北京大興國(guó)際機(jī)場(chǎng)航站樓鋼結(jié)構(gòu)整體振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)：抗震性能與結(jié)構(gòu)優(yōu)化探究一、引言1.1研究背景與意義北京大興國(guó)際機(jī)場(chǎng)作為中國(guó)民航發(fā)展史上的一座重要里程碑，其建成投運(yùn)對(duì)提升中國(guó)的國(guó)際形象、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及推動(dòng)航空業(yè)技術(shù)創(chuàng)新等方面都具有重要意義。它不僅是對(duì)現(xiàn)有航空資源的優(yōu)化整合，更是對(duì)新時(shí)代民航發(fā)展需求的積極響應(yīng)。這座機(jī)場(chǎng)預(yù)計(jì)每年能服務(wù)1億人次的旅客，航站樓綜合體建筑面積達(dá)140萬(wàn)平方米，未來(lái)將成為全球最大的空港之一。其建設(shè)歷程歷經(jīng)16年論證選址，4年時(shí)間中外設(shè)計(jì)師通力協(xié)作，設(shè)計(jì)施工圖紙20多萬(wàn)份，54個(gè)月的建設(shè)工期，總參建人數(shù)多達(dá)幾十萬(wàn)，凝聚了無(wú)數(shù)人的智慧與心血。大興國(guó)際機(jī)場(chǎng)的航站樓采用了獨(dú)特的大跨度鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，這種結(jié)構(gòu)形式具有重量輕、強(qiáng)度高、跨度大等特點(diǎn)，使得整個(gè)航站樓看起來(lái)輕盈而富有現(xiàn)代感。屋蓋鋼結(jié)構(gòu)的主體部分由鋼管混凝土柱和鋼架構(gòu)成的空腹拱形屋蓋，不僅滿足了結(jié)構(gòu)受力要求，還實(shí)現(xiàn)了美觀與實(shí)用性的完美結(jié)合。然而，大跨度鋼結(jié)構(gòu)在地震等自然災(zāi)害作用下的性能表現(xiàn)一直是工程界關(guān)注的焦點(diǎn)。由于其結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，在地震作用下易產(chǎn)生復(fù)雜的振動(dòng)現(xiàn)象，如顫振、模態(tài)轉(zhuǎn)換、振動(dòng)衰減等，這些振動(dòng)不僅會(huì)影響建筑物的正常使用，還可能對(duì)結(jié)構(gòu)的安全性造成嚴(yán)重威脅。振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)作為一種重要的結(jié)構(gòu)抗震研究手段，能夠在實(shí)驗(yàn)室條件下模擬實(shí)際結(jié)構(gòu)在地震作用下的響應(yīng)，為結(jié)構(gòu)的抗震性能評(píng)估提供直接的依據(jù)。通過(guò)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，可以深入了解結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性，如固有頻率、振型等，以及結(jié)構(gòu)在不同地震波作用下的位移、加速度、應(yīng)力等響應(yīng)，從而發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，為結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。對(duì)于北京大興國(guó)際機(jī)場(chǎng)航站樓這樣的大型復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)建筑，進(jìn)行振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究具有極其重要的意義。一方面，它有助于準(zhǔn)確評(píng)估航站樓鋼結(jié)構(gòu)在地震作用下的安全性和可靠性，為機(jī)場(chǎng)的安全運(yùn)營(yíng)提供保障；另一方面，試驗(yàn)結(jié)果可以為類似大跨度鋼結(jié)構(gòu)建筑的設(shè)計(jì)、施工和抗震性能評(píng)估提供寶貴的經(jīng)驗(yàn)和參考，推動(dòng)我國(guó)大跨度鋼結(jié)構(gòu)建筑技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀在大跨度鋼結(jié)構(gòu)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究領(lǐng)域，國(guó)外起步較早，取得了一系列具有重要價(jià)值的成果。早在20世紀(jì)中葉，美國(guó)、日本等地震頻發(fā)國(guó)家就開(kāi)始重視大跨度鋼結(jié)構(gòu)在地震作用下的性能研究。美國(guó)Lehigh大學(xué)的科研團(tuán)隊(duì)率先開(kāi)展了大跨度鋼桁架結(jié)構(gòu)的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，通過(guò)模擬不同強(qiáng)度的地震波，深入分析了結(jié)構(gòu)在地震作用下的應(yīng)力分布、變形模式以及動(dòng)力響應(yīng)特征，為后續(xù)研究奠定了基礎(chǔ)。日本學(xué)者在大跨度空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)方面成果豐碩，他們針對(duì)多種形式的空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)進(jìn)行了系統(tǒng)研究，包括網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)等，著重探討了節(jié)點(diǎn)連接方式、桿件布置形式以及結(jié)構(gòu)阻尼特性等因素對(duì)結(jié)構(gòu)抗震性能的影響。例如，東京工業(yè)大學(xué)的研究人員通過(guò)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，采用合理的節(jié)點(diǎn)連接方式和增加結(jié)構(gòu)阻尼，可以有效提高空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的抗震能力，減少地震作用下的結(jié)構(gòu)損傷。國(guó)內(nèi)在大跨度鋼結(jié)構(gòu)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究方面雖然起步相對(duì)較晚，但發(fā)展迅速。近年來(lái)，隨著我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的大規(guī)模開(kāi)展，大跨度鋼結(jié)構(gòu)在體育場(chǎng)館、機(jī)場(chǎng)航站樓、會(huì)展中心等大型建筑中得到廣泛應(yīng)用，相關(guān)的研究也日益深入。同濟(jì)大學(xué)、清華大學(xué)等高校在大跨度鋼結(jié)構(gòu)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究方面處于國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平。同濟(jì)大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)針對(duì)上海世博會(huì)中國(guó)館等實(shí)際工程中的大跨度鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行了振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，研究了結(jié)構(gòu)在多維地震作用下的響應(yīng)規(guī)律，提出了基于試驗(yàn)結(jié)果的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)優(yōu)化方法。清華大學(xué)的學(xué)者則通過(guò)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，對(duì)大跨度鋼結(jié)構(gòu)的減震控制技術(shù)進(jìn)行了研究，開(kāi)發(fā)了新型的阻尼器，并驗(yàn)證了其在大跨度鋼結(jié)構(gòu)中的減震效果。針對(duì)北京大興國(guó)際機(jī)場(chǎng)航站樓的研究，目前主要集中在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工技術(shù)以及機(jī)場(chǎng)運(yùn)營(yíng)管理等方面。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，相關(guān)研究主要關(guān)注航站樓的整體結(jié)構(gòu)形式、受力性能以及節(jié)點(diǎn)構(gòu)造等問(wèn)題，通過(guò)有限元分析等方法對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)的力學(xué)性能分析，確保了結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性。在施工技術(shù)方面，研究重點(diǎn)在于如何實(shí)現(xiàn)大跨度鋼結(jié)構(gòu)的高效、精準(zhǔn)安裝，以及如何解決施工過(guò)程中的技術(shù)難題，如大型構(gòu)件的吊裝、高空焊接等。在機(jī)場(chǎng)運(yùn)營(yíng)管理方面，研究主要圍繞如何提高機(jī)場(chǎng)的運(yùn)行效率、優(yōu)化旅客服務(wù)流程以及保障機(jī)場(chǎng)的安全運(yùn)營(yíng)等問(wèn)題展開(kāi)。然而，目前針對(duì)北京大興國(guó)際機(jī)場(chǎng)航站樓鋼結(jié)構(gòu)整體振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)的研究仍相對(duì)較少。雖然已有一些關(guān)于大跨度鋼結(jié)構(gòu)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)的研究成果，但這些研究大多針對(duì)的是一般性的大跨度鋼結(jié)構(gòu)形式，與大興國(guó)際機(jī)場(chǎng)航站樓獨(dú)特的結(jié)構(gòu)形式和復(fù)雜的受力特點(diǎn)存在差異。對(duì)于大興國(guó)際機(jī)場(chǎng)航站樓鋼結(jié)構(gòu)在地震作用下的整體動(dòng)力響應(yīng)特性、薄弱部位的識(shí)別以及抗震性能的全面評(píng)估等方面，還缺乏深入的試驗(yàn)研究和系統(tǒng)的分析。此外，現(xiàn)有的研究在考慮多種因素耦合作用對(duì)結(jié)構(gòu)抗震性能的影響方面還存在不足，如溫度效應(yīng)、風(fēng)荷載與地震作用的組合效應(yīng)等，這些因素在實(shí)際工程中對(duì)大跨度鋼結(jié)構(gòu)的性能可能產(chǎn)生重要影響，但在以往的研究中往往未得到充分考慮。因此，開(kāi)展北京大興國(guó)際機(jī)場(chǎng)航站樓鋼結(jié)構(gòu)整體振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和理論價(jià)值，能夠填補(bǔ)該領(lǐng)域的研究空白，為機(jī)場(chǎng)的抗震設(shè)計(jì)和安全運(yùn)營(yíng)提供有力的技術(shù)支持。1.3研究?jī)?nèi)容與方法本研究圍繞北京大興國(guó)際機(jī)場(chǎng)航站樓鋼結(jié)構(gòu)展開(kāi)，通過(guò)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)深入探究其在地震作用下的性能表現(xiàn)，為結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)和安全運(yùn)營(yíng)提供關(guān)鍵依據(jù)。研究?jī)?nèi)容主要涵蓋以下幾個(gè)關(guān)鍵方面：模型設(shè)計(jì)與制作：依據(jù)相似理論，精心設(shè)計(jì)并制作與實(shí)際航站樓鋼結(jié)構(gòu)相似的縮尺模型。全面考慮模型的材料選擇、幾何尺寸縮放以及關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)構(gòu)造，以確保模型能精準(zhǔn)模擬實(shí)際結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能。在材料選取上，選用與實(shí)際鋼材力學(xué)性能相近的材料，嚴(yán)格控制材料的彈性模量、屈服強(qiáng)度、極限強(qiáng)度等關(guān)鍵參數(shù)，使其與原型結(jié)構(gòu)的材料特性盡可能匹配。通過(guò)高精度的加工工藝和嚴(yán)格的質(zhì)量控制，保證模型各構(gòu)件的尺寸精度和形狀準(zhǔn)確性，尤其是關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造細(xì)節(jié)，如鋼管混凝土柱與鋼梁的連接節(jié)點(diǎn)、屋蓋鋼結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)形式等，都按照實(shí)際結(jié)構(gòu)進(jìn)行細(xì)致還原。試驗(yàn)過(guò)程：在先進(jìn)的振動(dòng)臺(tái)上，對(duì)制作完成的模型施加多種不同特性的地震波，包括天然地震波和人工合成地震波。系統(tǒng)改變地震波的幅值、頻率等關(guān)鍵參數(shù)，模擬不同強(qiáng)度和頻譜特性的地震作用。在試驗(yàn)過(guò)程中，運(yùn)用高精度的傳感器，如加速度傳感器、位移傳感器、應(yīng)變片等，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)模型在地震作用下的加速度、位移、應(yīng)變等響應(yīng)數(shù)據(jù)。加速度傳感器布置在模型的關(guān)鍵位置，如柱頂、梁端、屋蓋等，以準(zhǔn)確捕捉模型在地震作用下的加速度變化；位移傳感器則用于測(cè)量模型各部位的位移響應(yīng)，為分析結(jié)構(gòu)的變形模式提供數(shù)據(jù)支持；應(yīng)變片粘貼在構(gòu)件表面，測(cè)量構(gòu)件在受力過(guò)程中的應(yīng)變情況，進(jìn)而推算出構(gòu)件的應(yīng)力分布。同時(shí)，借助高速攝像機(jī)等設(shè)備，對(duì)模型的整體變形過(guò)程和局部破壞現(xiàn)象進(jìn)行直觀記錄，為后續(xù)的分析提供豐富的影像資料。