伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)振動(dòng)臺(tái)研制及系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)*

王 海, 王永志, 劉薈達(dá), 寇宇平, 袁曉銘, 孫 銳

(中國(guó)地震局 工程力學(xué)研究所 地震工程與工程振動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150080)

伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)振動(dòng)臺(tái)研制及系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)*

王 海, 王永志, 劉薈達(dá), 寇宇平, 袁曉銘, 孫 銳

(中國(guó)地震局 工程力學(xué)研究所 地震工程與工程振動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150080)

比較目前主流的電液式驅(qū)動(dòng)振動(dòng)臺(tái)，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)振動(dòng)臺(tái)具有結(jié)構(gòu)緊湊、無油源噪音、維護(hù)簡(jiǎn)單、頻帶寬等優(yōu)點(diǎn)，是新一代振動(dòng)臺(tái)發(fā)展的一個(gè)主要方向。介紹了一臺(tái)與ANCO聯(lián)合研制的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)振動(dòng)臺(tái)，負(fù)載2 t、臺(tái)面2.2 m×1.2 m，其試驗(yàn)系統(tǒng)配置了剛性與剪切試樣箱、微型CPT、SPT及DPT試驗(yàn)裝置。設(shè)計(jì)和開展多種地震波下空臺(tái)、干砂與飽和砂對(duì)比試驗(yàn)，綜合評(píng)價(jià)了系統(tǒng)性能，具有較好任意波控制能力和復(fù)現(xiàn)精度，給出了輸出特性與迭代次數(shù)、放大倍數(shù)和負(fù)載質(zhì)量之間的關(guān)聯(lián)性。譜比結(jié)果表明：飽和砂層對(duì)比干砂層在不小于1 s周期上呈現(xiàn)顯著放大效應(yīng)，尤其是孔壓達(dá)到峰值后。剛性箱具有較強(qiáng)端壁效應(yīng)，距兩端壁0.2 m處一對(duì)豎向加速度計(jì)記錄了較大幅度反相位時(shí)程。

機(jī)電工程；振動(dòng)臺(tái)；伺服電機(jī)；性能評(píng)價(jià)；砂土液化；譜比

0 引 言

物理模型試驗(yàn)根據(jù)研究目標(biāo)，人為控制試驗(yàn)條件，恰當(dāng)設(shè)計(jì)物理試樣，觀測(cè)真實(shí)土體的變形和破壞過程，為認(rèn)識(shí)巖土震害發(fā)生機(jī)制和發(fā)展災(zāi)變防控技術(shù)補(bǔ)充豐富的海量數(shù)據(jù)包，是巖土地震工程和土動(dòng)力學(xué)發(fā)展的重要奠基石。振動(dòng)臺(tái)用于各類地基和巖土結(jié)構(gòu)物的地震模擬，是目前巖土工程和地震工程領(lǐng)域重要的大型科學(xué)試驗(yàn)設(shè)備[1-9]。

