地震模擬振動(dòng)臺(tái)的發(fā)展及應(yīng)用

趙 晶

(四川省地震局，四川成都 610041)

1 地震模擬振動(dòng)臺(tái)的發(fā)展過(guò)程

最初的抗震試驗(yàn)研究主要在室外進(jìn)行，是將強(qiáng)震觀測(cè)儀器設(shè)置在地震區(qū)的房屋等結(jié)構(gòu)上，等地震到來(lái)時(shí)觀測(cè)記錄房屋結(jié)構(gòu)在強(qiáng)地震作用下的反應(yīng)。由于強(qiáng)地震稀少，靠在地震區(qū)建筑物上進(jìn)行強(qiáng)地震觀測(cè)來(lái)獲取地震反應(yīng)的數(shù)據(jù)機(jī)會(huì)非常少，且實(shí)驗(yàn)周期長(zhǎng)，滿足不了抗震研究的發(fā)展需要。最初想用計(jì)算分析方法來(lái)進(jìn)行抗震試驗(yàn)研究，但是結(jié)構(gòu)進(jìn)入非線性區(qū)后的數(shù)學(xué)模型難以給出。因而，提出了將房屋結(jié)構(gòu)放到實(shí)驗(yàn)室里來(lái)進(jìn)行抗震試驗(yàn)的構(gòu)想，由此地震模擬振動(dòng)臺(tái)在20世紀(jì)60年代末應(yīng)運(yùn)而生了。地震模擬振動(dòng)臺(tái)系統(tǒng)最早出現(xiàn)在日本，1966年?yáng)|京大學(xué)生產(chǎn)技術(shù)研究所建成了世界上第一臺(tái)正弦振動(dòng)臺(tái)［1］。目前，日本主要有日立和三菱兩大生產(chǎn)廠家生產(chǎn)振動(dòng)臺(tái)，此兩家都是國(guó)際上知名的機(jī)械、電子制造業(yè)的大公司，實(shí)力很強(qiáng)。20世紀(jì)70年代末開始了三向六自由度地震模擬振動(dòng)臺(tái)的研制，日立公司、三菱公司均已成功完成。美國(guó)制造振動(dòng)臺(tái)最主要的廠家為MTS公司。MTS公司自1968年生產(chǎn)出第一臺(tái)3.65 m×3.65 m單向地震模擬振動(dòng)臺(tái)后，這方面的發(fā)展很快，MTS公司現(xiàn)已成為世界上主要的振動(dòng)臺(tái)建造廠家之一［2］。此外，尚有美國(guó)的Wyle公司、日本的鷺宮制造所、德國(guó)的SCHENCK公司等均可承建地震模擬振動(dòng)臺(tái)。國(guó)內(nèi)生產(chǎn)振動(dòng)臺(tái)比較有名的廠家是天水紅山試驗(yàn)機(jī)廠，并已為國(guó)內(nèi)多家學(xué)校、科研單位承建了多臺(tái)地震模擬振動(dòng)臺(tái)［1-3］。地震模擬振動(dòng)臺(tái)的發(fā)展經(jīng)歷了一個(gè)長(zhǎng)期的過(guò)程，在其振動(dòng)波形、自由度數(shù)、控制方式等幾個(gè)關(guān)鍵性的技術(shù)指標(biāo)上都有逐漸進(jìn)步的發(fā)展過(guò)程。

1.1 振動(dòng)波形

地震模擬振動(dòng)臺(tái)早期多為機(jī)械式，進(jìn)行的多是正弦波形運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)，只有個(gè)別儀器可進(jìn)行固定格式的隨機(jī)波形運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)。發(fā)展至電磁式振動(dòng)臺(tái)時(shí)，運(yùn)動(dòng)波形可以根據(jù)需要隨意控制，且波形失真小，也有進(jìn)行大位移、大出力的試驗(yàn)設(shè)備。而電液伺服控制的振動(dòng)臺(tái)則具有低頻時(shí)出力大、位移大，臺(tái)體部分具有激震機(jī)構(gòu)體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便，易于形成多項(xiàng)控制等優(yōu)點(diǎn)，成為現(xiàn)在最為廣泛應(yīng)用的地震模擬振動(dòng)臺(tái)。