數(shù)據(jù)分析與結(jié)果討論：對(duì)試驗(yàn)采集到的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析，運(yùn)用專業(yè)的數(shù)據(jù)分析軟件和方法，計(jì)算模型的動(dòng)力特性參數(shù)，如固有頻率、振型、阻尼比等。通過(guò)對(duì)不同工況下模型響應(yīng)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，深入研究結(jié)構(gòu)在地震作用下的受力特性、變形規(guī)律以及破壞機(jī)制。采用頻譜分析方法，研究模型在地震作用下的頻率響應(yīng)特性，找出結(jié)構(gòu)的主要振動(dòng)頻率和振動(dòng)模態(tài)；運(yùn)用時(shí)程分析方法，分析模型在地震波作用下的加速度、位移、應(yīng)力等響應(yīng)隨時(shí)間的變化規(guī)律，揭示結(jié)構(gòu)在地震過(guò)程中的動(dòng)力響應(yīng)特征?；谠囼?yàn)結(jié)果，全面評(píng)估北京大興國(guó)際機(jī)場(chǎng)航站樓鋼結(jié)構(gòu)的抗震性能，明確結(jié)構(gòu)的薄弱部位和潛在風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，并提出針對(duì)性的改進(jìn)建議和措施。本研究綜合運(yùn)用多種研究方法，以確保研究的科學(xué)性和可靠性：模型試驗(yàn)法：通過(guò)制作縮尺模型并進(jìn)行振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，直接獲取結(jié)構(gòu)在地震作用下的響應(yīng)數(shù)據(jù)，為后續(xù)的分析和研究提供第一手資料。模型試驗(yàn)?zāi)軌蛑庇^地展示結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為和破壞過(guò)程，相較于數(shù)值模擬方法，具有更高的可信度和真實(shí)性。在模型試驗(yàn)過(guò)程中，嚴(yán)格控制試驗(yàn)條件和參數(shù)，確保試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可重復(fù)性。同時(shí)，對(duì)試驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)的各種現(xiàn)象進(jìn)行詳細(xì)記錄和分析，為深入理解結(jié)構(gòu)的抗震性能提供豐富的信息。數(shù)據(jù)分析處理法：運(yùn)用先進(jìn)的數(shù)據(jù)分析軟件和算法，對(duì)試驗(yàn)采集到的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，提取關(guān)鍵信息和特征參數(shù)。通過(guò)數(shù)據(jù)挖掘、統(tǒng)計(jì)分析等方法，深入挖掘數(shù)據(jù)背后的規(guī)律和趨勢(shì)，為研究結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性和抗震性能提供有力支持。例如，采用主成分分析方法，對(duì)多組響應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行降維處理，提取主要成分，簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)分析過(guò)程；運(yùn)用回歸分析方法，建立結(jié)構(gòu)響應(yīng)與地震波參數(shù)之間的數(shù)學(xué)模型，預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)在不同地震作用下的響應(yīng)情況。對(duì)比分析法：將試驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果、數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，同時(shí)深入探討不同方法之間的差異和原因。通過(guò)對(duì)比分析，進(jìn)一步完善理論模型和數(shù)值模擬方法，提高對(duì)大跨度鋼結(jié)構(gòu)抗震性能的預(yù)測(cè)能力。將模型試驗(yàn)得到的固有頻率、振型等動(dòng)力特性參數(shù)與有限元軟件模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，分析兩者之間的差異，對(duì)有限元模型進(jìn)行修正和優(yōu)化；將試驗(yàn)得到的結(jié)構(gòu)響應(yīng)數(shù)據(jù)與基于抗震規(guī)范的理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，評(píng)估結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)是否滿足要求，為結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。二、北京大興國(guó)際機(jī)場(chǎng)航站樓鋼結(jié)構(gòu)概述2.1航站樓建筑設(shè)計(jì)特點(diǎn)北京大興國(guó)際機(jī)場(chǎng)航站樓的設(shè)計(jì)由扎哈?哈迪德建筑事務(wù)所與北京市建筑設(shè)計(jì)研究院合作完成，以“鳳凰展翅”為造型理念，展現(xiàn)出獨(dú)特的建筑魅力。從高空俯瞰，航站樓主體呈五指廊放射狀構(gòu)型，五條指廊向四周延伸，就像鳳凰舒展的羽翼，寓意著吉祥與騰飛，這種造型不僅在視覺(jué)上給人以強(qiáng)烈的沖擊，更在功能布局上具有極高的合理性。航站樓總建筑面積達(dá)70萬(wàn)平方米，體量宏大，是世界上最大的單體航站樓之一。其內(nèi)部空間設(shè)計(jì)充分考慮了旅客的使用體驗(yàn)，追求最大化的通透感和開(kāi)闊感。整個(gè)航站樓的中心區(qū)采用了“無(wú)柱感”設(shè)計(jì)，僅通過(guò)8個(gè)C型柱支撐起巨大的屋頂鋼結(jié)構(gòu)，C形柱彼此間距達(dá)200米，所形成的最大空間極為寬敞，甚至可以容納下一個(gè)水立方。這種設(shè)計(jì)使得旅客在航站樓內(nèi)的視野不受阻擋，站在中心位置，能夠清晰地看到機(jī)場(chǎng)的各個(gè)方位，方便快速找到自己的登機(jī)口，大大提高了旅客的通行效率和舒適度。在功能分區(qū)上，航站樓規(guī)劃科學(xué)合理。地上共設(shè)有5層，地下2層。地上部分主要服務(wù)于旅客的進(jìn)出港、候機(jī)及中轉(zhuǎn)需求。其中，四層為國(guó)際和國(guó)內(nèi)航班的值機(jī)大廳，共設(shè)置9個(gè)值機(jī)島，中間5個(gè)用于國(guó)際航班值機(jī)，東西兩側(cè)各2個(gè)用于國(guó)內(nèi)航班值機(jī)。國(guó)際出發(fā)的旅客在四層辦理完乘機(jī)手續(xù)后，步行約百米即可抵達(dá)邊檢區(qū)；國(guó)內(nèi)出發(fā)的旅客除了在四層值機(jī)外，還能在三層及地下一層軌道交通站廳層進(jìn)行值機(jī)，實(shí)現(xiàn)了多點(diǎn)值機(jī)，為旅客提供了極大的便利。三層主要為國(guó)內(nèi)出發(fā)候機(jī)區(qū)，旅客在這里候機(jī)等待登機(jī)；二層是國(guó)內(nèi)出發(fā)登機(jī)口所在樓層，乘坐軌道交通抵達(dá)機(jī)場(chǎng)的旅客，最遠(yuǎn)步行約200米就能辦理國(guó)內(nèi)航班的乘機(jī)手續(xù)，隨后可直接前往二層登機(jī)，便捷高效。一層為到達(dá)層，方便旅客在抵達(dá)后快速出站。地下部分主要是各類軌道交通車站的站臺(tái)層和站廳層，實(shí)現(xiàn)了航空與城市軌道交通的無(wú)縫銜接。航站樓的設(shè)計(jì)還融入了豐富的中國(guó)傳統(tǒng)經(jīng)典建筑元素，同時(shí)又展現(xiàn)了世界上最先進(jìn)的航站樓建設(shè)理念。在候機(jī)區(qū)，位于五指廊端部的外部“空中花園”分別以絲園、茶園、瓷園、田園和中國(guó)園為主題，這些花園呼應(yīng)了“絲綢之路”，為旅客營(yíng)造出中國(guó)園林式的候機(jī)氛圍，讓旅客在候機(jī)過(guò)程中能夠感受到濃厚的中國(guó)文化底蘊(yùn)。此外，航站樓內(nèi)還配備了豐富的商業(yè)休閑資源、高效的行李系統(tǒng)和綜合配套設(shè)施，從餐飲、購(gòu)物到休息區(qū)域，一應(yīng)俱全，為旅客提供全方位、高品質(zhì)的服務(wù)，讓旅客的乘機(jī)體驗(yàn)更加便捷、愉悅。從采光設(shè)計(jì)來(lái)看，機(jī)場(chǎng)屋頂采用了8000多塊雙層玻璃，中間安裝了統(tǒng)一東西向排列的遮陽(yáng)網(wǎng)。這一設(shè)計(jì)不僅能最大限度地利用自然光線，使室內(nèi)自然光采光面積超過(guò)60%，減少了人工照明的使用，降低了能源消耗，同時(shí)還能起到遮陽(yáng)的效果，避免室內(nèi)溫度過(guò)高，為旅客創(chuàng)造了一個(gè)明亮、舒適的候機(jī)環(huán)境。而且，屋蓋在實(shí)驗(yàn)中具備抵御17級(jí)特強(qiáng)龍卷風(fēng)的能力，充分體現(xiàn)了其結(jié)構(gòu)的堅(jiān)固性和安全性。這種獨(dú)特的建筑設(shè)計(jì)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)提出了極高的要求。首先，為了實(shí)現(xiàn)大跨度、無(wú)柱空間的效果，鋼結(jié)構(gòu)需要具備足夠的強(qiáng)度和剛度，以承受巨大的屋頂重量和各種荷載。例如，C型柱作為主要的承重構(gòu)件，需要承受來(lái)自屋頂?shù)呢Q向荷載以及風(fēng)荷載、地震作用等水平荷載，因此對(duì)其材料強(qiáng)度、截面尺寸和構(gòu)造形式都有嚴(yán)格的要求。其次，建筑造型的獨(dú)特性使得鋼結(jié)構(gòu)的形式和節(jié)點(diǎn)構(gòu)造變得復(fù)雜多樣。如五指廊放射狀的布局，使得鋼結(jié)構(gòu)在不同部位的受力情況各不相同，需要進(jìn)行精細(xì)化的設(shè)計(jì)和分析，確保每個(gè)構(gòu)件都能滿足受力要求。再者，為了滿足建筑內(nèi)部空間的通透性和美觀性，鋼結(jié)構(gòu)的外觀和布置需要與建筑設(shè)計(jì)相融合，既要保證結(jié)構(gòu)的安全性，又要展現(xiàn)出建筑的藝術(shù)美感，這對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和施工工藝都提出了巨大的挑戰(zhàn)。同時(shí)，采光設(shè)計(jì)中玻璃與鋼結(jié)構(gòu)的結(jié)合，也需要考慮兩者之間的連接方式和密封性能，確保整個(gè)結(jié)構(gòu)的防水、防風(fēng)、保溫等性能。北京大興國(guó)際機(jī)場(chǎng)航站樓的建筑設(shè)計(jì)在追求獨(dú)特造型和人性化功能布局的同時(shí)，與鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用緊密相連，相互影響。建筑設(shè)計(jì)的要求推動(dòng)了鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)的創(chuàng)新和發(fā)展，而鋼結(jié)構(gòu)的合理應(yīng)用則為實(shí)現(xiàn)建筑設(shè)計(jì)的理念提供了堅(jiān)實(shí)的保障。2.2鋼結(jié)構(gòu)體系構(gòu)成北京大興國(guó)際機(jī)場(chǎng)航站樓鋼結(jié)構(gòu)體系主要由屋蓋結(jié)構(gòu)、立柱和幕墻結(jié)構(gòu)三大部分構(gòu)成，各部分相互配合，共同承擔(dān)著整個(gè)航站樓的荷載，確保了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性。2.2.1屋蓋結(jié)構(gòu)屋蓋結(jié)構(gòu)是航站樓鋼結(jié)構(gòu)體系的重要組成部分，采用了大跨度前臂狀拱殼結(jié)構(gòu)，這種獨(dú)特的結(jié)構(gòu)形式具有卓越的力學(xué)性能和美學(xué)價(jià)值。拱殼結(jié)構(gòu)的拱棒不少于12根，采用先進(jìn)的雙桿-拉橋桁架模式，并結(jié)合螺旋式管加勁技術(shù)，使其能夠極大地承受風(fēng)力荷載。在實(shí)際工程中，這種結(jié)構(gòu)形式有效地分散了屋頂所承受的各種荷載，將其傳遞到立柱等支承結(jié)構(gòu)上。例如，在強(qiáng)風(fēng)天氣下，拱殼結(jié)構(gòu)能夠憑借其合理的形狀和構(gòu)造，將風(fēng)力產(chǎn)生的水平荷載轉(zhuǎn)化為自身的軸向壓力，通過(guò)拱棒和桁架的協(xié)同作用，將荷載均勻地傳遞到立柱，從而保證屋蓋結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，避免因風(fēng)力過(guò)大而導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)破壞。從力學(xué)原理角度來(lái)看，大跨度前臂狀拱殼結(jié)構(gòu)利用了拱的受力特點(diǎn)，拱在豎向荷載作用下，會(huì)產(chǎn)生水平推力，通過(guò)合理設(shè)計(jì)拱的矢高和跨度，可以使拱內(nèi)主要承受壓力，充分發(fā)揮鋼材抗壓強(qiáng)度高的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，雙桿-拉橋桁架模式進(jìn)一步增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)的整體性和剛度，螺旋式管加勁則提高了桿件的局部穩(wěn)定性，防止桿件在受壓過(guò)程中發(fā)生局部屈曲。這種結(jié)構(gòu)形式的設(shè)計(jì)不僅滿足了航站樓大空間、大跨度的建筑需求，還體現(xiàn)了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與建筑美學(xué)的完美融合，使屋蓋在保證安全可靠的同時(shí)，展現(xiàn)出輕盈、流暢的外觀造型，與“鳳凰展翅”的建筑理念相得益彰。2.2.2立柱立柱采用高度為30米的H型鋼柱，H型鋼柱具有較高的強(qiáng)度和剛度，在整個(gè)鋼結(jié)構(gòu)體系中發(fā)揮著關(guān)鍵的支撐作用。它們?nèi)缤奕说募沽?，穩(wěn)穩(wěn)地承受著屋蓋傳來(lái)的巨大豎向荷載以及風(fēng)荷載、地震作用等水平荷載，并將這些荷載傳遞到基礎(chǔ)，確保整個(gè)屋體的穩(wěn)定性。在實(shí)際受力過(guò)程中，當(dāng)受到豎向荷載時(shí)，H型鋼柱主要承受壓力，其截面形狀能夠有效地抵抗壓力產(chǎn)生的屈曲變形，保證柱子在豎向荷載作用下的穩(wěn)定性。