關(guān)于振動(dòng)臺(tái)研制技術(shù)和設(shè)計(jì)方法，目前國(guó)內(nèi)已有較多系統(tǒng)而成熟的研究。為簡(jiǎn)要回顧振動(dòng)臺(tái)發(fā)展歷程與闡述當(dāng)前水平，僅列出一些具有代表性研究成果。黃浩華[1]介紹了國(guó)內(nèi)外振動(dòng)臺(tái)發(fā)展歷史，對(duì)比機(jī)械、電動(dòng)(磁)和電液式振動(dòng)臺(tái)優(yōu)缺點(diǎn)，且詳細(xì)論述了地震模擬振動(dòng)臺(tái)設(shè)計(jì)與應(yīng)用技術(shù)；韓俊偉等[3]針對(duì)電液式振動(dòng)臺(tái)控制器設(shè)計(jì)方法，應(yīng)用極點(diǎn)配置原理提出和引入了三狀態(tài)伺服控制算法，較大程度提高了振動(dòng)臺(tái)系統(tǒng)加速度響應(yīng)頻寬與系統(tǒng)穩(wěn)定性；高春華等[4]對(duì)國(guó)內(nèi)振動(dòng)臺(tái)的發(fā)展歷史、控制算法和試驗(yàn)技術(shù)等進(jìn)行了總結(jié)和分析，評(píng)述了振動(dòng)臺(tái)的發(fā)展趨勢(shì)及試驗(yàn)技術(shù)發(fā)展重點(diǎn)方向；李青寧等[5]提出了單振動(dòng)臺(tái)擴(kuò)展系統(tǒng)概念和設(shè)計(jì)方法，利用單振動(dòng)臺(tái)實(shí)現(xiàn)了大跨結(jié)構(gòu)多點(diǎn)激勵(lì)試驗(yàn)研究。在振動(dòng)臺(tái)應(yīng)用方面，國(guó)內(nèi)也取得了較為廣泛豐碩的成果，研究?jī)?nèi)容涉及地基動(dòng)力響應(yīng)分析[6]、砂土液化震陷[7]、堤壩與邊坡抗震性能評(píng)價(jià)[8]、地下結(jié)構(gòu)物、橋梁地震破壞和重大工程加固設(shè)計(jì)[9]等多個(gè)方面，很大程度地推動(dòng)了巖土地震工程理論和防震減災(zāi)技術(shù)發(fā)展。

電液式振動(dòng)臺(tái)與機(jī)械、電動(dòng)(磁)振動(dòng)臺(tái)相比，具有大出力、高行程和較好任意波復(fù)現(xiàn)能力等，是目前國(guó)內(nèi)外地震模擬振動(dòng)臺(tái)采用的主要驅(qū)動(dòng)型式；但電液振動(dòng)臺(tái)也具有體積大、油源噪音高、維護(hù)繁重、高頻能力有限等缺點(diǎn)[10]。隨著近些年交流伺服電機(jī)和全數(shù)字控制技術(shù)的快速發(fā)展，伺服電機(jī)作為一種新型動(dòng)力源，目前已應(yīng)用于機(jī)床加工、包裝、紡織、自動(dòng)化、機(jī)器人、主動(dòng)測(cè)量等多個(gè)工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域中[11-18]。伺服電機(jī)與電液式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)比較，具有結(jié)構(gòu)緊湊、無油源噪音、維護(hù)簡(jiǎn)單、頻帶寬等優(yōu)點(diǎn)，是新一代振動(dòng)臺(tái)發(fā)展的一個(gè)主要方向[17-18]，但目前國(guó)內(nèi)在該方面研究甚少。為此，中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所與美國(guó)ANCO公司聯(lián)合研制引進(jìn)了國(guó)內(nèi)第一臺(tái)全數(shù)字交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)振動(dòng)臺(tái)地震模擬系統(tǒng)。筆者介紹了系統(tǒng)的設(shè)備構(gòu)成、性能指標(biāo)、試驗(yàn)輔助配置和設(shè)計(jì)方法；評(píng)價(jià)了伺服電機(jī)系統(tǒng)振動(dòng)控制性能，分析了振動(dòng)臺(tái)的動(dòng)力輸出特性及關(guān)聯(lián)因素。通過平行試驗(yàn)，驗(yàn)證了液化對(duì)場(chǎng)地特性基本影響規(guī)律和試驗(yàn)箱可靠性，為2008年“汶川地震”和2011年“新西蘭地震”量大面廣液化災(zāi)害有關(guān)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究提供參考和指導(dǎo)。

