地震模擬振動臺的發(fā)展及應(yīng)用

趙 晶

(四川省地震局，四川成都 610041)

1 地震模擬振動臺的發(fā)展過程

最初的抗震試驗研究主要在室外進(jìn)行，是將強(qiáng)震觀測儀器設(shè)置在地震區(qū)的房屋等結(jié)構(gòu)上，等地震到來時觀測記錄房屋結(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)地震觀測來獲取地震反應(yīng)的數(shù)據(jù)機(jī)會非常少，且實驗周期長，滿足不了抗震研究的發(fā)展需要。最初想用計算分析方法來進(jìn)行抗震試驗研究，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)放到實驗室里來進(jìn)行抗震試驗的構(gòu)想，由此地震模擬振動臺在20世紀(jì)60年代末應(yīng)運而生了。地震模擬振動臺系統(tǒng)最早出現(xiàn)在日本，1966年東京大學(xué)生產(chǎn)技術(shù)研究所建成了世界上第一臺正弦振動臺［1］。目前，日本主要有日立和三菱兩大生產(chǎn)廠家生產(chǎn)振動臺，此兩家都是國際上知名的機(jī)械、電子制造業(yè)的大公司，實力很強(qiáng)。20世紀(jì)70年代末開始了三向六自由度地震模擬振動臺的研制，日立公司、三菱公司均已成功完成。美國制造振動臺最主要的廠家為MTS公司。MTS公司自1968年生產(chǎn)出第一臺3.65 m×3.65 m單向地震模擬振動臺后，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臺建造廠家之一［2］。此外，尚有美國的Wyle公司、日本的鷺宮制造所、德國的SCHENCK公司等均可承建地震模擬振動臺。國內(nèi)生產(chǎn)振動臺比較有名的廠家是天水紅山試驗機(jī)廠，并已為國內(nèi)多家學(xué)校、科研單位承建了多臺地震模擬振動臺［1-3］。地震模擬振動臺的發(fā)展經(jīng)歷了一個長期的過程，在其振動波形、自由度數(shù)、控制方式等幾個關(guān)鍵性的技術(shù)指標(biāo)上都有逐漸進(jìn)步的發(fā)展過程。

1.1 振動波形

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

1.2 自由度數(shù)

1971年以前研制的振動臺均為單自由度(單軸向)運動系統(tǒng)。1971年以后開始研制雙軸向運動系統(tǒng)。1971年，MTS公司為美國加州伯克利分校建成了世界第一臺水平和垂直雙向的6.1 m×6.1 m地震模擬振動臺［4-5］。1978年以后，開始研制三向六自由度運動系統(tǒng)。1978年，日立公司為日本國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臺［4］。

1.3 ?？睾蛿?shù)控方式

1972年以前的地震模擬振動臺均為位移控制，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，運用三參量反饋控制方法對提高系統(tǒng)的動態(tài)特性和系統(tǒng)的頻帶寬度有很大的促進(jìn)作用［5］。1975年以前的振動臺采用的是頻域控制方式，其最大的缺點是不能再現(xiàn)時間歷程，1975年以后開始采用時間歷程控制方式，并應(yīng)用了自適應(yīng)控制技術(shù)［1，4］。

2 地震模擬振動臺的發(fā)展趨勢

2.1 向大型發(fā)展

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

2.2 向臺陣發(fā)展

對于管道、多跨橋梁等細(xì)長型結(jié)構(gòu)，通過增大地震模擬振動臺的規(guī)模并不合適，而通過將多臺小型振動臺組成臺陣，進(jìn)行大尺寸、多跨、多點地震波形運動輸入的結(jié)構(gòu)抗震試驗更為合理有效。臺陣中的單個振動臺還可以分開獨立進(jìn)行小型結(jié)構(gòu)試驗［4-5］。日本最早建立了臺陣，建設(shè)省土木研究所于1979年建立了4臺3 m×2 m的單水平向地震模擬振動臺組成的臺陣［5］。