在風(fēng)荷載或地震作用等水平荷載作用下，H型鋼柱會(huì)產(chǎn)生彎矩和剪力。由于H型鋼柱具有較大的慣性矩和抗剪能力，能夠較好地承受這些水平力產(chǎn)生的彎矩和剪力，將水平荷載傳遞到基礎(chǔ)，避免結(jié)構(gòu)因水平力作用而發(fā)生側(cè)移或倒塌。例如，在一次模擬地震試驗(yàn)中，當(dāng)結(jié)構(gòu)受到較大水平地震力作用時(shí)，H型鋼柱雖然產(chǎn)生了一定的變形，但憑借其自身的強(qiáng)度和剛度，依然能夠保持結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性，沒(méi)有發(fā)生破壞或倒塌現(xiàn)象。這充分證明了H型鋼柱在承受復(fù)雜荷載作用下的可靠性和有效性，為航站樓鋼結(jié)構(gòu)體系的安全提供了堅(jiān)實(shí)的保障。2.2.3幕墻結(jié)構(gòu)幕墻結(jié)構(gòu)選用了大跨度的鋼梁，采用透明和亞透明的玻璃材料，不僅讓整個(gè)建筑更具透明感和良好的采光性，還在一定程度上參與了結(jié)構(gòu)的受力。幕墻結(jié)構(gòu)與屋蓋結(jié)構(gòu)和立柱相互連接，共同構(gòu)成了一個(gè)穩(wěn)定的空間結(jié)構(gòu)體系。在風(fēng)荷載作用下，幕墻結(jié)構(gòu)的鋼梁會(huì)受到風(fēng)力的作用而產(chǎn)生內(nèi)力。由于幕墻與屋蓋和立柱相連，鋼梁會(huì)將部分風(fēng)荷載傳遞給屋蓋和立柱，通過(guò)整個(gè)結(jié)構(gòu)體系的協(xié)同作用來(lái)抵抗風(fēng)荷載。在地震作用下，幕墻結(jié)構(gòu)也會(huì)與其他結(jié)構(gòu)部分共同變形，通過(guò)自身的變形來(lái)消耗地震能量，減輕地震對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)的破壞。此外，幕墻結(jié)構(gòu)的玻璃材料雖然主要起圍護(hù)和采光作用，但在結(jié)構(gòu)體系中也并非完全被動(dòng)。在受到外力作用時(shí)，玻璃與鋼梁之間的連接節(jié)點(diǎn)會(huì)傳遞一定的力，使玻璃在一定程度上參與結(jié)構(gòu)的協(xié)同工作。例如，在風(fēng)荷載作用下，玻璃會(huì)受到風(fēng)壓的作用，通過(guò)與鋼梁的連接，將部分力傳遞給鋼梁，從而使幕墻結(jié)構(gòu)作為一個(gè)整體與其他結(jié)構(gòu)部分共同抵抗風(fēng)荷載。北京大興國(guó)際機(jī)場(chǎng)航站樓鋼結(jié)構(gòu)體系的屋蓋結(jié)構(gòu)、立柱和幕墻結(jié)構(gòu)各自具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)形式和特點(diǎn)，在整個(gè)結(jié)構(gòu)體系中發(fā)揮著不同的作用。屋蓋結(jié)構(gòu)主要承擔(dān)屋頂荷載并將其傳遞給立柱；立柱作為主要的承重構(gòu)件，承受并傳遞各種荷載；幕墻結(jié)構(gòu)不僅起到圍護(hù)和采光的作用，還在一定程度上參與結(jié)構(gòu)受力。它們之間通過(guò)合理的連接和協(xié)同工作機(jī)制，共同保證了航站樓鋼結(jié)構(gòu)體系的穩(wěn)定性和安全性，為機(jī)場(chǎng)的正常運(yùn)營(yíng)提供了堅(jiān)實(shí)的結(jié)構(gòu)保障。2.3鋼結(jié)構(gòu)材料特性北京大興國(guó)際機(jī)場(chǎng)航站樓鋼結(jié)構(gòu)主要選用了Q345和Q460兩種鋼材，它們?cè)诹W(xué)性能和化學(xué)性能上各具特點(diǎn)，對(duì)結(jié)構(gòu)性能產(chǎn)生了重要影響。Q345屬于低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼，具有良好的綜合力學(xué)性能。其屈服強(qiáng)度不低于345MPa，抗拉強(qiáng)度在470-630MPa之間，這使得它能夠承受一定的荷載而不發(fā)生過(guò)度變形或破壞。較高的屈服強(qiáng)度保證了結(jié)構(gòu)在正常使用荷載下的穩(wěn)定性，抗拉強(qiáng)度則決定了結(jié)構(gòu)在極限荷載作用下的承載能力。在航站樓的日常運(yùn)營(yíng)中，Q345鋼材制成的構(gòu)件能夠穩(wěn)定地承受屋面自重、設(shè)備重量以及人員活動(dòng)等產(chǎn)生的豎向荷載，確保結(jié)構(gòu)的安全可靠。Q345鋼還具有較好的塑性和韌性。塑性是指材料在受力破壞前可以經(jīng)受永久變形的性能，Q345鋼的伸長(zhǎng)率一般不小于20%，這意味著它在受力時(shí)能夠產(chǎn)生較大的變形而不斷裂，具有良好的延性。在地震等災(zāi)害作用下，結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生較大的變形，Q345鋼的良好塑性能夠使構(gòu)件通過(guò)變形來(lái)消耗能量，避免突然脆性破壞，提高結(jié)構(gòu)的抗震能力。韌性則反映了材料在沖擊荷載作用下吸收能量的能力，Q345鋼的沖擊韌性較好，能夠有效地抵抗風(fēng)荷載、地震作用等動(dòng)態(tài)荷載產(chǎn)生的沖擊，保證結(jié)構(gòu)在復(fù)雜受力情況下的安全性。從化學(xué)性能來(lái)看，Q345鋼含有一定量的合金元素，如錳（Mn）、硅（Si）等。錳元素可以提高鋼材的強(qiáng)度和硬度，同時(shí)還能改善鋼材的熱加工性能；硅元素能夠增加鋼材的強(qiáng)度和硬度，提高鋼材的抗氧化性和耐腐蝕性。這些合金元素的合理配比，使得Q345鋼在保證力學(xué)性能的同時(shí)，具備一定的耐腐蝕性能，能夠適應(yīng)機(jī)場(chǎng)復(fù)雜的環(huán)境條件，延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的使用壽命。Q460是一種高強(qiáng)度低合金結(jié)構(gòu)鋼，其屈服強(qiáng)度不低于460MPa，抗拉強(qiáng)度在550-720MPa之間，相比Q345鋼，具有更高的強(qiáng)度。在大興國(guó)際機(jī)場(chǎng)航站樓鋼結(jié)構(gòu)中，Q460鋼主要應(yīng)用于一些受力較大的關(guān)鍵部位，如C型柱等。這些部位承受著巨大的荷載，Q460鋼的高強(qiáng)度特性能夠滿足其對(duì)承載能力的嚴(yán)格要求，確保結(jié)構(gòu)在各種工況下的安全性和穩(wěn)定性。Q460鋼在保證高強(qiáng)度的同時(shí)，也具備良好的塑性和韌性。雖然其伸長(zhǎng)率略低于Q345鋼，但仍然能夠滿足結(jié)構(gòu)在正常使用和災(zāi)害情況下的變形要求，在地震等災(zāi)害作用下，Q460鋼制成的構(gòu)件能夠在一定程度上發(fā)生變形，吸收地震能量，保護(hù)結(jié)構(gòu)的整體安全。Q460鋼中合金元素的含量相對(duì)較高，除了錳、硅等常見(jiàn)元素外，還可能含有鈮（Nb）、釩（V）、鈦（Ti）等微量元素。這些微量元素能夠細(xì)化晶粒，提高鋼材的強(qiáng)度和韌性，同時(shí)還能改善鋼材的焊接性能。鈮元素可以細(xì)化晶粒，提高鋼材的強(qiáng)度和韌性；釩元素能夠提高鋼材的強(qiáng)度和硬度，改善鋼材的焊接性能；鈦元素可以與氮、硫等元素形成穩(wěn)定的化合物，減少這些元素對(duì)鋼材性能的不利影響，提高鋼材的純凈度和性能穩(wěn)定性。這些合金元素的協(xié)同作用，使得Q460鋼在具備高強(qiáng)度的同時(shí)，還具有良好的綜合性能，能夠滿足大興國(guó)際機(jī)場(chǎng)航站樓鋼結(jié)構(gòu)復(fù)雜的受力和使用要求。這些鋼材的特性對(duì)結(jié)構(gòu)性能有著多方面的影響。在承載能力方面，Q345和Q460鋼的高強(qiáng)度保證了結(jié)構(gòu)能夠承受巨大的荷載，包括恒載、活載以及風(fēng)荷載、地震作用等水平荷載，確保航站樓在各種工況下的安全穩(wěn)定。在抗震性能方面，兩種鋼材良好的塑性和韌性使得結(jié)構(gòu)在地震作用下能夠通過(guò)自身變形消耗能量，避免脆性破壞，提高結(jié)構(gòu)的抗震能力。在耐久性方面，合金元素的存在使鋼材具有一定的耐腐蝕性能，能夠適應(yīng)機(jī)場(chǎng)環(huán)境中的濕度、溫度變化以及空氣中的腐蝕性介質(zhì)，延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的使用壽命。北京大興國(guó)際機(jī)場(chǎng)航站樓鋼結(jié)構(gòu)選用的Q345和Q460鋼材，以其優(yōu)異的力學(xué)性能和化學(xué)性能，為航站樓的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供了堅(jiān)實(shí)的材料基礎(chǔ)，滿足了大跨度鋼結(jié)構(gòu)在承載能力、抗震性能和耐久性等方面的嚴(yán)格要求。三、振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)原理與設(shè)備3.1振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)基本原理振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)的核心是模擬地震和風(fēng)力等自然作用對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，其基本原理基于牛頓第二定律和彈性力學(xué)理論。振動(dòng)臺(tái)通過(guò)電機(jī)、減速器、偏心輪等部件將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，使振動(dòng)臺(tái)產(chǎn)生振動(dòng)。電機(jī)通過(guò)減速器驅(qū)動(dòng)偏心輪旋轉(zhuǎn)，偏心輪的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生離心力，從而使臺(tái)面上的試驗(yàn)樣品產(chǎn)生振動(dòng)。在模擬地震作用時(shí)，通常會(huì)對(duì)地震地面運(yùn)動(dòng)的位移、速度或加速度信號(hào)進(jìn)行處理，并輸入到振動(dòng)臺(tái)的控制系統(tǒng)中，通過(guò)控制作動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)來(lái)精確模擬地震波的特性，包括振幅、頻率、持續(xù)時(shí)間等參數(shù)，讓放置在振動(dòng)臺(tái)上的結(jié)構(gòu)模型承受與實(shí)際地震相似的動(dòng)力作用。在振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)中，模型與原型結(jié)構(gòu)之間存在著相似關(guān)系，這種相似關(guān)系通過(guò)相似比來(lái)體現(xiàn)。相似比是模型與原型相應(yīng)物理量的比值，它是保證模型試驗(yàn)?zāi)軌驕?zhǔn)確反映原型結(jié)構(gòu)性能的關(guān)鍵。相似關(guān)系主要包括幾何相似、質(zhì)量相似、荷載相似、材料相似和時(shí)間相似等多個(gè)方面。幾何相似要求模型與原型的各部分幾何尺寸成比例，其相似比用長(zhǎng)度相似比C_{L}表示。對(duì)于北京大興國(guó)際機(jī)場(chǎng)航站樓鋼結(jié)構(gòu)的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)?zāi)Ｐ停暨x取長(zhǎng)度相似比為1:n，則模型中所有構(gòu)件的長(zhǎng)度、寬度、高度等尺寸均為原型的\frac{1}{n}。這確保了模型與原型在形狀和尺寸比例上的一致性，使得模型在受力時(shí)的變形模式能夠與原型相似。質(zhì)量相似意味著模型與原型的質(zhì)量分布成比例，其相似比為質(zhì)量相似比C_{m}。質(zhì)量相似比與幾何相似比和材料密度相似比相關(guān)，可表示為C_{m}=C_{\rho}C_{L}^{3}，其中C_{\rho}為材料密度相似比。在試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭谱髦校ㄟ^(guò)合理選擇材料和控制構(gòu)件尺寸，保證模型的質(zhì)量分布與原型相似，以確保模型在振動(dòng)過(guò)程中的慣性力與原型具有相似的比例關(guān)系。荷載相似要求模型所承受的荷載與原型相應(yīng)荷載成比例，其相似比為荷載相似比C_{F}。在振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)中，模型所承受的地震作用、風(fēng)荷載等荷載均需按照相似比進(jìn)行模擬。地震作用的相似比與加速度相似比C_{a}和質(zhì)量相似比C_{m}相關(guān)，可表示為C_{F}=C_{m}C_{a}=C_{\rho}C_{L}^{3}C_{a}。通過(guò)精確控制振動(dòng)臺(tái)的加速度輸出，使模型所承受的地震荷載與原型在相似的地震工況下具有相似的大小和分布。材料相似要求模型材料與原型材料的力學(xué)性能相似，如彈性模量相似比C_{E}、泊松比相似比C_{\mu}等。雖然在實(shí)際試驗(yàn)中，完全實(shí)現(xiàn)材料性能的相似較為困難，但應(yīng)盡量選擇與原型材料力學(xué)性能相近的材料制作模型。對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)模型，通常會(huì)選用與實(shí)際鋼材彈性模量、屈服強(qiáng)度、極限強(qiáng)度等力學(xué)性能相似的鋼材，以保證模型在受力時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系與原型相似。時(shí)間相似則要求模型試驗(yàn)的時(shí)間歷程與原型結(jié)構(gòu)在實(shí)際地震或風(fēng)作用下的時(shí)間歷程成比例，其相似比為時(shí)間相似比C_{t}。時(shí)間相似比與長(zhǎng)度相似比和加速度相似比相關(guān)，可表示為C_{t}=\sqrt{\frac{C_{L}}{C_{a}}}。在振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)中，通過(guò)對(duì)輸入地震波或風(fēng)荷載時(shí)程的壓縮或擴(kuò)展，使模型試驗(yàn)的時(shí)間尺度與原型在實(shí)際作用下的時(shí)間尺度保持相似。這些相似關(guān)系相互關(guān)聯(lián)，共同構(gòu)成了振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)的相似理論基礎(chǔ)。在試驗(yàn)設(shè)計(jì)和實(shí)施過(guò)程中，必須嚴(yán)格遵循這些相似關(guān)系，確保模型能夠準(zhǔn)確模擬原型結(jié)構(gòu)在地震和風(fēng)力等作用下的力學(xué)行為和響應(yīng)特性。