实验目的
实验原理
实验内容及步骤

1)实验的必要性及实用性

1)我国新时代发展对土木工程专业人才培养的需求

建筑抗震是土木工程专业关注的重点问题,作为抗震技术的先进代表,橡胶支座隔震技术突破传统以为主的设计理念,变,在提升抗震安全性能的同时,大大减少混凝土等建材用量,低碳环保,符合国家提高综合防灾减灾能力碳达峰碳中和的战略目标,在北京大兴国际机场、港珠澳大桥等重大工程中发挥优势。专业教学上,隔震技术实验对核心必修课程《建筑结构抗震设计》具有重要支撑作用。


2)隔震技术实验存在实体条件不具备、抗震破坏不可逆、内部损伤不可见、因素多周期长、危险性高等问题,无法开展实体实验教学。

但是,目前隔震技术实验在本科教学中无法开展,这是由于:实体条件不具备,隔震技术实验依赖于整体结构的动力试验,很难通过一个节点、一面墙等普通实验完成,而整体结构模型体型巨大、成本昂贵,振动台等整体结构实验条件仍属稀缺资源。抗震破坏不可逆,隔震实验的结构抗震属非弹性破坏,过程不可逆,教学角度认知原理困难。内部损伤不可见,隔震支座属建筑内部构件,实体实验中损伤变形观测困难,且其微观受力过程无法呈现。因素多、周期长,隔震技术涉及多项影响因素和参数,单次振动台实验周期3-6个月,多种因素的反复实验时间冗长。结构倒塌风险高,整体结构动力实验存在结构模型倒塌风险,也是限制学生近距离参与的重要原因。

3)《建筑结构抗震设计》专业核心课程实验教学需要

《建筑结构抗震设计》为土木工程专业的核心必修课程,教学目的是理解并掌握建筑抗震技术和抗震原理,作为重点章节内容和先进抗震技术典型代表(图4),隔震技术专业实验对课程具有重要支撑作用,本项目可以为学生提供沉浸式地虚拟仿真实验教学系统。


因此,开展建筑橡胶支座隔震技术虚拟仿真实验的建设对于土木工程专业本科教学具有重要的必要性与实用性。

2)教学设计的合理性

本实验在教学设计上通过结构认知、竖向初步设计、支座参数检测、振动台实验、隔震效果分析、支座参数调整等教学步骤,实现认知设计测试优化的学习闭环,有机融合了知识点学习与测试、隔震支座压剪实验、隔震模型动力响应分析等教学环节,引导学生认知结构抗震破坏机理和振动损伤影响因素。在弥补原本教学实体实验无法开展的同时,进一步设计了自主设计、多结果反馈、对比调整优化的教学层次,显著提高教学效果,具备教学设计的合理性。


3)实验系统的先进性

实现隔震技术减震参数设计调整过程的仿真呈现。由于隔震技术设计因素复杂、验证实验条件稀缺,其教学呈现一直是专业教学中重要且困难的一环。本实验根据课程教学需求和本科学生的知识储备,在沉浸式仿真和真实科研支撑的前提下,简化影响元素,突出机制原理,更适合本科教学和学习。

本项目已经获批2022年国家虚拟仿真实验教学课程(培育)项目,已在实验空间平台上公开应用(www.ilab-x.com),在该平台上目前浏览量已达5700,实验人次320,实验完成率100%,同时在扬州大学虚拟仿真平台上记录了411份实验报告记录和3000余人次实验记录。本实验仿真系统应用形象模型、数字模型的虚拟实境技术,复现隔震设计与振动台抗震的复杂实验流程和工程设计内核和覆盖全实验过程的空间自主互动,具备实验系统的先进性



