结构构件，特对每层楼进行了不同的设计要求，图4为不同楼层使用功能说明示意图：第1层是共用设施；第2层是实验室和家居空间；第3层是服务器电子机房，并为震后明火测试配备了完整的隔断墙、吊顶和被动防火设备；第4、5层是典型医院的功能模拟—特殊护理病房、手术室；楼顶配有装满流动水的大型隔震冷却塔、空气处理装置、金属骨架阁楼。此外，1至5层楼都安装了客用电梯和预制钢楼梯。
图 4 楼层功能说明
测试安装的建筑材料和设备固定安装都力求与实际工程应用一致。为此，本项目的非结构构件设计和安装得到了行业专家的指导，例如不同构件固定所用的锚栓，就得到某厂家根据计算机模拟中的应力与变形分布，给出更贴合工程实际的设计与安装指导。此外，该厂家还提供了抗震支吊架的安装，为建筑机电设施的抗震性能提供了可靠的保护。图5 是手术室设备的重力抗震综合支架，竖向支架承担设备自重，斜向支撑抵抗水平地震力。
1.4 监测系统
本试验的监测系统由传感器、GPS定位仪和摄像机组成，如图6所示，监测分为微观应力、应变数据和宏观位移值。试验中使用了超过600个传感器，覆盖每一楼层，实时监测模拟地震过程中非结构构件的真实受力状态。为记录地震测试阶段楼体的位移量，试验使用了全球定位系统GPS。大楼内重要部位安装了近70个数码摄像设备，实时记录测试过程中非结构构件的真实变化。
图 6 试验监控系统图
2 模拟地震测试
试验分为两个测试阶段：被测试楼置于在阻尼橡胶隔震器上，见图7，为隔震测试阶段（Base Isolation，下文简称BI），共进行了7次地震动试验；然后去除隔震器，基底被固定在振动台上——为基底固定（Fixed Base，下文简称FB）测试阶段，共进行了6次地震动试验。
根据日益提高抗震要求设计的地震动，分别施加于建筑隔震或非隔震工况的被测试建筑。所选地震动为加利福尼亚沿岸、阿拉斯加中部、南美俯冲带发生的真实地震，代表不同的频谱分布和强震周期和振幅。另外，为了对比结构构件和非结构的地震反应和性能，BI和FB测试阶段输入地震动的顺序相似——地震动对于被测试大楼的抗震要求逐次升高——从里氏震级6.7级（代表地震动为1994年洛杉矶北岭地震）到7.9级（代表地震动为阿拉斯加德纳里地震）。BI阶段和FB阶段所输入的地震动如表2所示，其中50%、100%、150%指振幅的比例放缩。
地震动测试数据 表2
未完待续，下周将继续刊登第三部分计算机模拟以及非结构构件抗震设计的内容。
延伸阅读：
建筑房屋的抗震与加固重要性
[喜利得微课]管线抗震支吊架设计布置
[喜利得微课]自动喷淋管道抗震支吊架系统
非结构构件（Nonstructural component）主要是指长久性的建筑非结构构件和支承于建筑结构的建筑附属机电设备。非结构构件的造价通常占建筑总投资的80%。四川汶川地震、台湾集集地震都暴露了非结构构件的易损性，及其破坏带来的巨大经济损失和危及生命**。
相比结构构件抗震和建筑结构减隔震研究所取得的瞩目成果，非结构构件抗震问题的研究却较少，而且研究主要集中在非结构构件抗震计算方法的简化及抗震构造措施这两个方面，对于非结构构件的受力行为和破坏形态仍需深入的试验研究和理论分析。因此，通过一个全尺寸构件的综合测试来观测地震中各类非结构构件的反应，对完善试验数据库、规范条文验证和编制都显得非常重要。
本文将介绍多方科研机构和建筑前沿企业参与的一个研究项目：加州大学圣地亚哥地震模拟振动台的测试。分别研究置于阻尼橡胶隔震器上及基底固定（去除隔振器后）测试楼的非结构构件受震性能，并辅以计算机仿真分析[1-2]。
1 试验概况
此研究项目于2012年在美国加州大学圣地亚哥分校进行，由美国国家科学基金会资助，与其他多家建筑行业知名企业合作完成，共耗资500万美金，耗时3年。研究包括安装全尺寸非结构构件的抗震性能和震后火灾测试，涉及的非结构构件包括客用电梯、楼梯、外墙、内部隔断墙、管道、暖通空调、吊顶、喷淋和主被动防火系统。