只有這樣，通過(guò)對(duì)模型試驗(yàn)結(jié)果的分析和研究，才能可靠地推斷原型結(jié)構(gòu)的抗震性能和抗風(fēng)性能，為北京大興國(guó)際機(jī)場(chǎng)航站樓鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、評(píng)估和優(yōu)化提供有價(jià)值的依據(jù)。3.2試驗(yàn)所用振動(dòng)臺(tái)設(shè)備介紹本次試驗(yàn)選用的是[振動(dòng)臺(tái)品牌及型號(hào)]，這是一款高性能的振動(dòng)試驗(yàn)設(shè)備，具備先進(jìn)的技術(shù)和卓越的性能，能夠滿足北京大興國(guó)際機(jī)場(chǎng)航站樓鋼結(jié)構(gòu)整體振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)的嚴(yán)格要求。該振動(dòng)臺(tái)的主要技術(shù)參數(shù)表現(xiàn)出色。其最大承載能力可達(dá)[X]噸，這對(duì)于承載大型的航站樓鋼結(jié)構(gòu)縮尺模型至關(guān)重要，確保了模型在試驗(yàn)過(guò)程中能夠穩(wěn)定地放置在振動(dòng)臺(tái)上，不會(huì)因重量過(guò)大而對(duì)振動(dòng)臺(tái)造成損壞或影響試驗(yàn)的準(zhǔn)確性。臺(tái)面尺寸為[長(zhǎng)×寬]，能夠?yàn)槟Ｐ吞峁┏渥愕姆胖每臻g，保證模型在振動(dòng)過(guò)程中不會(huì)超出臺(tái)面范圍，避免因邊界條件的改變而影響試驗(yàn)結(jié)果。振動(dòng)臺(tái)的頻率范圍是衡量其性能的重要指標(biāo)之一，該振動(dòng)臺(tái)的頻率范圍為[最低頻率]-[最高頻率]Hz，能夠覆蓋常見(jiàn)地震波的頻率范圍，滿足模擬不同地震工況的需求。在模擬地震作用時(shí)，可以根據(jù)實(shí)際地震波的頻率特性，在該頻率范圍內(nèi)精確調(diào)整振動(dòng)臺(tái)的輸出頻率，使模型所承受的振動(dòng)荷載與實(shí)際地震作用相似。例如，對(duì)于高頻地震波，可以將振動(dòng)臺(tái)的頻率調(diào)整到相應(yīng)的高頻段，以準(zhǔn)確模擬地震對(duì)結(jié)構(gòu)的高頻激勵(lì)作用；對(duì)于低頻地震波，也能夠通過(guò)調(diào)整頻率使模型感受到低頻振動(dòng)的影響。最大位移和最大加速度也是振動(dòng)臺(tái)的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)。該振動(dòng)臺(tái)的最大位移可達(dá)[X]mm，最大加速度為[X]g，能夠模擬出強(qiáng)烈地震作用下結(jié)構(gòu)所經(jīng)歷的大位移和高加速度響應(yīng)。在試驗(yàn)中，通過(guò)控制振動(dòng)臺(tái)輸出不同的位移和加速度幅值，可以研究結(jié)構(gòu)在不同地震強(qiáng)度下的響應(yīng)特性。當(dāng)需要模擬強(qiáng)烈地震時(shí)，可以將振動(dòng)臺(tái)的最大加速度設(shè)置為較高的值，使模型承受較大的地震力作用，觀察結(jié)構(gòu)在這種極端情況下的變形和破壞情況；通過(guò)調(diào)整最大位移參數(shù)，可以研究結(jié)構(gòu)在大變形情況下的性能，如結(jié)構(gòu)的變形模式、構(gòu)件的屈服和破壞順序等。在工作性能方面，該振動(dòng)臺(tái)具有高度的穩(wěn)定性和可靠性。其采用了先進(jìn)的控制系統(tǒng)，能夠精確控制振動(dòng)臺(tái)的振動(dòng)參數(shù)，確保試驗(yàn)過(guò)程中振動(dòng)的穩(wěn)定性和重復(fù)性。在試驗(yàn)過(guò)程中，控制系統(tǒng)可以根據(jù)預(yù)設(shè)的地震波參數(shù)，準(zhǔn)確地控制振動(dòng)臺(tái)的振動(dòng)頻率、幅值和持續(xù)時(shí)間，使模型所承受的振動(dòng)荷載與實(shí)際地震作用高度一致。該振動(dòng)臺(tái)的振動(dòng)波形精度高，能夠準(zhǔn)確模擬各種地震波的波形，為試驗(yàn)提供了可靠的振動(dòng)激勵(lì)。無(wú)論是正弦波、三角波還是復(fù)雜的地震波，振動(dòng)臺(tái)都能夠以高精度輸出，保證了試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。該振動(dòng)臺(tái)的適用范圍廣泛，適用于各種大型結(jié)構(gòu)的振動(dòng)試驗(yàn)研究，尤其是大跨度鋼結(jié)構(gòu)的抗震性能研究。對(duì)于北京大興國(guó)際機(jī)場(chǎng)航站樓這樣的大型復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)建筑，該振動(dòng)臺(tái)能夠提供精確的振動(dòng)模擬，為研究結(jié)構(gòu)在地震作用下的力學(xué)行為和響應(yīng)特性提供了有力的支持。它可以模擬不同場(chǎng)地條件下的地震作用，通過(guò)調(diào)整地震波的頻譜特性和幅值，研究結(jié)構(gòu)在不同場(chǎng)地土類型、不同地震動(dòng)強(qiáng)度下的抗震性能，為航站樓的抗震設(shè)計(jì)和安全評(píng)估提供全面的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。該振動(dòng)臺(tái)設(shè)備在技術(shù)參數(shù)、工作性能和適用范圍等方面都具有顯著的優(yōu)勢(shì)，能夠?yàn)楸本┐笈d國(guó)際機(jī)場(chǎng)航站樓鋼結(jié)構(gòu)整體振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)提供強(qiáng)有力的支撐，確保試驗(yàn)的順利進(jìn)行和試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性、可靠性，為深入研究航站樓鋼結(jié)構(gòu)的抗震性能奠定了堅(jiān)實(shí)的設(shè)備基礎(chǔ)。3.3試驗(yàn)輔助設(shè)備與儀器在本次北京大興國(guó)際機(jī)場(chǎng)航站樓鋼結(jié)構(gòu)整體振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)中，多種輔助設(shè)備和儀器發(fā)揮了關(guān)鍵作用，它們協(xié)同工作，確保了試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確采集和試驗(yàn)過(guò)程的順利進(jìn)行。3.3.1傳感器加速度傳感器是試驗(yàn)中不可或缺的重要傳感器之一，本次試驗(yàn)選用了[傳感器品牌及型號(hào)]加速度傳感器。其工作原理基于壓電效應(yīng)，當(dāng)結(jié)構(gòu)在地震作用下產(chǎn)生加速度時(shí)，傳感器內(nèi)部的壓電元件會(huì)受到力的作用，從而產(chǎn)生與加速度成正比的電荷量。這些電荷量經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換和放大后，以電信號(hào)的形式輸出，通過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行記錄和分析。該加速度傳感器的靈敏度為[X]mV/g，頻率響應(yīng)范圍為[最低頻率]-[最高頻率]Hz，能夠精確測(cè)量結(jié)構(gòu)在地震作用下的加速度響應(yīng)。在試驗(yàn)中，將加速度傳感器布置在模型的關(guān)鍵部位，如柱頂、梁端、屋蓋等位置。柱頂?shù)募铀俣葌鞲衅骺梢员O(jiān)測(cè)柱子在地震作用下的加速度變化，反映柱子所承受的地震力大??；梁端的加速度傳感器則能捕捉梁在地震作用下的振動(dòng)情況，為分析梁的受力和變形提供數(shù)據(jù)支持；屋蓋部位的加速度傳感器可以全面了解屋蓋在地震作用下的整體振動(dòng)特性。通過(guò)這些加速度傳感器采集到的數(shù)據(jù)，能夠準(zhǔn)確分析結(jié)構(gòu)在不同地震波作用下的加速度響應(yīng)規(guī)律，為研究結(jié)構(gòu)的抗震性能提供重要依據(jù)。位移傳感器同樣起著關(guān)鍵作用，試驗(yàn)采用了[傳感器品牌及型號(hào)]位移傳感器，其基于線性可變差動(dòng)變壓器（LVDT）原理工作。當(dāng)結(jié)構(gòu)發(fā)生位移時(shí)，傳感器的鐵芯會(huì)隨之移動(dòng)，從而改變初級(jí)線圈和次級(jí)線圈之間的互感，產(chǎn)生與位移成正比的電信號(hào)。該位移傳感器的測(cè)量范圍為[最小量程]-[最大量程]mm，精度可達(dá)±[精度數(shù)值]mm，能夠滿足試驗(yàn)對(duì)位移測(cè)量的高精度要求。在試驗(yàn)中，位移傳感器主要用于測(cè)量模型在地震作用下各部位的位移響應(yīng)。在柱身不同高度處布置位移傳感器，可以測(cè)量柱子在地震作用下的側(cè)向位移，了解柱子的彎曲變形情況；在屋蓋的邊緣和跨中布置位移傳感器，能夠監(jiān)測(cè)屋蓋在地震作用下的豎向位移和水平位移，分析屋蓋的變形模式和整體穩(wěn)定性。通過(guò)對(duì)位移傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以得到結(jié)構(gòu)在地震作用下的位移時(shí)程曲線，直觀地展示結(jié)構(gòu)的變形過(guò)程，為評(píng)估結(jié)構(gòu)的抗震性能提供重要參考。應(yīng)變片也是試驗(yàn)中常用的傳感器，選用了[應(yīng)變片品牌及型號(hào)]應(yīng)變片。應(yīng)變片的工作原理是基于金屬絲的電阻應(yīng)變效應(yīng)，當(dāng)金屬絲受到外力作用發(fā)生變形時(shí)，其電阻值會(huì)發(fā)生變化，電阻變化量與應(yīng)變成正比。在試驗(yàn)中，將應(yīng)變片粘貼在模型構(gòu)件的表面，通過(guò)測(cè)量應(yīng)變片電阻值的變化，即可得到構(gòu)件的應(yīng)變情況。應(yīng)變片的標(biāo)距為[標(biāo)距數(shù)值]mm，靈敏系數(shù)為[靈敏系數(shù)數(shù)值]，能夠準(zhǔn)確測(cè)量構(gòu)件在受力過(guò)程中的應(yīng)變。在鋼梁、鋼柱等關(guān)鍵構(gòu)件的表面布置應(yīng)變片，通過(guò)測(cè)量這些構(gòu)件在地震作用下的應(yīng)變，可進(jìn)一步推算出構(gòu)件的應(yīng)力分布情況。在鋼梁的跨中、支座等部位粘貼應(yīng)變片，可以測(cè)量鋼梁在不同荷載工況下的應(yīng)變，分析鋼梁的受力性能；在鋼柱的柱腳、柱身等位置布置應(yīng)變片，能夠監(jiān)測(cè)鋼柱在地震作用下的應(yīng)力變化，判斷鋼柱是否進(jìn)入屈服階段。通過(guò)對(duì)應(yīng)變片數(shù)據(jù)的分析，可以深入了解結(jié)構(gòu)在地震作用下的受力特性，為評(píng)估結(jié)構(gòu)的承載能力和抗震性能提供重要依據(jù)。3.3.2數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)本次試驗(yàn)采用的是[數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)品牌及型號(hào)]數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，它具備強(qiáng)大的數(shù)據(jù)采集和處理能力。該系統(tǒng)能夠同時(shí)采集多個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)，其通道數(shù)多達(dá)[通道數(shù)量]，可以滿足試驗(yàn)中大量傳感器的數(shù)據(jù)采集需求。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的采樣頻率可根據(jù)試驗(yàn)要求進(jìn)行靈活設(shè)置，最高可達(dá)[最高采樣頻率]Hz，能夠準(zhǔn)確捕捉結(jié)構(gòu)在地震作用下的快速響應(yīng)信號(hào)。在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，系統(tǒng)對(duì)傳感器輸出的模擬信號(hào)進(jìn)行高精度的A/D轉(zhuǎn)換，將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，然后進(jìn)行存儲(chǔ)和初步處理。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)還具備實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)傳輸功能，通過(guò)與計(jì)算機(jī)相連，將采集到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中，便于試驗(yàn)人員在試驗(yàn)過(guò)程中實(shí)時(shí)觀察和分析數(shù)據(jù)。在試驗(yàn)結(jié)束后，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠?qū)⒉杉降臄?shù)據(jù)以多種格式進(jìn)行保存，如文本文件、二進(jìn)制文件等，方便后續(xù)的數(shù)據(jù)處理和分析。3.3.3其他輔助設(shè)備除了傳感器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)外，試驗(yàn)中還使用了一些其他輔助設(shè)備。在模型安裝過(guò)程中，使用了高精度的水準(zhǔn)儀和經(jīng)緯儀，用于確保模型在振動(dòng)臺(tái)上的安裝位置準(zhǔn)確無(wú)誤，保證模型的垂直度和水平度符合試驗(yàn)要求。在試驗(yàn)過(guò)程中，為了防止模型在振動(dòng)過(guò)程中發(fā)生移動(dòng)或晃動(dòng)，采用了專用的夾具和固定裝置，將模型牢固地固定在振動(dòng)臺(tái)上。還配備了備用電源，以應(yīng)對(duì)突發(fā)停電等情況，確保試驗(yàn)的連續(xù)性和數(shù)據(jù)的完整性。這些試驗(yàn)輔助設(shè)備和儀器相互配合，為北京大興國(guó)際機(jī)場(chǎng)航站樓鋼結(jié)構(gòu)整體振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)提供了全方位的技術(shù)支持。傳感器負(fù)責(zé)采集結(jié)構(gòu)在地震作用下的各種響應(yīng)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行高效的采集、處理和傳輸，其他輔助設(shè)備則保障了試驗(yàn)的順利進(jìn)行。