1.2 自由度數(shù)

1971年以前研制的振動(dòng)臺(tái)均為單自由度(單軸向)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)。1971年以后開始研制雙軸向運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)。1971年，MTS公司為美國(guó)加州伯克利分校建成了世界第一臺(tái)水平和垂直雙向的6.1 m×6.1 m地震模擬振動(dòng)臺(tái)［4-5］。1978年以后，開始研制三向六自由度運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)。1978年，日立公司為日本國(guó)有鐵道研究所研制了0.8 m ×0.5 m，載重0.2 t的三向六自由度地震模擬振動(dòng)臺(tái)［4］。

1.3 模控和數(shù)控方式

1972年以前的地震模擬振動(dòng)臺(tái)均為位移控制，1972年以后逐漸研制到了位移、速度和加速度三參量控制的反饋控制系統(tǒng)。1972年日立公司首先運(yùn)用三參量控制原理，其中加速度反饋可以提高系統(tǒng)阻尼，速度反饋可以提高油注共振頻率，運(yùn)用三參量反饋控制方法對(duì)提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性和系統(tǒng)的頻帶寬度有很大的促進(jìn)作用［5］。1975年以前的振動(dòng)臺(tái)采用的是頻域控制方式，其最大的缺點(diǎn)是不能再現(xiàn)時(shí)間歷程，1975年以后開始采用時(shí)間歷程控制方式，并應(yīng)用了自適應(yīng)控制技術(shù)［1，4］。

2 地震模擬振動(dòng)臺(tái)的發(fā)展趨勢(shì)

2.1 向大型發(fā)展

地震模擬振動(dòng)臺(tái)實(shí)驗(yàn)要求試驗(yàn)結(jié)構(gòu)滿足動(dòng)力相似條件，在實(shí)際試驗(yàn)中很難讓所有的模型參數(shù)都同時(shí)滿足相似性條件，在資金允許的情況下，應(yīng)盡量加大振動(dòng)臺(tái)的臺(tái)面尺寸和承載重量，以克服模型尺寸效應(yīng)影響。大型足尺寸試驗(yàn)是今后發(fā)展的趨勢(shì)。例如核反應(yīng)堆試驗(yàn)中，經(jīng)常需要進(jìn)行1:1的實(shí)物試驗(yàn)。日本2005年建成了臺(tái)面尺寸為15 m×20 m，載重1 200 t的地震模擬振動(dòng)臺(tái)，現(xiàn)為世界上臺(tái)面尺寸最大的地震模擬振動(dòng)臺(tái)［4-5］。

2.2 向臺(tái)陣發(fā)展

對(duì)于管道、多跨橋梁等細(xì)長(zhǎng)型結(jié)構(gòu)，通過(guò)增大地震模擬振動(dòng)臺(tái)的規(guī)模并不合適，而通過(guò)將多臺(tái)小型振動(dòng)臺(tái)組成臺(tái)陣，進(jìn)行大尺寸、多跨、多點(diǎn)地震波形運(yùn)動(dòng)輸入的結(jié)構(gòu)抗震試驗(yàn)更為合理有效。臺(tái)陣中的單個(gè)振動(dòng)臺(tái)還可以分開獨(dú)立進(jìn)行小型結(jié)構(gòu)試驗(yàn)［4-5］。日本最早建立了臺(tái)陣，建設(shè)省土木研究所于1979年建立了4臺(tái)3 m×2 m的單水平向地震模擬振動(dòng)臺(tái)組成的臺(tái)陣［5］。

