NEST

NEST

基于子结构振动台试验的非结构构件地震反应模拟器
Nonstructural Element Simulation on Shake Table

NEST的全称是Nonstructural Element Simulator on Shake Table。NEST是一个三层的钢试验框架，它的底层平台和二层平台可提供一个容纳长4.2米，宽3.5米，高3.2米的足尺房间的空间，在该房间内可布设内部物品、隔墙、吊顶、管线等各种不同种类的非结构构件以进行试验测试。 NEST的优势在于可以为非结构构件提供更趋近于物理现实的边界和荷载条件，即：楼面加速度、速度、层间位移等多物理量的输入和实景的布置情况。能充分考察非结构构件的多工程需求参数敏感性和不同构件之间的耦合破坏效应。欢迎广大科研与工程设计人员利用NEST开展非结构构件试验。

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Nonstructural Element Simulator on Shake Table (NEST) is a three-layer steel testbed designed to accommodate a full-scale room measuring 4.2 meters in length, 3.5 meters in width, and 3.2 meters in height on its first floor. This testbed allows for the installation of various types of nonstructural elements, such as indoor contents, partition walls, ceilings, and piping systems, within the full-scale room. NEST provides realistic boundary conditions, including floor accelerations, velocities, and inter-story drifts, as well as load conditions that replicate real-world layouts for nonstructural elements. This capability enables comprehensive investigation of various damage sensitivities and the interaction behaviors between different nonstructural elements. I am glad to provide the NEST testbed and the corresponding testing method here for the free use of all the researchers and engineers interested in experimental studies of nonstructural elements.

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NEST是一个包含三层平台的钢结构体系。它的一层平台和振动台面之间布置四个直径为1300mm的大型摩擦摆支座，一层和二层平台之间是被4个天然橡胶支座分成上下两部分的钢支撑框架，二层的三层平台之间布置四个直径450mm的摩擦摆支座和一系列沿框架周边布置的水平弹簧以提供额外的侧向刚度。 NEST装置本身重10.36吨，远小于振动台30吨的最大载重，还有较大的空间可以通过配重的方式调整加载装置各层平台的质量和安装作为试验对象的非结构构件。试验框架各层均有预留孔位（图1），可以加装配重块以根据需求在一定范围内调整NEST的各层质量。

图1 NEST示意图

通过更换各层平台之间的隔震支座，还可以在一定范围内调整NEST的各层刚度。此外，各层平台之间以及一层平台和振动台之间可以通过连接件锁死固定在一起，使NEST可以根据需求调整为单层框架、二层试验框架或三层试验框架，以适应不同应用场景的需要。 NEST的一、二层平台可以作为一个长4.2米，宽3.5米，高3.2米的足尺房间的底板和顶板，如图2所示。试验时，先在一层平台上铺设竹胶板，形成房间的平整地面，以便于布置各类非结构构件。

图2 NEST中足尺房间示意图

为了充分发挥NEST的性能，我们开发了面向建筑非结构构件的子结构振动台试验方法，使得NEST可以复现位于原型结构中任意楼层的一个足尺房间的底板和顶板的楼面反应和它们之间的层间位移反应，从而真实模拟该房间中不同种类非结构构件的地震反应，如图3所示：

图3 非结构构件的子结构振动台试验方法

该方法包括：

（1）将原型结构降解成一个三质点系的试验子结构，确定子结构设计参数。

（2）基于非线性控制理论的反求振动台输入的控制算法，以实现对底层平台和二层平台水平运动的同步控制。分三步：

首先，将原型结构降阶成一个三质点系的子结构体系。为降低对振动台能力的需求，合理设计加载装置中各层平台的质量mi和各层平台之间的水平刚度ki，使三质点系子结构的前两阶模态与原型结构模态相匹配；

其次，基于LQR控制器，采用基于反馈控制仿真的逆动力学补偿算法（Inverse Dynamic Compensation via ‘Simulation of feedback control systems’ algorithm，IDCS algorithm）求解出三质点系试验子结构的输入，使得子结构的一、二层复现出原型结构中指定的相邻两层在地震下的楼面反应时程；

最后，考虑到试验子结构可能存在非线性，提出一个外部嵌套的离线迭代过程，基于子结构试验框架的非线性有限元模型，迭代得到子结构体系等代线性化的状态矩阵，代入LQR-IDCS算法中，以逼近子结构物理模型的真实状态以及真实结构反应。求得更精确的子结构输入，作为试验时的振动台台面输入。

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面向高层建筑的应用

以一栋42层的钢混框架-核心筒建筑作为原型结构，它的总高为141.8米，一阶周期为2.7s，建立并联的弯剪弹簧耦合简化模型来模拟它的地震反应（如图4所示）。

图4 高层原型结构

本研究模拟了原型结构在汶川地震中的绵竹清平记录（MZQ）作用下，位于其中部楼层的一个足尺房间的地震反应，地震动如图5所示。

图5 选用的地震动

试验整体实施流程如图6所示。

图6 面向高层建筑的应用

以MZQ地震动作用下x向反应为例，实测的NEST反应和目标反应对比如图7所示，从时程对比上可以看出，加速度时程有一些额外的高频毛刺，不过趋势与目标反应吻合，速度、层间位移时程吻合较好。从傅里叶谱上可以看出NEST较好的复现了原型结构的主要频率段的信息，在关注的频率范围之内，频域复现误差在20%以内。

图7 MZQ地震动下x向复现结果

实验中非结构构件的破坏主要集中在内部物品上，如：书柜倾覆、椅子滑移、桌面显示器移位、桌子滑移等。如图8所示。

图8 非结构构件的破坏现象

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隔震、非隔震建筑对比试验应用

原型结构为一栋14层的钢混框架结构教学楼，层高3.2米，分为基底摩擦摆隔震和基底固接两个情况（图9），隔震周期为2.7s。

图9 原型结构

NEST的三层分别对应一栋隔震框架结构的隔震层、首层和其余上部结构。由于摩擦摆支座的隔震周期与上部结构质量无关，在NEST底层安装的4个足尺摩擦摆支座所提供的隔震周期（2.7s）与原型建筑的隔震周期相等，通过调整其他层的参数，使得NEST上部结构和非隔震原型结构的一阶周期（1s）相等。试验整体思路见图10。

图10 隔震、非隔震建筑中非结构构件对比试验应用

本研究模拟了位于原型结构一层的一个足尺房间在DUZ地震作用下的反应，地震动时程如图11所示，实验时对地震动进行调幅，逐级加载。

图11 选用的地震动

以x向反应为例，实测的NEST反应和目标反应对比如图12所示。从傅里叶谱上可以看出，除非隔震原型结构顶板加速度外，NEST较好的复现了原型结构的主要频率段的信息，在关注的频率范围之内，频域复现误差在16%以内。而非隔震原型结构顶板加速度模拟失真是由于本实验仅模拟了原型结构的一阶模态，而非隔震结构的楼面加速度也受高阶模态影响，所以在复现非隔震原型结构楼面加速度有所失真。

图12 DUZ地震动下x向复现结果

在非隔震结构中，非结构构件破坏严重：书柜发生倾覆、吊顶散落一地；而在隔震结构中，非结构构件则基本完好。隔震效果显著。以吊顶为例（图13），隔震结构中吊顶未发生破坏而非隔震结构中吊顶随着逐级加载完全破坏。

图13 实验中吊顶破坏情况

声明：本人不对使用者利用本装置及方法得到结果的准确性和可靠性负责。
Disclaimer: it is the user's responsibility to interpret and check the reliability of his analysis results. I am not resposible for any results obtained by the herein provided library.