它們的合理使用和協(xié)同工作，為深入研究航站樓鋼結(jié)構(gòu)的抗震性能提供了可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和技術(shù)保障。四、試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)與制作4.1模型設(shè)計(jì)依據(jù)與相似關(guān)系確定本次試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷脑O(shè)計(jì)嚴(yán)格依據(jù)相似理論，以確保模型能夠準(zhǔn)確反映北京大興國(guó)際機(jī)場(chǎng)航站樓鋼結(jié)構(gòu)在地震作用下的真實(shí)性能。相似理論是模型試驗(yàn)的核心基礎(chǔ)，它通過(guò)建立模型與原型之間的相似關(guān)系，使得在模型上進(jìn)行的試驗(yàn)結(jié)果能夠合理地推斷到原型結(jié)構(gòu)上。在確定相似關(guān)系時(shí)，首先明確了幾何相似比。考慮到試驗(yàn)場(chǎng)地、振動(dòng)臺(tái)承載能力以及模型制作的可行性等多方面因素，經(jīng)過(guò)綜合權(quán)衡，最終確定幾何相似比C_{L}為1:n。這意味著模型中所有構(gòu)件的長(zhǎng)度、寬度、高度等幾何尺寸均為原型的\frac{1}{n}。例如，原型中H型鋼柱高度為30米，在模型中其高度則為\frac{30}{n}米。合理的幾何相似比是保證模型與原型在形狀和尺寸比例上一致的關(guān)鍵，它直接影響到模型在受力時(shí)的變形模式是否能夠與原型相似。如果幾何相似比不合理，可能導(dǎo)致模型在試驗(yàn)中的受力狀態(tài)與原型差異較大，從而使試驗(yàn)結(jié)果失去參考價(jià)值。質(zhì)量相似比C_{m}的確定也至關(guān)重要。根據(jù)相似理論，質(zhì)量相似比與幾何相似比和材料密度相似比相關(guān)，可表示為C_{m}=C_{\rho}C_{L}^{3}。在實(shí)際模型制作中，為了保證質(zhì)量相似，一方面選擇與原型鋼材密度相近的材料，使C_{\rho}盡量接近1；另一方面，嚴(yán)格按照幾何相似比控制模型構(gòu)件的尺寸，確保C_{L}^{3}的準(zhǔn)確性。通過(guò)精確控制質(zhì)量相似比，能夠保證模型在振動(dòng)過(guò)程中的慣性力與原型具有相似的比例關(guān)系，從而使模型在地震作用下的動(dòng)力響應(yīng)與原型相似。例如，在模型制作過(guò)程中，對(duì)每一種材料的密度進(jìn)行精確測(cè)量，并根據(jù)幾何相似比計(jì)算出每個(gè)構(gòu)件的理論質(zhì)量，通過(guò)調(diào)整材料的使用量或添加配重等方式，使模型構(gòu)件的實(shí)際質(zhì)量與理論質(zhì)量相符。荷載相似比C_{F}是模擬地震作用的關(guān)鍵參數(shù)。在振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)中，模型所承受的地震作用需按照相似比進(jìn)行模擬。地震作用的相似比與加速度相似比C_{a}和質(zhì)量相似比C_{m}相關(guān)，可表示為C_{F}=C_{m}C_{a}=C_{\rho}C_{L}^{3}C_{a}。通過(guò)精確控制振動(dòng)臺(tái)的加速度輸出，使模型所承受的地震荷載與原型在相似的地震工況下具有相似的大小和分布。在試驗(yàn)前，根據(jù)原型結(jié)構(gòu)所在場(chǎng)地的地震參數(shù)和設(shè)計(jì)要求，確定加速度相似比C_{a}，然后根據(jù)質(zhì)量相似比和加速度相似比計(jì)算出荷載相似比。在試驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)振動(dòng)臺(tái)控制系統(tǒng)精確調(diào)整加速度幅值，使模型所承受的地震荷載滿足相似比要求。例如，若原型結(jié)構(gòu)在某一地震工況下的加速度峰值為a_{0}，根據(jù)加速度相似比C_{a}，在模型試驗(yàn)中振動(dòng)臺(tái)輸出的加速度峰值應(yīng)為a_{0}C_{a}。材料相似性也是模型設(shè)計(jì)中需要重點(diǎn)考慮的因素。雖然在實(shí)際試驗(yàn)中，完全實(shí)現(xiàn)模型材料與原型材料性能的相似較為困難，但應(yīng)盡量選擇與原型鋼材力學(xué)性能相近的材料制作模型。對(duì)于北京大興國(guó)際機(jī)場(chǎng)航站樓鋼結(jié)構(gòu)模型，選用的鋼材在彈性模量、屈服強(qiáng)度、極限強(qiáng)度等力學(xué)性能指標(biāo)上與原型鋼材盡可能接近。例如，原型鋼結(jié)構(gòu)主要采用Q345和Q460鋼材，在模型制作時(shí)，通過(guò)市場(chǎng)調(diào)研和材料性能測(cè)試，選擇了彈性模量相似比C_{E}和屈服強(qiáng)度相似比等盡可能接近1的替代鋼材。同時(shí)，對(duì)模型材料的泊松比相似比C_{\mu}也進(jìn)行了控制，使其與原型材料的泊松比相近，以保證模型在受力時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系與原型相似。時(shí)間相似比C_{t}同樣不容忽視。時(shí)間相似比與長(zhǎng)度相似比和加速度相似比相關(guān)，可表示為C_{t}=\sqrt{\frac{C_{L}}{C_{a}}}。在振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)中，通過(guò)對(duì)輸入地震波或風(fēng)荷載時(shí)程的壓縮或擴(kuò)展，使模型試驗(yàn)的時(shí)間尺度與原型在實(shí)際作用下的時(shí)間尺度保持相似。在試驗(yàn)前，根據(jù)確定的長(zhǎng)度相似比和加速度相似比計(jì)算出時(shí)間相似比，然后對(duì)輸入的地震波時(shí)程進(jìn)行相應(yīng)的處理。例如，若原型結(jié)構(gòu)在地震作用下的時(shí)間歷程為t_{0}，根據(jù)時(shí)間相似比C_{t}，在模型試驗(yàn)中輸入的地震波時(shí)間歷程應(yīng)為t_{0}C_{t}。這樣，模型在試驗(yàn)中的振動(dòng)響應(yīng)過(guò)程與原型在實(shí)際地震作用下的響應(yīng)過(guò)程具有相似的時(shí)間特征，便于對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析和比較。這些相似關(guān)系相互關(guān)聯(lián)，共同構(gòu)成了一個(gè)完整的體系。任何一個(gè)相似關(guān)系的不合理或不準(zhǔn)確，都可能對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性產(chǎn)生影響。如果幾何相似比不準(zhǔn)確，可能導(dǎo)致模型的受力狀態(tài)與原型不同，進(jìn)而影響質(zhì)量相似和荷載相似的實(shí)現(xiàn)；質(zhì)量相似比不滿足要求，會(huì)使模型在振動(dòng)過(guò)程中的慣性力與原型不一致，從而影響荷載相似和結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)；荷載相似比不準(zhǔn)確，無(wú)法真實(shí)模擬原型結(jié)構(gòu)在地震作用下的受力情況，試驗(yàn)結(jié)果就不能準(zhǔn)確反映原型的抗震性能；材料相似性不滿足要求，模型的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系與原型不同，會(huì)導(dǎo)致對(duì)結(jié)構(gòu)性能的評(píng)估出現(xiàn)偏差；時(shí)間相似比不準(zhǔn)確，模型試驗(yàn)的時(shí)間歷程與原型不一致，可能會(huì)錯(cuò)過(guò)一些關(guān)鍵的響應(yīng)特征，影響對(duì)結(jié)構(gòu)抗震性能的全面分析。因此，在模型設(shè)計(jì)和制作過(guò)程中，必須嚴(yán)格遵循這些相似關(guān)系，確保模型能夠準(zhǔn)確模擬原型結(jié)構(gòu)在地震作用下的力學(xué)行為和響應(yīng)特性。4.2模型材料選擇與性能測(cè)試在模型材料的選擇過(guò)程中，為了使模型能夠準(zhǔn)確模擬北京大興國(guó)際機(jī)場(chǎng)航站樓鋼結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，經(jīng)過(guò)廣泛的市場(chǎng)調(diào)研和材料性能對(duì)比分析，最終選用了[具體鋼材型號(hào)]鋼材作為模型的主要材料。該鋼材在彈性模量、屈服強(qiáng)度、極限強(qiáng)度等關(guān)鍵力學(xué)性能指標(biāo)上與原型結(jié)構(gòu)所使用的Q345和Q460鋼材相近，能夠較好地滿足模型試驗(yàn)對(duì)材料性能的要求。為了全面掌握所選材料的力學(xué)性能，對(duì)該鋼材進(jìn)行了系統(tǒng)的性能測(cè)試。在拉伸試驗(yàn)中，依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，制作了標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣，采用[拉伸試驗(yàn)機(jī)品牌及型號(hào)]進(jìn)行試驗(yàn)。在試驗(yàn)過(guò)程中，以規(guī)定的加載速率對(duì)試樣施加軸向拉力，通過(guò)試驗(yàn)機(jī)的傳感器實(shí)時(shí)采集試樣在受力過(guò)程中的拉力和伸長(zhǎng)量數(shù)據(jù)。根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)，繪制出應(yīng)力-應(yīng)變曲線，從而計(jì)算出材料的各項(xiàng)拉伸性能指標(biāo)。測(cè)試結(jié)果顯示，該鋼材的屈服強(qiáng)度為[X]MPa，與原型Q345鋼材的屈服強(qiáng)度345MPa相比，誤差在可接受范圍內(nèi)；抗拉強(qiáng)度達(dá)到[X]MPa，伸長(zhǎng)率為[X]%，表明其具有良好的塑性變形能力，在受力時(shí)能夠產(chǎn)生一定的塑性變形而不發(fā)生突然斷裂。壓縮試驗(yàn)同樣按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，使用[壓力試驗(yàn)機(jī)品牌及型號(hào)]對(duì)壓縮試樣進(jìn)行加載。試驗(yàn)過(guò)程中，逐漸增加壓力，觀察試樣的變形情況，記錄試樣破壞時(shí)的壓力值。通過(guò)計(jì)算，得到該鋼材的抗壓強(qiáng)度為[X]MPa，能夠較好地模擬原型鋼材在受壓狀態(tài)下的力學(xué)性能。彎曲試驗(yàn)采用三點(diǎn)彎曲加載方式，選用[萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)品牌及型號(hào)]進(jìn)行試驗(yàn)。將矩形截面的試樣放置在兩個(gè)支撐點(diǎn)上，在試樣跨中位置施加集中載荷，通過(guò)位移傳感器測(cè)量試樣的撓度，記錄試樣斷裂時(shí)的最大載荷。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算出鋼材的抗彎強(qiáng)度為[X]MPa，這一結(jié)果對(duì)于評(píng)估模型在地震作用下承受彎曲荷載的能力具有重要意義。沖擊試驗(yàn)則使用[沖擊試驗(yàn)機(jī)品牌及型號(hào)]，采用夏比沖擊試驗(yàn)方法，將帶有規(guī)定缺口的試樣放置在沖擊試驗(yàn)機(jī)的支座上，利用擺錘的沖擊能量使試樣斷裂。沖擊試驗(yàn)機(jī)自動(dòng)記錄擺錘沖擊前后的能量差，即試樣吸收的沖擊功。通過(guò)測(cè)量試樣缺口處的橫截面積，計(jì)算出沖擊韌性值為[X]J/cm2，反映了材料在沖擊荷載作用下吸收能量的能力，表明該鋼材在承受沖擊作用時(shí)具有一定的韌性，能夠較好地模擬原型鋼材在地震等動(dòng)態(tài)荷載作用下的性能。將測(cè)試得到的材料力學(xué)性能與設(shè)計(jì)要求進(jìn)行詳細(xì)對(duì)比分析。在屈服強(qiáng)度方面，所選鋼材的屈服強(qiáng)度與原型Q345和Q460鋼材的設(shè)計(jì)要求相近，能夠保證模型在受力時(shí)的彈性階段和屈服階段的力學(xué)行為與原型相似。抗拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度也滿足設(shè)計(jì)要求，確保模型在承受拉力和壓力時(shí)不會(huì)過(guò)早發(fā)生破壞。彎曲強(qiáng)度和沖擊韌性的測(cè)試結(jié)果同樣表明，所選鋼材的性能能夠滿足模型試驗(yàn)對(duì)材料在彎曲和沖擊荷載作用下的性能要求，能夠準(zhǔn)確模擬原型鋼結(jié)構(gòu)在地震作用下可能承受的各種荷載工況。通過(guò)對(duì)模型材料的選擇和全面性能測(cè)試，以及與設(shè)計(jì)要求的對(duì)比分析，確保了所選材料能夠滿足北京大興國(guó)際機(jī)場(chǎng)航站樓鋼結(jié)構(gòu)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)的要求，為試驗(yàn)的順利進(jìn)行和試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性提供了可靠的材料保障。4.3模型制作過(guò)程與質(zhì)量控制在確定了模型設(shè)計(jì)方案和材料選擇后，便進(jìn)入到模型制作環(huán)節(jié)，這一過(guò)程需要嚴(yán)格遵循設(shè)計(jì)要求和工藝流程，確保模型的質(zhì)量和精度。模型制作首先從構(gòu)件加工開(kāi)始，根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，利用高精度的數(shù)控加工設(shè)備對(duì)鋼材進(jìn)行切割、鉆孔、焊接等加工操作。對(duì)于復(fù)雜的構(gòu)件，如屋蓋結(jié)構(gòu)中的拱棒和桁架，采用先進(jìn)的三維建模技術(shù)進(jìn)行模擬加工，確保構(gòu)件的形狀和尺寸準(zhǔn)確無(wú)誤。在切割過(guò)程中，使用激光切割機(jī)，能夠精確控制切割尺寸，誤差控制在±[X]mm以內(nèi)，保證構(gòu)件的邊緣整齊，為后續(xù)的焊接和組裝提供良好的基礎(chǔ)。在鉆孔時(shí)，采用數(shù)控鉆床，根據(jù)設(shè)計(jì)要求準(zhǔn)確確定孔的位置和直徑，孔位偏差控制在±[X]mm以內(nèi)，確保構(gòu)件之間的連接精度。焊接是模型制作中的關(guān)鍵工藝，直接影響模型的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和穩(wěn)定性。選用[焊接設(shè)備品牌及型號(hào)]焊接設(shè)備，采用手工電弧焊和氣體保護(hù)焊相結(jié)合的方法。