2.3 向全數(shù)字控制技術(shù)方向發(fā)展

地震模擬振動(dòng)臺(tái)控制系統(tǒng)一般由數(shù)字控制和模擬控制兩部分進(jìn)行混合控制。模擬控制是控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)，主要保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性、精準(zhǔn)性，并且有運(yùn)動(dòng)頻帶寬、靈敏度高、抗干擾性強(qiáng)和線性好等特性。數(shù)字控制是模擬控制系統(tǒng)的補(bǔ)充和完善，主要體現(xiàn)在對(duì)控制信號(hào)的補(bǔ)償方面。隨著數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，20世紀(jì)90年代中期開發(fā)了全數(shù)字控制技術(shù)，全數(shù)字控制技術(shù)是在地震模擬振動(dòng)臺(tái)液壓伺服控制系統(tǒng)中，除了反饋傳感器在進(jìn)入閉環(huán)系統(tǒng)前采用模擬電路放大歸一信號(hào)和伺服閥的閥控制器采用模擬信號(hào)外，其他部分全采用數(shù)字軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。美國(guó)MTS公司已推出469D全數(shù)字控制器控制的振動(dòng)臺(tái)，這樣使試驗(yàn)過(guò)程變得簡(jiǎn)單，易于操作。全數(shù)字控制技術(shù)有利于提高控制自動(dòng)化程度及振動(dòng)臺(tái)控制精度，這些特性是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)［4-5］。

3 地震模擬振動(dòng)臺(tái)的應(yīng)用領(lǐng)域

地震模擬振動(dòng)臺(tái)可以很好地再現(xiàn)地震產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)過(guò)程和進(jìn)行人工地震波試驗(yàn)，它是在實(shí)驗(yàn)中研究結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)和破壞機(jī)理最直接的方法。這種設(shè)備還可以用于研究結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性、設(shè)備抗震性能以及檢驗(yàn)結(jié)構(gòu)的抗震性能等方面。另外，在原子能反應(yīng)堆、海洋結(jié)構(gòu)工程、水工結(jié)構(gòu)、橋梁等方面也都發(fā)揮了重要的作用，而且其應(yīng)用的領(lǐng)域仍在不斷擴(kuò)大。地震模擬振動(dòng)臺(tái)實(shí)驗(yàn)方法是目前抗震研究的重要手段之一，在地震模擬振動(dòng)臺(tái)上可以進(jìn)行如下各種試驗(yàn)和研究［4］:(1)各類建筑物模型的動(dòng)力特性試驗(yàn);(2)各類建筑物模型在地震作用下的破壞機(jī)理研究;(3)各類建筑物模型的抗震措施研究;(4)各種機(jī)電設(shè)備和設(shè)施的耐震性試驗(yàn)研究;(5)各類機(jī)電產(chǎn)品的振動(dòng)例行試驗(yàn);(6)家庭用具和人體在地震作用下的反應(yīng)研究。