1 設(shè)備構(gòu)成

與ANCO公司聯(lián)合研制的全數(shù)字伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)振動(dòng)臺(tái)主體設(shè)備如圖1，包含伺服電機(jī)、振動(dòng)臺(tái)面、聯(lián)動(dòng)桿及輔助桿和直線性導(dǎo)軌等，還有控制柜和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。其主要性能參數(shù)：臺(tái)面尺寸2.2 m×1.2 m，有效負(fù)載2 t，最大加速度1 g，最大位移10 cm，頻寬0～100 Hz。與一般伺服電機(jī)系統(tǒng)對(duì)比[1,11-12,15-18]，該振動(dòng)臺(tái)特點(diǎn)是：聯(lián)動(dòng)桿與臺(tái)面垂直布置，直接利用單周角位移實(shí)現(xiàn)臺(tái)面位移目標(biāo)控制，同時(shí)聯(lián)動(dòng)桿可以更換不同尺寸以滿足不同位移需求，保證響應(yīng)精度和控制穩(wěn)定性同時(shí)，解決了以往伺服電機(jī)系統(tǒng)大位移的難題。系統(tǒng)控制模塊包含掃頻模塊、譜模塊、信號(hào)發(fā)生器模塊、瞬態(tài)模塊、振動(dòng)模塊、IEEE344檢測(cè)模塊以及半自動(dòng)報(bào)告生成模塊，分別可實(shí)現(xiàn)任意正余弦波、掃頻波、矩形波、地震波以及任意自定義波設(shè)置。

圖1 伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)振動(dòng)臺(tái)主體設(shè)備Fig. 1 Main body of servo-motor driven shaking table system

本系統(tǒng)裝備了較完善的試驗(yàn)裝置。試驗(yàn)數(shù)采系統(tǒng)采用便攜多功能TMR200采集儀(日本TML公司)，搭載了ICP加速度、孔隙水壓、位移、應(yīng)變和熱電偶等采集功能。試樣模型箱分為剛性箱和剪切疊層箱兩類，每類包含0.8 m×0.6 m×0.5 m,1.6 m×0.7 m×0.7 m和1.0 m×0.5 m×1.4 m(長(zhǎng)×寬×高)這3種尺寸，以滿足不同尺度和用途試驗(yàn)需求。根據(jù)精細(xì)化制樣要求，系統(tǒng)配置了自行開發(fā)研制的砂雨法相對(duì)密度控制樣設(shè)備。此外，還配置了彎曲元測(cè)試系統(tǒng)，微型SPT，CPT和DPT測(cè)試系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)模擬激振前后，土體靜態(tài)力學(xué)特征參數(shù)量測(cè)需求，為液化發(fā)生條件和場(chǎng)地震后靜態(tài)特性的變化認(rèn)知提供必要條件。

2 性能評(píng)價(jià)

設(shè)計(jì)空臺(tái)、干砂試樣兩種負(fù)載工況，在多條地震波、不同放大倍數(shù)、不同迭代次數(shù)的激振試驗(yàn)，以較全面地分析和評(píng)價(jià)本伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)振動(dòng)臺(tái)設(shè)備動(dòng)態(tài)性能及關(guān)聯(lián)因素，為改進(jìn)設(shè)備性能和試驗(yàn)設(shè)計(jì)提供參考。

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)選用EL CENTRO，KAK090，QIANAN，TANGSHAN和WILDLIFEDOWN等5個(gè)歷史地震記錄作為荷載輸入，進(jìn)行不同幅值下系統(tǒng)控制性能測(cè)試，各地震波反應(yīng)譜如圖2，圖2中每條波PGA均調(diào)整為0.1 g。

圖2 不同地震波反應(yīng)譜(阻尼比0.05, PGA=0.1 g)Fig. 2 Spectra for different earthquakes with damping ratio of 0.05 and PGA of 0.1 g

各地震波分別具有不同的周期成分，用于充分認(rèn)識(shí)振動(dòng)控制系統(tǒng)在不同頻段內(nèi)的響應(yīng)特性。各地震波幅值的調(diào)整，通過改變控制模塊中放大倍數(shù)實(shí)現(xiàn)，試驗(yàn)中各地震波輸入荷載PGA與放大倍數(shù)的關(guān)系列于表1。