對(duì)于重要的連接部位，如鋼管混凝土柱與鋼梁的連接節(jié)點(diǎn)，采用氣體保護(hù)焊，以保證焊接質(zhì)量和焊縫的強(qiáng)度。在焊接過(guò)程中，嚴(yán)格控制焊接電流、電壓和焊接速度等參數(shù)，確保焊縫均勻、飽滿，無(wú)氣孔、夾渣等缺陷。對(duì)于手工電弧焊，要求焊工具備豐富的經(jīng)驗(yàn)和熟練的操作技能，在焊接前對(duì)焊條進(jìn)行烘干處理，避免因焊條受潮而影響焊接質(zhì)量。在焊接完成后，對(duì)焊縫進(jìn)行外觀檢查，確保焊縫表面光滑、無(wú)裂紋，焊縫寬度和高度符合設(shè)計(jì)要求。對(duì)于重要的焊縫，采用超聲波探傷儀進(jìn)行內(nèi)部缺陷檢測(cè)，檢測(cè)比例不低于[X]%，確保焊縫內(nèi)部質(zhì)量符合要求。在完成構(gòu)件加工和焊接后，進(jìn)行模型的組裝。按照從下至上、先主體后附屬的順序進(jìn)行組裝，首先將立柱安裝在振動(dòng)臺(tái)的基礎(chǔ)上，利用水準(zhǔn)儀和經(jīng)緯儀進(jìn)行精確調(diào)平，確保立柱的垂直度偏差不超過(guò)±[X]mm。在安裝過(guò)程中，使用高精度的測(cè)量?jī)x器對(duì)立柱的位置和垂直度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，通過(guò)調(diào)整墊鐵的厚度和位置，使立柱達(dá)到設(shè)計(jì)要求的垂直度和水平度。然后依次安裝屋蓋結(jié)構(gòu)和幕墻結(jié)構(gòu)，在安裝過(guò)程中，對(duì)各構(gòu)件之間的連接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行嚴(yán)格檢查，確保連接牢固、可靠。對(duì)于屋蓋結(jié)構(gòu)，采用多點(diǎn)同步吊裝的方法，利用吊車將拱棒和桁架逐一組裝到位，在吊裝過(guò)程中，通過(guò)繩索和導(dǎo)向裝置控制構(gòu)件的位置和姿態(tài)，確保安裝精度。在幕墻結(jié)構(gòu)安裝時(shí)，注意玻璃與鋼梁之間的密封和連接，采用密封膠進(jìn)行密封處理，確保幕墻的防水、防風(fēng)性能。為了確保模型的質(zhì)量符合試驗(yàn)要求，采取了一系列嚴(yán)格的質(zhì)量控制措施。在材料進(jìn)場(chǎng)時(shí)，對(duì)每批次的鋼材進(jìn)行嚴(yán)格的檢驗(yàn)，檢查其質(zhì)量證明文件、規(guī)格尺寸和外觀質(zhì)量。對(duì)鋼材的化學(xué)成分和力學(xué)性能進(jìn)行抽樣檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果必須符合設(shè)計(jì)要求和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。在構(gòu)件加工過(guò)程中，建立嚴(yán)格的質(zhì)量檢驗(yàn)制度，對(duì)每個(gè)加工工序進(jìn)行檢驗(yàn)，只有檢驗(yàn)合格的構(gòu)件才能進(jìn)入下一道工序。在模型組裝過(guò)程中，對(duì)每個(gè)組裝節(jié)點(diǎn)進(jìn)行檢查，確保節(jié)點(diǎn)連接符合設(shè)計(jì)要求。在模型制作完成后，對(duì)模型的整體尺寸、構(gòu)件位置和連接質(zhì)量進(jìn)行全面檢查，利用全站儀等高精度測(cè)量?jī)x器對(duì)模型的關(guān)鍵尺寸進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果與設(shè)計(jì)尺寸的偏差控制在允許范圍內(nèi)。對(duì)模型進(jìn)行預(yù)加載試驗(yàn)，模擬模型在試驗(yàn)過(guò)程中可能承受的荷載，檢查模型的變形情況和結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，確保模型在正式試驗(yàn)中能夠正常工作。通過(guò)嚴(yán)格控制模型制作過(guò)程中的各個(gè)環(huán)節(jié)，以及采取有效的質(zhì)量控制措施，保證了北京大興國(guó)際機(jī)場(chǎng)航站樓鋼結(jié)構(gòu)整體縮尺模型的質(zhì)量和精度，為振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)的順利進(jìn)行提供了可靠的保障。五、振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)方案與實(shí)施5.1試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)本次振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)旨在全面研究北京大興國(guó)際機(jī)場(chǎng)航站樓鋼結(jié)構(gòu)在地震作用下的力學(xué)性能和響應(yīng)特性，通過(guò)精心設(shè)計(jì)試驗(yàn)工況，模擬多種地震場(chǎng)景，以獲取豐富的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。5.1.1地震波選取依據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011-2010)，地震波的選取需綜合考慮頻譜特性、有效峰值和持續(xù)時(shí)間等關(guān)鍵要素。在頻譜特性方面，選擇的地震波所處場(chǎng)地的設(shè)計(jì)分組（震中距離、震級(jí)大小）和場(chǎng)地類別（場(chǎng)地條件）應(yīng)與北京大興國(guó)際機(jī)場(chǎng)所處場(chǎng)地相同，確保兩者的特征周期T_{g}值相近。通過(guò)對(duì)機(jī)場(chǎng)場(chǎng)地的地質(zhì)勘察和地震危險(xiǎn)性分析，確定該場(chǎng)地的特征周期T_{g}值，以此為依據(jù)從強(qiáng)震記錄數(shù)據(jù)庫(kù)中篩選出符合要求的地震波。在有效峰值方面，按照規(guī)范中不同地震影響和設(shè)防烈度對(duì)應(yīng)的加速度有效峰值取值要求，選取合適的地震波。對(duì)于北京大興國(guó)際機(jī)場(chǎng)所在地區(qū)，根據(jù)其設(shè)防烈度和設(shè)計(jì)地震分組，確定多遇地震和罕遇地震下的加速度有效峰值，然后挑選有效峰值與之匹配的地震波。持續(xù)時(shí)間方面，一般取結(jié)構(gòu)基本周期的5-10倍，以保證能夠充分激發(fā)結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)。經(jīng)過(guò)嚴(yán)格篩選，最終確定選用三條實(shí)際強(qiáng)震記錄和一條人工模擬地震波作為試驗(yàn)輸入。三條實(shí)際強(qiáng)震記錄分別為[地震波名稱1]、[地震波名稱2]、[地震波名稱3]，它們分別代表了不同震級(jí)、震中距和場(chǎng)地條件下的地震動(dòng)特性。[地震波名稱1]是某次中等震級(jí)、近震中距的地震記錄，其頻譜特性中高頻成分較為豐富，能夠較好地反映近場(chǎng)地震對(duì)結(jié)構(gòu)的影響；[地震波名稱2]來(lái)自一次大震級(jí)、遠(yuǎn)震中距的地震，頻譜特性以低頻成分為主，可用于研究遠(yuǎn)場(chǎng)地震作用下結(jié)構(gòu)的響應(yīng)；[地震波名稱3]則是在與機(jī)場(chǎng)場(chǎng)地類別相似的區(qū)域記錄到的地震波，具有典型的場(chǎng)地特征，能有效模擬機(jī)場(chǎng)場(chǎng)地條件下的地震作用。人工模擬地震波是根據(jù)機(jī)場(chǎng)場(chǎng)地的地震危險(xiǎn)性分析結(jié)果，采用專門(mén)的地震波生成軟件生成，其頻譜特性、有效峰值和持續(xù)時(shí)間等參數(shù)均與機(jī)場(chǎng)場(chǎng)地的設(shè)計(jì)要求精確匹配，能夠補(bǔ)充實(shí)際強(qiáng)震記錄的不足，更全面地研究結(jié)構(gòu)在不同地震工況下的性能。5.1.2加載方向考慮到地震作用的復(fù)雜性和不確定性，試驗(yàn)中設(shè)置了多個(gè)加載方向，以模擬結(jié)構(gòu)在實(shí)際地震中的受力情況。加載方向主要包括X向、Y向和Z向。X向和Y向分別代表航站樓的兩個(gè)水平主方向，通過(guò)單獨(dú)在X向或Y向加載，可以研究結(jié)構(gòu)在水平單向地震作用下的響應(yīng)特性，分析結(jié)構(gòu)在不同水平方向上的受力性能和變形規(guī)律。在X向加載時(shí)，重點(diǎn)觀察結(jié)構(gòu)在該方向上的水平位移、層間位移、構(gòu)件內(nèi)力等響應(yīng)；在Y向加載時(shí)，同樣關(guān)注相應(yīng)的響應(yīng)指標(biāo)，對(duì)比X向和Y向加載的結(jié)果，了解結(jié)構(gòu)在不同水平方向上的抗震性能差異。進(jìn)行X-Y雙向加載和X-Y-Z三向加載。X-Y雙向加載能夠模擬地震作用在水平平面內(nèi)的雙向分量，研究結(jié)構(gòu)在水平雙向地震作用下的耦合響應(yīng)，分析結(jié)構(gòu)在復(fù)雜水平受力狀態(tài)下的破壞機(jī)制和抗震性能。在X-Y雙向加載試驗(yàn)中，根據(jù)實(shí)際地震中兩個(gè)水平方向地震波的相位差和幅值比例，合理設(shè)置加載參數(shù)，使模型同時(shí)受到X向和Y向的地震作用。X-Y-Z三向加載則進(jìn)一步考慮了豎向地震作用的影響，能夠更真實(shí)地模擬結(jié)構(gòu)在實(shí)際地震中的三向受力狀態(tài)。由于豎向地震作用在某些情況下對(duì)大跨度鋼結(jié)構(gòu)的影響不容忽視，通過(guò)三向加載試驗(yàn)，可以研究豎向地震作用與水平地震作用的耦合效應(yīng)，分析結(jié)構(gòu)在三向地震作用下的整體穩(wěn)定性、構(gòu)件受力情況以及破壞模式。在三向加載試驗(yàn)中，根據(jù)規(guī)范要求和實(shí)際地震記錄中豎向地震加速度與水平地震加速度的比例關(guān)系，合理確定X向、Y向和Z向的加載幅值，使模型受到符合實(shí)際情況的三向地震作用。5.1.3加載幅值加載幅值的確定根據(jù)不同的地震水準(zhǔn)進(jìn)行分級(jí)，主要包括多遇地震、設(shè)防地震和罕遇地震。根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》，多遇地震下的加速度峰值為[X1]g，設(shè)防地震下為[X2]g，罕遇地震下為[X3]g。在試驗(yàn)中，按照這些標(biāo)準(zhǔn)值對(duì)振動(dòng)臺(tái)的加速度輸出進(jìn)行設(shè)置，依次施加不同幅值的地震波，以研究結(jié)構(gòu)在不同地震強(qiáng)度下的響應(yīng)。從多遇地震工況開(kāi)始加載，此工況下結(jié)構(gòu)處于彈性階段，主要目的是獲取結(jié)構(gòu)在小震作用下的動(dòng)力特性，如固有頻率、振型等。通過(guò)對(duì)多遇地震工況下試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，可以了解結(jié)構(gòu)在正常使用狀態(tài)下對(duì)小震的響應(yīng)情況，為后續(xù)分析提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。然后進(jìn)行設(shè)防地震工況加載，此工況下結(jié)構(gòu)可能進(jìn)入彈塑性階段，研究結(jié)構(gòu)在設(shè)防地震作用下的彈塑性變形、構(gòu)件內(nèi)力分布以及耗能特性，評(píng)估結(jié)構(gòu)是否滿足設(shè)計(jì)要求，判斷結(jié)構(gòu)在設(shè)防地震下的安全性和可靠性。最后進(jìn)行罕遇地震工況加載，此工況下結(jié)構(gòu)將經(jīng)歷較大的彈塑性變形，甚至可能發(fā)生局部破壞，通過(guò)觀察結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的破壞模式和極限承載能力，分析結(jié)構(gòu)的薄弱部位和潛在風(fēng)險(xiǎn)，為結(jié)構(gòu)的抗震加固和優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。在加載過(guò)程中，采用逐級(jí)加載的方式，每級(jí)加載后記錄結(jié)構(gòu)的響應(yīng)數(shù)據(jù)，觀察結(jié)構(gòu)的變形和損傷情況。在每級(jí)加載前，對(duì)模型和試驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行檢查，確保試驗(yàn)的準(zhǔn)確性和安全性。對(duì)于每一個(gè)加載工況，都重復(fù)進(jìn)行多次加載，以驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果的重復(fù)性和可靠性。在不同加載幅值的試驗(yàn)之間，適當(dāng)安排一定的間歇時(shí)間，使結(jié)構(gòu)恢復(fù)到初始狀態(tài)，避免前一次加載對(duì)后續(xù)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響。通過(guò)合理選取地震波、設(shè)置加載方向和確定加載幅值，本試驗(yàn)方案能夠全面、系統(tǒng)地研究北京大興國(guó)際機(jī)場(chǎng)航站樓鋼結(jié)構(gòu)在不同地震工況下的力學(xué)性能和響應(yīng)特性，為深入了解結(jié)構(gòu)的抗震性能提供豐富、可靠的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。5.2試驗(yàn)前準(zhǔn)備工作在正式開(kāi)展振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)之前，進(jìn)行了一系列全面且細(xì)致的準(zhǔn)備工作，以確保試驗(yàn)的順利進(jìn)行和數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。首先，對(duì)振動(dòng)臺(tái)設(shè)備進(jìn)行了安裝調(diào)試。根據(jù)振動(dòng)臺(tái)的使用說(shuō)明書(shū)和相關(guān)技術(shù)規(guī)范，將振動(dòng)臺(tái)平穩(wěn)地安裝在試驗(yàn)場(chǎng)地的基礎(chǔ)上，確保其水平度和垂直度符合要求。使用高精度的水準(zhǔn)儀和經(jīng)緯儀對(duì)振動(dòng)臺(tái)的臺(tái)面進(jìn)行測(cè)量和調(diào)整，使臺(tái)面的水平度誤差控制在±[X]mm以內(nèi)，垂直度誤差控制在±[X]mm以內(nèi)。在安裝過(guò)程中，仔細(xì)檢查振動(dòng)臺(tái)的各個(gè)部件，包括電機(jī)、減速器、偏心輪、作動(dòng)器等，確保其連接牢固，無(wú)松動(dòng)現(xiàn)象。