2.3 向全數(shù)字控制技術(shù)方向發(fā)展

地震模擬振動臺控制系統(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，并且有運動頻帶寬、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)在對控制信號的補(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)是在地震模擬振動臺液壓伺服控制系統(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和伺服閥的閥控制器采用模擬信號外，其他部分全采用數(shù)字軟件來實現(xiàn)。美國MTS公司已推出469D全數(shù)字控制器控制的振動臺，這樣使試驗過程變得簡單，易于操作。全數(shù)字控制技術(shù)有利于提高控制自動化程度及振動臺控制精度，這些特性是未來的發(fā)展趨勢［4-5］。

3 地震模擬振動臺的應(yīng)用領(lǐng)域

地震模擬振動臺可以很好地再現(xiàn)地震產(chǎn)生的運動過程和進(jìn)行人工地震波試驗，它是在實驗中研究結(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)動力特性、設(shè)備抗震性能以及檢驗結(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。地震模擬振動臺實驗方法是目前抗震研究的重要手段之一，在地震模擬振動臺上可以進(jìn)行如下各種試驗和研究［4］:(1)各類建筑物模型的動力特性試驗;(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)施的耐震性試驗研究;(5)各類機(jī)電產(chǎn)品的振動例行試驗;(6)家庭用具和人體在地震作用下的反應(yīng)研究。

地震虛擬仿真運動平臺是四川省地震局汶川地震災(zāi)后恢復(fù)重建項目中的一項，全稱為地震虛擬仿真運動平臺科普教育系統(tǒng)。地震虛擬仿真運動平臺采用計算機(jī)虛擬現(xiàn)實、數(shù)字仿真與信息可視化等先進(jìn)技術(shù)。通過模擬地震時人能感受到的六自由度運動，為體驗者提供地震時振動、抖動、扭動等運動感受，使體驗者獲得模擬的近似真實地震環(huán)境中運動的感覺。地震虛擬仿真運動平臺也在地震模擬振動臺實驗方面有廣泛的應(yīng)用。地震虛擬仿真運動平臺系統(tǒng)由六大部分組成:動感體驗平臺、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、實時仿真分系統(tǒng)、控制分系統(tǒng)、輔助分系統(tǒng)。其核心部分的動感體驗平臺采用的是三向六自由度模擬地震振動的運動平臺。動感體驗平臺由兩部分組成，他們分別是電動六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)平臺和體驗平臺子系統(tǒng)。電動六自由度并聯(lián)結(jié)構(gòu)平臺可以提供地震波帶來的典型地震震動感覺，以及與場景變化相一致的姿態(tài)和加速度感覺。圖1為動感體驗平臺配置示意圖。體驗平臺系統(tǒng)為體驗者提供震動平臺、座椅、安全裝置等，是支撐觀眾體驗的物理環(huán)境，由平臺結(jié)構(gòu)、座椅、平臺通道三部分組成。平臺外形尺寸為5 m×5 m，底部通過三個鉸鏈支座用螺栓與電動六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)平臺相連接。平臺上安裝有30個安全座椅，四周安裝圍擋。圖2為體驗平臺子系統(tǒng)的設(shè)計實景圖。地震虛擬仿真運動平臺科普教育系統(tǒng)目前主體部分已經(jīng)驗收，余下的配套工程(如平臺環(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)害緊急救援隊的訓(xùn)練平臺。同時，也會對社會公眾開放，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)、自救互救的知識和技能。

4 結(jié)束語

地震模擬振動臺的發(fā)展經(jīng)歷了一個長期的過程，其發(fā)展歷程主要體現(xiàn)在振動波形、自由度數(shù)、模擬方式、控制方式等四個關(guān)鍵的技術(shù)方面，他們是逐漸發(fā)展與進(jìn)步的。未來地震模擬振動臺定會向大尺寸和臺陣式建設(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的發(fā)展趨勢。四川省地震局正在研制建設(shè)中的地震虛擬仿真運動平臺系統(tǒng)將會為地震災(zāi)害緊急救援隊的訓(xùn)練和廣大民眾學(xué)習(xí)、掌握各種防震減災(zāi)、自救互救的知識和技能提供強(qiáng)有力的支持和保證。

圖2 體驗平臺子系統(tǒng)的設(shè)計實景

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

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

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

［4］黃浩華.地震模擬振動臺的設(shè)計與應(yīng)用技術(shù)［M］.北京:地震出版社，2008.

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