表1 地震波輸入荷載PGA與放大倍數(shù)關(guān)系

以空臺(tái)和干砂試樣兩種負(fù)載工況,檢驗(yàn)負(fù)載變化對(duì)控制特性影響和系統(tǒng)穩(wěn)定性。在這兩種工況下，分別進(jìn)行表1中17次地震波輸入負(fù)載試驗(yàn)。兩種工況方案設(shè)計(jì)與量測(cè)傳感器布局，如圖3。在性能評(píng)價(jià)試驗(yàn)中，僅選用加速度計(jì)進(jìn)行量測(cè)，將通過時(shí)程記錄和反應(yīng)譜比分析振動(dòng)臺(tái)可控能力。圖3(a)中僅布設(shè)了兩個(gè)加速計(jì)，分別位于臺(tái)面中心和臺(tái)面邊緣(遠(yuǎn)端)。圖3(b)中干砂試樣選用標(biāo)準(zhǔn)福建砂，試樣箱選用內(nèi)尺寸為0.8 m(長(zhǎng))×0.6 m(寬)×0.5 m(高)的剛性箱，試樣高度0.26 m，布設(shè)加速度計(jì)共6個(gè)，其中干砂試樣中心處沿高度布設(shè)3個(gè)，臺(tái)面布設(shè)1個(gè)，箱端壁上下各布設(shè)1個(gè)。干砂試樣采用自行研制的砂雨法裝置進(jìn)行分層制模，選用福建標(biāo)準(zhǔn)砂時(shí)，砂土相對(duì)密度可控制范圍為30%～90%，本振動(dòng)臺(tái)性能評(píng)價(jià)試驗(yàn)中干砂試樣相對(duì)密度控制為70%。因篇幅有限，所用砂雨法裝置及制樣效果將另作介紹。

圖3 兩種負(fù)載工況Fig. 3 Two loading conditions

2.2 結(jié)果分析

空臺(tái)試驗(yàn)工況下，將表1中每一種地震波數(shù)次不同PGA,輸入下臺(tái)面中心、臺(tái)面邊緣加速度記錄反應(yīng)譜,進(jìn)行歸一化和均值處理，然后與輸入加速度反應(yīng)譜各周期點(diǎn)幅值作比值處理，其結(jié)果如圖4。

圖4 不同地震波輸出與輸入反應(yīng)譜比Fig. 4 Spectral ratios of input and output of different earthquake waves

可以看出，不同種類、不同PGA地震波輸入下，振動(dòng)臺(tái)系統(tǒng)表現(xiàn)出較為一致的響應(yīng)特性，在0.4～20 Hz頻帶內(nèi)具有較好復(fù)現(xiàn)能力，其中EL CENTRO和TANGSHAN地震波控制最為穩(wěn)定。圖4中1～10 Hz內(nèi)還呈現(xiàn)出一系列諧振帶，推斷原因?yàn)槁?lián)動(dòng)機(jī)械構(gòu)件和控制單元固有諧振引起。臺(tái)面中心與臺(tái)面邊緣加速度記錄比較，除QIANAN波外，基本無差異，表明臺(tái)面具有很好的剛性和均勻性?？傮w而言，本伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)振動(dòng)臺(tái)系統(tǒng)可滿足常規(guī)巖土地震工程試驗(yàn)需求，高頻控制特性相對(duì)較好，而低頻響應(yīng)能力需做進(jìn)一步分析和改善，以滿足特殊巖土破壞現(xiàn)象研究需要，比如地震中斷層附近的低頻大位移巖土震害現(xiàn)象。

在空臺(tái)和干砂試樣兩種工況下，分別獲得了不同PGA輸入下同一種地震波的時(shí)程復(fù)現(xiàn)情況，但因篇幅有限，在此僅給出EL CENTRO與TANGSHAN兩種波的臺(tái)面時(shí)程記錄，如圖5。不難發(fā)現(xiàn)，在PGA≤0.1 g地震荷載輸入下，實(shí)測(cè)記錄表明系統(tǒng)具有一定放大效應(yīng)，PGA 0.06 g EL CENTRO波和PGA 0.05 g TANGSHAN波輸入下，臺(tái)面獲得PGA分別為0.10 g和0.07 g；而0.1 g

圖5 不同PGA輸入下臺(tái)面地震波時(shí)程Fig. 5 Time histories of earthquake wave on the shaking table with different PGA input