1.1 被测试楼层结构
图1是被测试楼，一栋室外全尺寸五层建筑，长11米，宽6.6米，其主结构框架是现浇混凝土结构，每层框架体系采用材料不同但抗弯能力相同的横梁，设计尺寸见图2。一、二层采用高强钢筋混凝土框架，三层为组合材料框架，四层为柔性框架，顶层为混凝土框架。
图1 现场全尺寸测试建筑
图2 立面设计尺寸
1.2 振动台
图3是本试验所采用的模拟地震装置是室外振动台，可提供高达4.2g的水平纵向加速度，见表1。只有这种超规模的测试平台，才能提供不同加速度和不同频率的冲击效能，满足有效模拟地震活动的真实工况，并获得比等效微缩模型更真实的结构体系受震反馈。
图3 振动台实景
振动台参数表 表1
1.3 非结构构件系统
为使研究更富有代表性，涵盖尽可能多的常用非结构构件，特对每层楼进行了不同的设计要求，图4为不同楼层使用功能说明示意图：第1层是共用设施；第2层是实验室和家居空间；第3层是服务器电子机房，并为震后明火测试配备了完整的隔断墙、吊顶和被动防火设备；第4、5层是典型医院的功能模拟—特殊护理病房、手术室；楼顶配有装满流动水的大型隔震冷却塔、空气处理装置、金属骨架阁楼。此外，1至5层楼都安装了客用电梯和预制钢楼梯。
为使研究更富有代表性，涵盖尽可能多的常用非结构构件，特对每层楼进行了不同的设计要求，图4为不同楼层使用功能说明示意图：第1层是共用设施；第2层是实验室和家居空间；第3层是服务器电子机房，并为震后明火测试配备了完整的隔断墙、吊顶和被动防火设备；第4、5层是典型医院的功能模拟—特殊护理病房、手术室；楼顶配有装满流动水的大型隔震冷却塔、空气处理装置、金属骨架阁楼。此外，1至5层楼都安装了客用电梯和预制钢楼梯。
图 4 楼层功能说明
测试安装的建筑材料和设备固定安装都力求与实际工程应用一致。为此，本项目的非结构构件设计和安装得到了行业专家的指导，例如不同构件固定所用的锚栓，就得到某厂家根据计算机模拟中的应力与变形分布，给出更贴合工程实际的设计与安装指导。此外，该厂家还提供了抗震支吊架的安装，为建筑机电设施的抗震性能提供了可靠的保护。图5 是手术室设备的重力抗震综合支架，竖向支架承担设备自重，斜向支撑抵抗水平地震力。
1.4 监测系统
本试验的监测系统由传感器、GPS定位仪和摄像机组成，如图6所示，监测分为微观应力、应变数据和宏观位移值。试验中使用了超过600个传感器，覆盖每一楼层，实时监测模拟地震过程中非结构构件的真实受力状态。为记录地震测试阶段楼体的位移量，试验使用了全球定位系统GPS。大楼内重要部位安装了近70个数码摄像设备，实时记录测试过程中非结构构件的真实变化。
图 6 试验监控系统图
2 模拟地震测试
试验分为两个测试阶段：被测试楼置于在阻尼橡胶隔震器上，见图7，为隔震测试阶段（Base Isolation，下文简称BI），共进行了7次地震动试验；然后去除隔震器，基底被固定在振动台上——为基底固定（Fixed Base，下文简称FB）测试阶段，共进行了6次地震动试验。
根据日益提高抗震要求设计的地震动，分别施加于建筑隔震或非隔震工况的被测试建筑。所选地震动为加利福尼亚沿岸、阿拉斯加中部、南美俯冲带发生的真实地震，代表不同的频谱分布和强震周期和振幅。另外，为了对比结构构件和非结构的地震反应和性能，BI和FB测试阶段输入地震动的顺序相似——地震动对于被测试大楼的抗震要求逐次升高——从里氏震级6.7级（代表地震动为1994年洛杉矶北岭地震）到7.9级（代表地震动为阿拉斯加德纳里地震）。BI阶段和FB阶段所输入的地震动如表2所示，其中50%、100%、150%指振幅的比例放缩。
地震动测试数据 表2
未完待续，下周将继续刊登第三部分计算机模拟以及非结构构件抗震设计的内容。
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