地震虛擬仿真運(yùn)動(dòng)平臺(tái)是四川省地震局汶川地震災(zāi)后恢復(fù)重建項(xiàng)目中的一項(xiàng)，全稱為地震虛擬仿真運(yùn)動(dòng)平臺(tái)科普教育系統(tǒng)。地震虛擬仿真運(yùn)動(dòng)平臺(tái)采用計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)、數(shù)字仿真與信息可視化等先進(jìn)技術(shù)。通過(guò)模擬地震時(shí)人能感受到的六自由度運(yùn)動(dòng)，為體驗(yàn)者提供地震時(shí)振動(dòng)、抖動(dòng)、扭動(dòng)等運(yùn)動(dòng)感受，使體驗(yàn)者獲得模擬的近似真實(shí)地震環(huán)境中運(yùn)動(dòng)的感覺(jué)。地震虛擬仿真運(yùn)動(dòng)平臺(tái)也在地震模擬振動(dòng)臺(tái)實(shí)驗(yàn)方面有廣泛的應(yīng)用。地震虛擬仿真運(yùn)動(dòng)平臺(tái)系統(tǒng)由六大部分組成:動(dòng)感體驗(yàn)平臺(tái)、地震虛擬仿真影音分系統(tǒng)、地震虛擬仿真綜合應(yīng)用平臺(tái)、實(shí)時(shí)仿真分系統(tǒng)、控制分系統(tǒng)、輔助分系統(tǒng)。其核心部分的動(dòng)感體驗(yàn)平臺(tái)采用的是三向六自由度模擬地震振動(dòng)的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)。動(dòng)感體驗(yàn)平臺(tái)由兩部分組成，他們分別是電動(dòng)六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)平臺(tái)和體驗(yàn)平臺(tái)子系統(tǒng)。電動(dòng)六自由度并聯(lián)結(jié)構(gòu)平臺(tái)可以提供地震波帶來(lái)的典型地震震動(dòng)感覺(jué)，以及與場(chǎng)景變化相一致的姿態(tài)和加速度感覺(jué)。圖1為動(dòng)感體驗(yàn)平臺(tái)配置示意圖。體驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)為體驗(yàn)者提供震動(dòng)平臺(tái)、座椅、安全裝置等，是支撐觀眾體驗(yàn)的物理環(huán)境，由平臺(tái)結(jié)構(gòu)、座椅、平臺(tái)通道三部分組成。平臺(tái)外形尺寸為5 m×5 m，底部通過(guò)三個(gè)鉸鏈支座用螺栓與電動(dòng)六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)平臺(tái)相連接。平臺(tái)上安裝有30個(gè)安全座椅，四周安裝圍擋。圖2為體驗(yàn)平臺(tái)子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)景圖。地震虛擬仿真運(yùn)動(dòng)平臺(tái)科普教育系統(tǒng)目前主體部分已經(jīng)驗(yàn)收，余下的配套工程(如平臺(tái)環(huán)境工程)正在有序地進(jìn)行。該系統(tǒng)建成后，將作為四川省地震災(zāi)害緊急救援隊(duì)的訓(xùn)練平臺(tái)。同時(shí)，也會(huì)對(duì)社會(huì)公眾開放，使參觀者在模擬的地震環(huán)境中學(xué)習(xí)掌握各種防震減災(zāi)、自救互救的知識(shí)和技能。

4 結(jié)束語(yǔ)

地震模擬振動(dòng)臺(tái)的發(fā)展經(jīng)歷了一個(gè)長(zhǎng)期的過(guò)程，其發(fā)展歷程主要體現(xiàn)在振動(dòng)波形、自由度數(shù)、模擬方式、控制方式等四個(gè)關(guān)鍵的技術(shù)方面，他們是逐漸發(fā)展與進(jìn)步的。未來(lái)地震模擬振動(dòng)臺(tái)定會(huì)向大尺寸和臺(tái)陣式建設(shè)發(fā)展，而全數(shù)字控制技術(shù)和可視化的菜單式操作也是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。四川省地震局正在研制建設(shè)中的地震虛擬仿真運(yùn)動(dòng)平臺(tái)系統(tǒng)將會(huì)為地震災(zāi)害緊急救援隊(duì)的訓(xùn)練和廣大民眾學(xué)習(xí)、掌握各種防震減災(zāi)、自救互救的知識(shí)和技能提供強(qiáng)有力的支持和保證。

圖2 體驗(yàn)平臺(tái)子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)景

［1］李敏霞，楊澤群，陳建秋.地震模擬振動(dòng)臺(tái)技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用［J］.世界地震工程，1996，(2):49-54.

［2］黃浩華.地震模擬振動(dòng)臺(tái)發(fā)展情況介紹［J］.世界地震工程，1985，(1):47-51.

［3］方重.模擬地震振動(dòng)臺(tái)的近況及其發(fā)展［J］.世界地震工程，1999，(2):89-91.

［4］黃浩華.地震模擬振動(dòng)臺(tái)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用技術(shù)［M］.北京:地震出版社，2008.

［5］王燕華，程文襄，陸飛，等.地震模擬振動(dòng)臺(tái)的發(fā)展［J］.工程抗震與加固改造，2007，(5):53-56.