對(duì)振動(dòng)臺(tái)的控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，檢查控制軟件的各項(xiàng)功能是否正常，如頻率設(shè)置、幅值調(diào)整、波形選擇等，確保能夠精確控制振動(dòng)臺(tái)的振動(dòng)參數(shù)。通過(guò)空載試運(yùn)行，觀察振動(dòng)臺(tái)的運(yùn)行狀態(tài)，檢查是否存在異常噪聲、振動(dòng)不穩(wěn)定等問(wèn)題，如有問(wèn)題及時(shí)進(jìn)行排查和修復(fù)。其次，進(jìn)行了傳感器的布置與檢查。根據(jù)試驗(yàn)方案，在模型的關(guān)鍵部位合理布置加速度傳感器、位移傳感器和應(yīng)變片等傳感器。加速度傳感器布置在柱頂、梁端、屋蓋等位置，以監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)在地震作用下的加速度響應(yīng)；位移傳感器布置在柱身、屋蓋邊緣和跨中等部位，用于測(cè)量結(jié)構(gòu)的位移；應(yīng)變片粘貼在鋼梁、鋼柱等構(gòu)件的表面，以測(cè)量構(gòu)件的應(yīng)變。在布置傳感器時(shí)，嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求確定傳感器的位置和方向，確保其能夠準(zhǔn)確測(cè)量所需的物理量。使用萬(wàn)用表等工具對(duì)傳感器進(jìn)行檢查，測(cè)量傳感器的電阻值、靈敏度等參數(shù)，確保傳感器性能正常，無(wú)損壞現(xiàn)象。對(duì)傳感器與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)之間的連接線路進(jìn)行檢查，確保線路連接牢固，無(wú)斷路、短路等問(wèn)題。對(duì)模型進(jìn)行了預(yù)加載。預(yù)加載的目的是檢查模型的安裝質(zhì)量和結(jié)構(gòu)的整體性能，消除模型在制作和安裝過(guò)程中產(chǎn)生的非彈性變形，同時(shí)也可以使模型與振動(dòng)臺(tái)之間的連接更加緊密，確保試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。預(yù)加載采用分級(jí)加載的方式，加載幅值逐漸增加，每級(jí)加載后保持一定的時(shí)間，觀察模型的變形情況和結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。在預(yù)加載過(guò)程中，使用全站儀等測(cè)量?jī)x器對(duì)模型的關(guān)鍵部位進(jìn)行測(cè)量，記錄模型的變形數(shù)據(jù)。當(dāng)加載幅值達(dá)到預(yù)定的預(yù)加載值后，保持一段時(shí)間，然后緩慢卸載。卸載后再次對(duì)模型進(jìn)行測(cè)量，檢查模型是否恢復(fù)到初始狀態(tài)，如有殘余變形，分析其原因并進(jìn)行處理。通過(guò)以上試驗(yàn)前準(zhǔn)備工作，確保了振動(dòng)臺(tái)設(shè)備的正常運(yùn)行、傳感器的準(zhǔn)確測(cè)量以及模型的良好狀態(tài)，為北京大興國(guó)際機(jī)場(chǎng)航站樓鋼結(jié)構(gòu)整體振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)的順利進(jìn)行奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。5.3試驗(yàn)過(guò)程與數(shù)據(jù)采集在完成試驗(yàn)前的各項(xiàng)準(zhǔn)備工作后，嚴(yán)格按照既定試驗(yàn)方案有序開(kāi)展振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)。將制作完成并經(jīng)過(guò)檢查的北京大興國(guó)際機(jī)場(chǎng)航站樓鋼結(jié)構(gòu)縮尺模型牢固地安裝在振動(dòng)臺(tái)上，確保模型與振動(dòng)臺(tái)之間的連接緊密且可靠，避免在試驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)松動(dòng)或位移現(xiàn)象，影響試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。啟動(dòng)振動(dòng)臺(tái)，按照預(yù)先設(shè)定的加載工況，依次輸入不同的地震波。在輸入地震波時(shí)，通過(guò)振動(dòng)臺(tái)控制系統(tǒng)精確調(diào)整地震波的幅值、頻率和持續(xù)時(shí)間等參數(shù)，使其符合試驗(yàn)方案的要求。在多遇地震工況下，首先輸入[地震波名稱1]，將加速度峰值設(shè)置為[X1]g，頻率范圍根據(jù)該地震波的頻譜特性進(jìn)行調(diào)整，持續(xù)時(shí)間按照結(jié)構(gòu)基本周期的5-10倍進(jìn)行設(shè)置。在振動(dòng)臺(tái)運(yùn)行過(guò)程中，密切關(guān)注振動(dòng)臺(tái)的工作狀態(tài)，檢查電機(jī)、作動(dòng)器等部件是否正常運(yùn)行，觀察振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面的振動(dòng)是否平穩(wěn)，有無(wú)異常噪聲或振動(dòng)突變現(xiàn)象。在試驗(yàn)過(guò)程中，利用布置在模型上的加速度傳感器、位移傳感器和應(yīng)變片等傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)模型的響應(yīng)。加速度傳感器將模型在地震作用下產(chǎn)生的加速度信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，通過(guò)電纜傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集系統(tǒng)；位移傳感器測(cè)量模型各部位的位移變化，并將位移信號(hào)傳輸給數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；應(yīng)變片粘貼在構(gòu)件表面，隨著構(gòu)件的變形而發(fā)生電阻變化，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過(guò)測(cè)量應(yīng)變片的電阻變化來(lái)獲取構(gòu)件的應(yīng)變數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以設(shè)定的采樣頻率對(duì)傳感器輸出的信號(hào)進(jìn)行高速采集，確保能夠準(zhǔn)確捕捉模型在地震作用下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。除了傳感器采集的數(shù)據(jù)外，還使用高速攝像機(jī)對(duì)模型的振動(dòng)過(guò)程進(jìn)行全程拍攝。高速攝像機(jī)設(shè)置在多個(gè)不同的角度，能夠全面記錄模型在地震作用下的整體變形情況、構(gòu)件的相對(duì)位移以及可能出現(xiàn)的局部破壞現(xiàn)象。在拍攝過(guò)程中，調(diào)整攝像機(jī)的焦距和拍攝角度，確保能夠清晰捕捉到模型的關(guān)鍵部位和重要變形特征。利用燈光設(shè)備對(duì)試驗(yàn)區(qū)域進(jìn)行照明，保證拍攝畫(huà)面的清晰度和對(duì)比度。在每一次加載完成后，暫停振動(dòng)臺(tái)運(yùn)行，對(duì)模型進(jìn)行檢查。觀察模型是否出現(xiàn)明顯的損壞或變形，檢查構(gòu)件之間的連接節(jié)點(diǎn)是否松動(dòng)，記錄模型的損壞部位和損壞程度。使用測(cè)量?jī)x器對(duì)模型的關(guān)鍵尺寸和變形情況進(jìn)行測(cè)量，與加載前的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，分析模型在地震作用下的變形規(guī)律。在檢查過(guò)程中，如發(fā)現(xiàn)模型存在損壞或異常情況，及時(shí)進(jìn)行拍照和記錄，并對(duì)損壞原因進(jìn)行初步分析。在完成一個(gè)加載工況的所有試驗(yàn)后，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行初步整理和分析。檢查數(shù)據(jù)的完整性和準(zhǔn)確性，剔除異常數(shù)據(jù)。利用數(shù)據(jù)分析軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，繪制加速度時(shí)程曲線、位移時(shí)程曲線、應(yīng)變時(shí)程曲線等，直觀展示模型在不同地震波作用下的響應(yīng)特性。通過(guò)對(duì)這些曲線的分析，初步了解結(jié)構(gòu)在不同地震工況下的動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律，為后續(xù)的深入分析提供基礎(chǔ)。整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，嚴(yán)格遵守試驗(yàn)操作規(guī)程和安全規(guī)范，確保試驗(yàn)人員和設(shè)備的安全。安排專人負(fù)責(zé)試驗(yàn)過(guò)程的監(jiān)控和記錄，保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性和可追溯性。通過(guò)全面、細(xì)致的試驗(yàn)過(guò)程和準(zhǔn)確、高效的數(shù)據(jù)采集，為深入研究北京大興國(guó)際機(jī)場(chǎng)航站樓鋼結(jié)構(gòu)的抗震性能提供了豐富、可靠的數(shù)據(jù)支持。六、試驗(yàn)結(jié)果分析與討論6.1試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法在本次北京大興國(guó)際機(jī)場(chǎng)航站樓鋼結(jié)構(gòu)整體振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)中，獲得了大量的原始試驗(yàn)數(shù)據(jù)，包括加速度、位移和應(yīng)變等響應(yīng)數(shù)據(jù)。為了準(zhǔn)確提取這些數(shù)據(jù)中的關(guān)鍵信息，以便深入分析結(jié)構(gòu)在地震作用下的性能，采用了一系列科學(xué)合理的數(shù)據(jù)處理方法。對(duì)于加速度數(shù)據(jù)，首先進(jìn)行了濾波處理。由于試驗(yàn)環(huán)境中不可避免地存在各種噪聲干擾，這些噪聲可能會(huì)對(duì)加速度數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性產(chǎn)生影響，導(dǎo)致數(shù)據(jù)波動(dòng)較大，掩蓋了結(jié)構(gòu)真實(shí)的加速度響應(yīng)。采用低通濾波器對(duì)加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，其原理是允許低于某一頻率的信號(hào)通過(guò)，而衰減高于該頻率的信號(hào)，從而有效去除高頻噪聲，使加速度數(shù)據(jù)更加平滑，更能反映結(jié)構(gòu)的真實(shí)振動(dòng)情況。在選擇低通濾波器的截止頻率時(shí)，根據(jù)結(jié)構(gòu)的自振頻率和地震波的主要頻率成分進(jìn)行確定。通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，得到結(jié)構(gòu)的自振頻率范圍，同時(shí)分析輸入地震波的頻譜特性，確定主要頻率成分。選擇的截止頻率應(yīng)大于結(jié)構(gòu)的主要自振頻率，同時(shí)小于噪聲的主要頻率，這樣既能保留結(jié)構(gòu)的有效振動(dòng)信息，又能去除噪聲干擾。例如，經(jīng)過(guò)分析確定結(jié)構(gòu)的主要自振頻率在1-5Hz之間，而噪聲的主要頻率在10Hz以上，因此選擇截止頻率為8Hz的低通濾波器對(duì)加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理。位移數(shù)據(jù)處理時(shí)，除了濾波外，還進(jìn)行了積分運(yùn)算。試驗(yàn)中使用的位移傳感器測(cè)量的是相對(duì)位移，而在分析結(jié)構(gòu)的整體變形時(shí)，需要得到絕對(duì)位移。通過(guò)對(duì)加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行兩次積分，可以得到結(jié)構(gòu)的絕對(duì)位移。在積分過(guò)程中，考慮到積分運(yùn)算會(huì)放大噪聲，因此在積分前先對(duì)加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，以減少噪聲對(duì)積分結(jié)果的影響。采用數(shù)值積分方法，如辛普森積分法，對(duì)濾波后的加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行積分。辛普森積分法是一種基于二次插值的數(shù)值積分方法，具有較高的精度。在積分過(guò)程中，根據(jù)加速度數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔和采樣點(diǎn)，合理設(shè)置積分步長(zhǎng)，以確保積分結(jié)果的準(zhǔn)確性。在進(jìn)行第一次積分得到速度數(shù)據(jù)后，對(duì)速度數(shù)據(jù)再次進(jìn)行濾波處理，去除積分過(guò)程中產(chǎn)生的高頻噪聲，然后進(jìn)行第二次積分得到絕對(duì)位移數(shù)據(jù)。應(yīng)變數(shù)據(jù)處理時(shí)，同樣先進(jìn)行濾波處理，去除測(cè)量過(guò)程中的噪聲干擾。由于應(yīng)變片測(cè)量的應(yīng)變值較小，容易受到噪聲的影響，因此濾波處理尤為重要。根據(jù)應(yīng)變片的特性和測(cè)量環(huán)境，選擇合適的濾波器參數(shù)，對(duì)應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，使應(yīng)變數(shù)據(jù)更加穩(wěn)定可靠。在得到濾波后的應(yīng)變數(shù)據(jù)后，根據(jù)胡克定律，將應(yīng)變數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為應(yīng)力數(shù)據(jù)。對(duì)于鋼材，其應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系滿足胡克定律\sigma=E\varepsilon，其中\(zhòng)sigma為應(yīng)力，E為鋼材的彈性模量，\varepsilon為應(yīng)變。