建筑橡胶支座隔震技术虚拟仿真实验原理主要包括基础隔震原理、铅芯叠层橡胶支座构造设计原理、时程反应分析原理。

基础隔震原理

基础隔震是通过设置隔震装置系统形成隔震层,把房屋与基础隔离开,利用隔震装置来隔离或耗散地震能量以避免或减少地震能量向上部结构传输的一种抗震方法。通过基础隔震,结构的位移主要集中于隔震层,上部结构基本处于弹性工作状态。基础隔震原理可以通过地震反应谱说明。建筑物的地震反应取决于自振周期和阻尼特性两个因素。一般中低层钢筋混凝土结构建筑物刚度大、周期短,基本周期与地震动卓越周期相近,建筑物的加速度反应大、位移反应小,如图7A点所示。当采用隔震措施后,建筑物的基本周期延长,建筑物的加速度降低,若阻尼不变,则位移反应增加,如图7B点所示。若增大结构的阻尼,则加速度反应继续减少,位移反应得到明显抑制,如图7C点所示。

铅芯叠层橡胶支座构造设计原理

铅芯叠层橡胶支座是在叠层橡胶支座中部圆形孔中压入铅而成,其构造如图8所示。由于铅具有较低的屈服点和较高的塑性变形能力,可使铅芯叠层橡胶支座的阻尼比达到20%30%。图9为铅芯叠层橡胶支座的滞回曲线。铅芯具有提高支座的吸能能力,确保支座有适度的阻尼,同时又具有增加支座的初始刚度、控制风反应和抵抗微震的作用。铅芯橡胶支座既具有隔震作用,又具有阻尼作用。

时程反应分析原理

本实验采用时程分析法模拟计算结构在振动台下的内力和位移反应。时程分析法是根据选定的地震波和结构恢复力特性曲线,采用逐步积分的方法对动力方程进行直接积分,从而求得结构在地震过程中每一瞬时的位移、速度和加速度反应,以便观察结构在强震作用下从弹性到非弹性阶段的内力变化以及构件开裂、损坏直至结构倒塌的破坏全过程。时程分析法需要求解结构在地震作用下的运动方程。求解该运动方程时,主要涉及结构计算模型、恢复力模型、地震波的选择及逐步积分方法。


步骤1实验工程案例

目的:

在了解实验背景、实验目的和工程应用的基础上,采用观察法通过3D模型让学生初步认识芦山县人民医院的隔震支座构造。本步骤具有理论支撑作用,对学生虚拟仿真实验起到引导作用,满足课程思政教学需求、培养学生的专业热情和爱国主义热情。

操作过程:

步骤1.1完成登录后进入建筑结构实验大厅,完成登录信息的同步后,根据提示阅读实验简介、地震危害、隔震技术意义等信息。

步骤1.2隔震技术重大工程展示,通过视频观看北京大兴国际机场与港珠澳大桥等隔震技术应用工程,激发学生的学习热情和爱国主义情怀。

步骤1.3通过芦山县人民医院大楼的真实工程3D模型展示和简单互动,对隔震技术的构造方法和布设位置进行初步了解。

结果:

完成隔震技术实验前期相关背景知识的准备和知识点的学习,为后续实验开展中的理论基础知识做准备和测试,完成该步骤后方可进入仿真人物控制和仿真实验场景。


步骤2实验安全准备

目的:

让学生明确建筑结构实验大厅的实验安全须知,掌握安全服装更换等安全注意事项。不能因为是仿真实验而放松对于实验安全的要求,培养学生的安全意识,为后续建筑结构实验及实际工程施工中的安全要点进行加强教育。

操作过程:

操作仿真人物进入实验更衣室,根据光标引导,完成更换实验服装、佩戴安全帽、佩戴实验手套、更换实验用鞋、佩戴护目镜等服装更换步骤,完成后应阅读实验安全须知的相关内容。

结果:

完成实验安全服装的更换,注意应确认完成所有更换和阅读后方可进入下一步骤,在仿真实验中延续实验安全意识的培养。

步骤3橡胶支座拆解

目的:

利用仿真技术优势,对橡胶支座进行透视化拆解,功能匹配,以及重新组装,这个过程中,采用观察法让学生了解橡胶隔震支座的构造组成及功能原理,相比传统教学,更有效观察认识支座内部构造及构件的功能结构。

操作过程:

步骤3.1操作仿真人物前往支座操作展示台,对支座进行拆解,观察支座内部构造和组成,依次点击各个构件,完成各构件的名称认知。

步骤3.2对橡胶支座各组成构件进行功能匹配,操作拖动左侧功能到正确的构件下方,完成功能匹配操作。

步骤3.3然后完成橡胶支座的组装,选择支座的各个组成构件,拖动到右侧对应位置,完成对支座的重新正确组装。

结果:

完成橡胶隔震支座各个组成构件的名称、功能认知学习,从组成原理上理解支座的功能实现和工程特性。


步骤4支座平面布置

目的:

让学生针对橡胶隔震支座的布设,理解对称原则,采用科学推理法完成简单的实验模型隔震支座布置。

操作过程:

在光标指引下操作仿真人物前往支座安装平台,根据支座的错误布设位置,删除未满足对称原则的支座位置,选择支座添加到正确的位置,完成本步骤操作。

结果:

完成简单的实验模型结构的橡胶支座布设,完成结果作为后续振动台模型制作的基础。

步骤5支座竖向设计

目的:

完成橡胶隔震支座的竖向承载能力设计,即竖向初步设计,在芦山县人民医院隔震楼的竖向荷载要求下确定橡胶支座的有效直径,采用科学推理法让学生理解橡胶支座作为竖向承重构件的承载能力要求,掌握支座竖向设计简化方法。

操作过程:

设计界面给出芦山县人民医院隔震楼,在此条件下完成橡胶支座的初步设计:

设计原则:应保证足够的承载力,在此基础上尽量考虑经济。

设计条件:结构采用5层混凝土框架结构,支座竖向承载力设计值为10MPa

系统根据结构的不同支座位置和竖向荷载,给出与之对应的模型单一支座的竖向荷载值,操作者根据给出的竖向荷载值,计算圆形支座所需的有效直径下限值。

并根据有效直径下限值确定有效直径:300mm/600mm/900mm/1200mm/1500mm,这是由于橡胶支座不是连续的,而是依据300mm的工程模数进行设计。

结果:

完成橡胶支座的有效直径设计,根据每位学生自己的荷载变量,正确选择支座有效直径的工程模数。


步骤6支座压剪实验

目的:

检测和研究橡胶支座的水平等效刚度等水平力学性能,是表示橡胶支座在承担竖向重力荷载的前提下,影响其抗震性能的主要参数。本实验步骤采用科学推理法,让学生了解和掌握支座压剪实验的操作方法和原理。

操作过程:

步骤6.1操作虚拟人物前往压剪试验机,在设置界面上输入正确的竖向荷载(与上一步骤中竖向压强值一致),设置完成后,点击箭头施加竖向荷载。

步骤6.2操作实验机水平循环加载,在虚化背景下突出橡胶支座在压剪实验机上的滞回循环,拖动鼠标完成4次加载循环。

步骤6.3正确选择循环次数(第3次滞回环)进行水平参数计算,并同步生成滞回曲线,在橡胶支座的基础设计参数,得到计算结果。

结果:

完成橡胶支座的压剪循环实验,熟悉和掌握支座压剪实验的操作要求和操作过程,得出压剪实验的支座水平性能参数。

步骤7不同橡胶支座的结果对比

目的:

自主改变橡胶支座关键设计参数:橡胶层总厚度、橡胶钢板叠层层数、铅芯直径,采用控制变量法得出对应的水平等效刚度和等效阻尼比,了解橡胶支座设计参数对于水平力学性能的影响趋势。

操作过程:

步骤7.1首先改变橡胶支座的橡胶层总厚度,在标准化数据中选择不同的橡胶层总厚度值,得到支座压剪实验结果中的等效水平刚度和等效阻尼比。

步骤7.2保持橡胶层总厚度不变,改变橡胶钢板叠层层数,在标准化数据中选择不同的橡胶钢板叠层层数,得到支座压剪实验结果中的等效水平刚度和等效阻尼比。

步骤7.3保持橡胶层总厚度和橡胶钢板叠层层数不变,改变铅芯直径,在标准化数据中选择不同的铅芯直径,得到支座压剪实验结果中的等效水平刚度和等效阻尼比。

步骤7.4界面上开放三个选项(橡胶层总厚度、橡胶钢板叠层层数、铅芯直径),学生自由改动数字,得到自主选择支座的等效水平刚度和等效阻尼比。

结果:

得到不同设计的橡胶支座的压剪实验结果中等效水平刚度、等效阻尼比等参数,观察其随设计参数的变化规律,这些结果对于后续的振动台整体模型分析具有基础作用。

1 支座变参数对应力学性能结果

支座编号

橡胶层总厚度

橡胶钢板叠层层数

铅芯直径

100%变形等效水平刚度

100%变形等效阻尼比

zz-1

22.5mm

5层

30mm

0.934

16.54

zz-2

22.5mm

5层

36mm

0.934

17.25

zz-3

22.5mm

5层

42mm

0.934

18.07

zz-4

22.5mm

9层

30mm

1.162

16.54

zz-5

22.5mm

9层

36mm

1.162

17.25

zz-6

22.5mm

9层

42mm

1.162

18.07

zz-7

22.5mm

13层

30mm

1.287

16.54

zz-8

22.5mm

13层

36mm

1.287

17.25

zz-9

22.5mm

13层

42mm

1.287

18.07

zz-10

30mm

5层

30mm

0.177

16.54

zz-11

30mm

5层

36mm

0.177

17.25

zz-12

30mm

5层

42mm

0.177

18.07

zz-13

30mm

9层

30mm

0.256

16.54

zz-14

30mm

9层

36mm

0.256

17.25

zz-15

30mm

9层

42mm

0.256

18.07

zz-16

30mm

13层

30mm

0.329

16.54

zz-17

30mm

13层

36mm

0.329

17.25

zz-18

30mm

13层

42mm

0.329

18.07

zz-19

37.5mm

5层

30mm

0.093

16.54

zz-20

37.5mm

5层

36mm

0.093

17.25

zz-21

37.5mm

5层

42mm

0.093

18.07

zz-22

37.5mm

9层

30mm

0.102

16.54

zz-23

37.5mm

9层

36mm

0.102

17.25

zz-24

37.5mm

9层

42mm

0.102

18.07

zz-25

37.5mm

13层

30mm

0.118

16.54

zz-26

37.5mm

13层

36mm

0.118

17.25

zz-27

37.5mm

13层

42mm

0.118

18.07

步骤8振动台模型制作

目的:

针对芦山县人民医院隔震楼的结构特点,选取框架单元作为振动台实验模型。结构模型与橡胶支座施工是开展隔震技术振动台实验的必要步骤,同时包含了隔震技术施工的相关顺序,要求学生采用科学推理法完成各步骤操作要点的学习。

操作过程:

步骤8.1操作虚拟人物前往模型制作区,开始进行隔震结构模型的制作,首先完成结构基础梁中钢筋笼的绑扎;

步骤8.2在基础梁钢筋笼上,完成隔震支座下连接钢板的定位和固定;

步骤8.3完成基础梁的模板支护,并完成混凝土的浇筑;

步骤8.4完成基础梁混凝土的浇水养护等工作,并快进养护等待时间;

步骤8.5在基础梁养护完成后进行橡胶支座的安装固定;

步骤8.6完成建筑隔震层上部结构的施工与养护工作。

结果:

完成结构模型制作的相关操作步骤,完成隔震支座的定位施工顺序,为后面的振动台实验开展提供基础模型,掌握相关通用步骤。

步骤9振动台模型吊装

目的:

结构模型的吊装是整体结构振动台实验的必要步骤,采用科学推理法了解和熟悉模型吊车吊装的操作方法,将模型吊装至正确区间到位,熟悉相关的安全限制要求。

操作过程:

操作虚拟人物前往实验操作间,通过吊车控制器熟悉吊装控制的方向按钮和起降按钮;控制吊车将结构模型吊起。

吊起后将结构模型运输至振动台台面,这个过程中应注意不得超出实验安全区域,在现实结构实验大厅中由黄黑色警戒线进行标识,在本仿真实验中,采用黄色光幕进行标识。吊装过程可以通过界面右下角的吊装俯视图辅助结构模型的吊装操作。

最后正确吊装模型并安全降落于振动台的台面中心,吊装过程中应注意准确起落到位,不可拖行模型。

结果:

本步骤完成结构模型的吊装操作,将结构模型从制作区域运输至实验振动台上,为后续的振动台实验做好准备。

步骤10振动台实验准备

目的:

振动台实验准备包括结构模型的安装固定、传感器的连接、白噪声扫频等步骤,是关系到得到准确实验结果的重要步骤,采用科学推理法,让学生了解和熟悉。

操作过程:

对就位后的振动台结构模型进行固定,完成混凝土底座四角、八个梁端部的螺栓安装,在界面右下角出现的螺栓旋转按钮,正确的旋紧螺栓,完成结构模型的固定。

然后完成传感器的连接,将加速度传感器、位移传感器连接到模型上,并将传感器数据线连接到数据采集仪接口。

完成传感器的连接后进行白噪声扫频,即采用低强度的随机振动对实验对象和准备工作进行检测检查。

结果:

本步骤完成振动台实验的准备工作,完成结构模型的牢固安装、传感设备的对接通畅,并进行白噪声的扫频检测,顺利完成后即可开展振动台实验的加载。

步骤11支座力学参数输入

目的:

振动台实验加载是输入隔震层参数的关键步骤,将之前压剪实验步骤中学生实验的不同橡胶支座的力学参数结果,选择一项输入,采用类比归纳法了解影响整体结构抗震的支座力学性能。

操作过程:

显示振动台实验就绪后,操作者选择填入隔震层设计参数:等效水平刚度、等效阻尼比,界面给出之前支座压剪实验中的各项参数,选择过程可以任选一组填入,但应注意每组参数需要一一对应,如果等效水平刚度来自支座zz-1,则等效水平刚度、等效阻尼比也应该是zz-1。隔震层数据输入完成后,考虑本科专业教学需求,仿真系统自动根据设计反应谱选择地震波进行振动台加载。

结果:

本步骤完成振动台实验加载的隔震层水平参数输入,自主根据隔震支座压剪实验结果进行选择输入,为后面的振动台实验结果和后面的自主调整优化提供基础参数。


步骤12振动台工况观测

目的:

地震动100gal-800gal工况实验观测的目的在于让学生观察和对比分析随着地震动的增大,采用观察法对隔震结构与隔震支座的变形特点研究,同时观测橡胶支座作为关键受力构件的微观受力特征。

操作过程:

首先对地震波输入峰值加速100gal200gal(工况1)的结构模型变形、橡胶支座变形、橡胶支座微观受力情况进行观测;

观测分析地震波输入峰值加速300gal400gal510gal(工况2)的结构模型变形、橡胶支座变形、橡胶支座微观受力情况,注意观测支座的变形开始显著增加,注意橡胶层应力的逐步增大;

作为极限工况,观测分析地震波输入峰值加速620gal800gal(工况3)的结构模型变形、橡胶支座变形、橡胶支座微观受力情况。

根据实验现象观察,让学生选择隔震支座变形趋势、微观受力变化、隔震层位移趋势的相关答案。

结果:

完成特定地震波不同峰值加速度工况下振动台实验现象观测,对比分析和理解随着地震动增强,隔震结构及关键构件的振动损伤机制。


步骤13隔震与非隔震对比

目的:

在其他条件相同的情况下,采用控制变量法对比隔震结构与非隔震结构模型的破坏部位和破坏特征,理解隔震结构与普通结构的抗震破坏特征差异。

操作过程:

步骤13.1在同步施加的峰值加速度作用下,对其他条件相同的隔震结构和普通结构(非隔震)进行观测;

步骤13.2在加载到510gal时,普通结构模型(非隔震)出现破坏,观察其梁柱破坏部位、裂缝位置方向等;

步骤13.3加载到800gal时,隔震结构模型出现破坏,主要集中于橡胶支座的变形破坏。

结果:

完成隔震结构模型与普通结构模型(非隔震)的破坏模型与破坏过程的观测和认知,得出并理解关键部位的受力破坏特征。

步骤14动力响应分析

目的:

对振动台实验数据进行分析处理,依次完成峰值加速度响应、层间位移响应、基底剪力响应的对比,综合采用控制变量法和类比归纳法对各项动力响应特性进行分析,了解和掌握隔震结构的动力响应特性。

操作过程:

点击完成振动台对比模型的初步处理,对比生成各工况下顶层峰值加速度响应,以及不同楼层的加速度反应的变化趋势。

对于层间变形,对比生成各工况下顶层层间变形响应,以及不同楼层的层间变形的变化趋势。

对于基底剪力,对比生成各工况下基地剪力响应,以及不同楼层的层间剪力的变化趋势。

结果:

完成特定地震波不同峰值加速度工况下振动台实验现象观测,对比分析和理解随着地震动增强,隔震结构及关键构件的振动损伤机制


步骤15减震效果及支座变形评估

目的:

根据上一步骤隔震模型动力响应的对比分析,采用控制变量法得出橡胶支座减震效果的评估数值,同时对橡胶支座水平变形进行评估,让学生了解橡胶支座的应用效果。

操作过程:

步骤15.1点击自动导出最大加速度响应减震比。

步骤15.2给出最大加速度响应减震比的要求范围:应在50%以上,并说明,减震效果不足导致上部结构不能降低设防要求,经济性不足。

步骤15.3导出实验过程中支座最大水平位移与有效直径的比值。

步骤15.4并给出最大水平位移与有效直径比值的要求范围:应在0.55以下,并说明,超出0.55导致橡胶支座失稳,结构有倾覆的风险。

结果:

根据学生自主选择橡胶支座设计参数和压剪结果,通过动力响应分析,得出减震效果和支座变形的主要参数,并给出限制范围。

步骤16自主探究与调整优化

目的:

在自主探究的基础上采用类比归纳法为楼坚强芦山县人民医院隔震楼选择合适的支座设计。让学生调整改变橡胶支座的设计变量,根据支座水平力学参数,得到减震效果和支座变形的结果,实现探究式学习,理解参数调整优化的分析方法。

操作过程:

在提示框内,自主改变橡胶支座设计参数,可以通过两种模式,一是选择支座体型参数输入,二是选择支座水平力学性能参数进行输入。

输入完成后,进行快速仿真实验,直接输入结果,结果包括最大加速度响应减震比、最大水平位移与有效直径比,对于超出限制的数字红色警示警示标识,其中最大加速度响应减震比应在50%以上,最大水平位移与有效直径比应小于0.55

最后在自己输入的结果,形成一个列表,将合适的优化结果打对号标识。

调整优化体现了等效水平刚度过大,隔震层太,导致减震作用不足,上部结构依然破坏;当等效水平刚度过小,隔震层太,虽然减震效果足够,但是隔震支座变形过大,超出支座重心,整体结构存在倾覆风险。

结果:

通过学生自主输入参数和快速仿真实验循环,根据结果实现橡胶支座参数的调整和优化,在过程中深化理解的隔震支座参数的设置原理和优化规律。

预习资料

序号 资源信息分类 资源信息名称 资源信息类型 操作
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