通過(guò)已知的鋼材彈性模量和測(cè)量得到的應(yīng)變值，計(jì)算出構(gòu)件的應(yīng)力分布情況。在計(jì)算過(guò)程中，考慮到鋼材在受力過(guò)程中可能進(jìn)入彈塑性階段，彈性模量會(huì)發(fā)生變化，因此根據(jù)試驗(yàn)過(guò)程中結(jié)構(gòu)的變形情況和鋼材的力學(xué)性能，合理確定彈性模量的取值，以確保應(yīng)力計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。這些數(shù)據(jù)處理方法對(duì)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性和可靠性有著重要影響。濾波處理有效地去除了噪聲干擾，使數(shù)據(jù)更加真實(shí)地反映結(jié)構(gòu)的響應(yīng)情況。如果不進(jìn)行濾波處理，噪聲會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)波動(dòng)較大，可能會(huì)誤判結(jié)構(gòu)的響應(yīng)特征，影響對(duì)結(jié)構(gòu)性能的準(zhǔn)確評(píng)估。積分運(yùn)算在位移數(shù)據(jù)處理中起著關(guān)鍵作用，通過(guò)積分得到的絕對(duì)位移數(shù)據(jù)能夠更直觀地展示結(jié)構(gòu)的整體變形情況，為分析結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和破壞機(jī)制提供重要依據(jù)。應(yīng)變數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為應(yīng)力數(shù)據(jù)，使我們能夠深入了解構(gòu)件的受力狀態(tài)，判斷構(gòu)件是否進(jìn)入屈服階段，從而評(píng)估結(jié)構(gòu)的承載能力。如果數(shù)據(jù)處理方法不當(dāng)，如濾波參數(shù)選擇不合理、積分步長(zhǎng)設(shè)置不準(zhǔn)確等，都會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)處理結(jié)果出現(xiàn)偏差，進(jìn)而影響對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的分析和結(jié)論的可靠性。通過(guò)科學(xué)合理的數(shù)據(jù)處理方法，對(duì)北京大興國(guó)際機(jī)場(chǎng)航站樓鋼結(jié)構(gòu)整體振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，提高了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性，為后續(xù)深入分析結(jié)構(gòu)在地震作用下的性能提供了堅(jiān)實(shí)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。6.2結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性分析通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的深入分析，運(yùn)用專業(yè)的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析方法，計(jì)算得到了北京大興國(guó)際機(jī)場(chǎng)航站樓鋼結(jié)構(gòu)縮尺模型的固有頻率、振型和阻尼比等關(guān)鍵動(dòng)力特性參數(shù)，這些參數(shù)對(duì)于理解結(jié)構(gòu)在地震作用下的力學(xué)行為具有重要意義。固有頻率是結(jié)構(gòu)的重要?jiǎng)恿μ匦灾?，它反映了結(jié)構(gòu)自由振動(dòng)的特性。采用峰值拾取法對(duì)加速度時(shí)程數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計(jì)算得到模型前幾階的固有頻率。峰值拾取法的原理是基于結(jié)構(gòu)在自由振動(dòng)時(shí)，加速度響應(yīng)的峰值對(duì)應(yīng)著結(jié)構(gòu)的固有頻率。通過(guò)對(duì)試驗(yàn)采集到的加速度時(shí)程曲線進(jìn)行分析，找出曲線中的峰值點(diǎn)，利用相關(guān)公式計(jì)算出對(duì)應(yīng)的頻率值。計(jì)算結(jié)果表明，模型的一階固有頻率為[X1]Hz，二階固有頻率為[X2]Hz，三階固有頻率為[X3]Hz。固有頻率的大小與結(jié)構(gòu)的剛度和質(zhì)量密切相關(guān)，剛度越大，固有頻率越高；質(zhì)量越大，固有頻率越低。對(duì)于北京大興國(guó)際機(jī)場(chǎng)航站樓鋼結(jié)構(gòu)，其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)形式和較大的剛度使得結(jié)構(gòu)的固有頻率相對(duì)較高。與其他類似大跨度鋼結(jié)構(gòu)建筑相比，該航站樓鋼結(jié)構(gòu)的固有頻率處于合理范圍，但由于其結(jié)構(gòu)形式的復(fù)雜性和獨(dú)特性，在某些頻率范圍內(nèi)可能會(huì)出現(xiàn)與常規(guī)結(jié)構(gòu)不同的振動(dòng)特性。例如，在高階固有頻率下，由于結(jié)構(gòu)各部分之間的相互作用和耦合效應(yīng)，可能會(huì)出現(xiàn)復(fù)雜的振動(dòng)模態(tài)，需要進(jìn)一步深入分析。振型是結(jié)構(gòu)在振動(dòng)時(shí)的變形形態(tài)，它描述了結(jié)構(gòu)各部分在振動(dòng)過(guò)程中的相對(duì)位移關(guān)系。通過(guò)模態(tài)分析方法，利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算得到模型的前幾階振型。模態(tài)分析是一種基于線性振動(dòng)理論的分析方法，它將結(jié)構(gòu)的振動(dòng)分解為一系列模態(tài)的疊加，每個(gè)模態(tài)對(duì)應(yīng)著一個(gè)固有頻率和一種振型。在模態(tài)分析過(guò)程中，根據(jù)加速度響應(yīng)數(shù)據(jù)和結(jié)構(gòu)的質(zhì)量矩陣、剛度矩陣，求解特征值問(wèn)題，得到結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型。從計(jì)算結(jié)果來(lái)看，模型的一階振型主要表現(xiàn)為整體的水平向平移振動(dòng)，這是由于水平地震作用是結(jié)構(gòu)在地震中最主要的受力方向之一，結(jié)構(gòu)在水平方向上的剛度相對(duì)較小，容易產(chǎn)生水平位移。二階振型呈現(xiàn)出屋蓋的豎向彎曲振動(dòng)，這與屋蓋結(jié)構(gòu)的大跨度和自身剛度特性有關(guān)，在地震作用下，屋蓋會(huì)產(chǎn)生豎向的變形，二階振型反映了這種變形特征。三階振型則表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，這是由于結(jié)構(gòu)在平面上并非完全對(duì)稱，在地震作用下會(huì)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，三階振型體現(xiàn)了結(jié)構(gòu)在扭轉(zhuǎn)方向上的振動(dòng)形態(tài)。振型對(duì)于結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)具有重要影響，不同的振型在地震作用下的響應(yīng)不同，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮多種振型的組合作用，以確保結(jié)構(gòu)在地震中的安全性。在實(shí)際工程中，通過(guò)合理設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的布置和加強(qiáng)薄弱部位的剛度，可以調(diào)整結(jié)構(gòu)的振型，使其在地震作用下的響應(yīng)更加合理。阻尼比是衡量結(jié)構(gòu)振動(dòng)能量耗散能力的重要參數(shù)，它反映了結(jié)構(gòu)在振動(dòng)過(guò)程中由于各種因素（如材料內(nèi)摩擦、構(gòu)件間的相互作用等）導(dǎo)致的能量損失程度。采用半功率帶寬法計(jì)算模型的阻尼比。半功率帶寬法的原理是基于結(jié)構(gòu)在共振時(shí)的能量耗散特性，通過(guò)測(cè)量共振峰兩側(cè)功率下降到一半時(shí)的頻率帶寬，來(lái)計(jì)算阻尼比。在試驗(yàn)中，通過(guò)對(duì)加速度響應(yīng)的頻譜分析，找到共振峰的位置，然后確定半功率點(diǎn)的頻率，根據(jù)相關(guān)公式計(jì)算出阻尼比。計(jì)算得到模型的阻尼比為[X]，這表明結(jié)構(gòu)在振動(dòng)過(guò)程中具有一定的能量耗散能力。阻尼比的大小對(duì)結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)有顯著影響，較大的阻尼比可以有效地減小結(jié)構(gòu)在地震作用下的振動(dòng)幅值，降低結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)。在實(shí)際工程中，可以通過(guò)設(shè)置阻尼器等措施來(lái)增加結(jié)構(gòu)的阻尼比，提高結(jié)構(gòu)的抗震性能。與其他類似大跨度鋼結(jié)構(gòu)建筑相比，該航站樓鋼結(jié)構(gòu)的阻尼比處于正常范圍，但仍有進(jìn)一步優(yōu)化的空間。通過(guò)優(yōu)化結(jié)構(gòu)的連接方式、采用耗能材料等方法，可以提高結(jié)構(gòu)的阻尼比，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的抗震能力。結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性受到多種因素的影響。結(jié)構(gòu)的剛度是影響動(dòng)力特性的關(guān)鍵因素之一，剛度的大小決定了結(jié)構(gòu)抵抗變形的能力，進(jìn)而影響固有頻率和振型。對(duì)于北京大興國(guó)際機(jī)場(chǎng)航站樓鋼結(jié)構(gòu)，屋蓋結(jié)構(gòu)的大跨度和復(fù)雜的空間構(gòu)型使其剛度分布不均勻，在不同方向和部位的剛度存在差異，這導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型表現(xiàn)出復(fù)雜性。在水平方向上，由于結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度和跨度較大，水平剛度相對(duì)較小，使得結(jié)構(gòu)在水平地震作用下的固有頻率較低，容易產(chǎn)生較大的水平位移和振動(dòng)。在豎向方向上，屋蓋結(jié)構(gòu)的剛度主要取決于拱殼結(jié)構(gòu)和立柱的承載能力，剛度分布的不均勻會(huì)導(dǎo)致豎向振型的多樣性。質(zhì)量分布同樣對(duì)動(dòng)力特性產(chǎn)生重要影響，質(zhì)量的大小和分布情況決定了結(jié)構(gòu)的慣性力，進(jìn)而影響結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)。在該航站樓鋼結(jié)構(gòu)中，屋蓋結(jié)構(gòu)的質(zhì)量較大，且分布在較大的空間范圍內(nèi)，這使得結(jié)構(gòu)在振動(dòng)時(shí)的慣性力較大，對(duì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)產(chǎn)生重要影響。例如，在地震作用下，屋蓋結(jié)構(gòu)的質(zhì)量會(huì)產(chǎn)生較大的慣性力，增加結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形，需要在設(shè)計(jì)中充分考慮。材料特性也會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性產(chǎn)生影響，不同的材料具有不同的彈性模量、屈服強(qiáng)度等力學(xué)性能，這些性能會(huì)影響結(jié)構(gòu)的剛度和阻尼比。在本試驗(yàn)中，模型采用的鋼材與實(shí)際結(jié)構(gòu)相近，但在實(shí)際工程中，由于材料的離散性和施工質(zhì)量等因素的影響，材料特性可能會(huì)存在一定的差異，這需要在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和分析中加以考慮。通過(guò)對(duì)北京大興國(guó)際機(jī)場(chǎng)航站樓鋼結(jié)構(gòu)縮尺模型的動(dòng)力特性分析，明確了結(jié)構(gòu)的固有頻率、振型和阻尼比等參數(shù)及其影響因素，為進(jìn)一步研究結(jié)構(gòu)在地震作用下的響應(yīng)和抗震性能評(píng)估提供了重要的理論基礎(chǔ)。6.3地震響應(yīng)分析在對(duì)北京大興國(guó)際機(jī)場(chǎng)航站樓鋼結(jié)構(gòu)縮尺模型進(jìn)行振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)的過(guò)程中，通過(guò)采集不同工況下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)結(jié)構(gòu)的位移、加速度和應(yīng)力響應(yīng)進(jìn)行了深入分析，以全面評(píng)估結(jié)構(gòu)的抗震性能，明確結(jié)構(gòu)的薄弱部位。在位移響應(yīng)方面，不同工況下結(jié)構(gòu)各部位的位移表現(xiàn)出明顯的差異。在多遇地震工況下，結(jié)構(gòu)主要處于彈性階段，位移響應(yīng)相對(duì)較小。以X向加載為例，柱頂?shù)淖畲笏轿灰茷閇X1]mm，屋蓋邊緣的最大水平位移為[X2]mm，豎向位移則相對(duì)更小。隨著地震強(qiáng)度的增加，進(jìn)入設(shè)防地震工況時(shí)，結(jié)構(gòu)開(kāi)始出現(xiàn)一定的彈塑性變形，位移響應(yīng)明顯增大。柱頂?shù)淖畲笏轿灰圃鲩L(zhǎng)至[X3]mm，屋蓋邊緣的最大水平位移達(dá)到[X4]mm，豎向位移也有所增加。在罕遇地震工況下，結(jié)構(gòu)的彈塑性變形進(jìn)一步加劇，位移響應(yīng)顯著增大。柱頂?shù)淖畲笏轿灰瓶蛇_(dá)[X5]mm，屋蓋邊緣的最大水平位移超過(guò)[X6]mm，部分構(gòu)件可能出現(xiàn)較大的