圖6給出了空臺(tái)與干砂試樣兩種工況測(cè)試中，EL CENTRO波在不同倍數(shù)輸入下臺(tái)面加速度記錄正負(fù)峰值與輸入時(shí)程對(duì)比。通過3個(gè)不同倍數(shù)輸入下比較，干砂試樣測(cè)試中加速度時(shí)程與空臺(tái)存在一定差異，表明負(fù)載情況與系統(tǒng)控制特性存在一定關(guān)聯(lián)；二者差異處于許可范圍內(nèi)，表明系統(tǒng)配重和反力基礎(chǔ)動(dòng)力參數(shù)設(shè)計(jì)合理，系統(tǒng)輸出具有較好重復(fù)性。跟隨放大倍數(shù)增加，臺(tái)面記錄時(shí)程正負(fù)峰值線性增大，驗(yàn)證了系統(tǒng)具有良好的線性強(qiáng)度控制能力，就EL CENTRO波而言，控制模塊放大倍數(shù)處于2～10之間，系統(tǒng)動(dòng)力輸出呈現(xiàn)良好線性特征。

圖6 EL CENTRO波不同放大倍數(shù)下兩種工況正負(fù)峰值比較Fig. 6 Positive and negative peak comparisons of EL CENTRO earthquake with different input amplification factors in two loading conditions

3 平行試驗(yàn)

為認(rèn)識(shí)液化對(duì)場(chǎng)地特性的影響，進(jìn)一步評(píng)價(jià)系統(tǒng)試驗(yàn)功能，筆者還開展了一組干砂試樣與飽和砂試樣對(duì)比平行試驗(yàn)。

3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

砂樣仍選用福建標(biāo)準(zhǔn)砂，模型尺寸和量測(cè)傳感器布設(shè)如圖7，平行對(duì)比試驗(yàn)中除干砂試樣中未配置孔(隙水)壓傳感器，其余量測(cè)傳感器布設(shè)數(shù)量和位置相同，各傳感器布設(shè)參考方法見文獻(xiàn)[18]。模型箱仍選用內(nèi)尺寸0.8 m(長(zhǎng))×0.6 m(寬)×0.5 m(高)的剛性箱，試樣高度0.43 m。砂樣制作采用砂雨制作，從底層開始高度每增加10 cm或11 cm布設(shè)4個(gè)標(biāo)定盒，通過標(biāo)定盒量測(cè)獲得飽和砂試樣平均相對(duì)密度35%，干砂試樣平均相對(duì)密度68%。試驗(yàn)荷載選取EL CENTRO地震波，目標(biāo)PGA為0.27，0.33，0.435 g這3種強(qiáng)度連續(xù)試驗(yàn)。另外為了解試樣箱端壁處土體的運(yùn)動(dòng)情況，除水平加速度傳感器，還在試樣埋深0.22 m和距離兩端壁0.2 m處布設(shè)了兩個(gè)豎向傳感器，標(biāo)號(hào)分別為A15和A16。

圖7 平行試驗(yàn)設(shè)計(jì)與量測(cè)傳感器布設(shè)Fig. 7 Parallel test design and configuration of measuring sensors

3.2 結(jié)果分析

飽和砂與干砂對(duì)比平行試驗(yàn)分別獲得了土體中不同位置處的加速度記錄，但因篇幅限制，僅給出PGA為0.27 g試驗(yàn)中具有代表意義的結(jié)果。圖8為平行試驗(yàn)中土表加速度計(jì)A8測(cè)試結(jié)果對(duì)比；圖9為地表加速度計(jì)A8，A9，A10與試樣底層土加速度計(jì)A2，A3，A4比較的譜比結(jié)果。

根據(jù)圖8結(jié)果，可以直觀發(fā)現(xiàn)飽和試驗(yàn)和干砂試驗(yàn)對(duì)比，在7.2 s附近第一個(gè)峰值處開始出現(xiàn)差異，飽和試驗(yàn)在峰值之后呈現(xiàn)相對(duì)明顯長(zhǎng)周期成分，局部峰值有所放大，局部峰值有所減小，具有明顯的土層濾波現(xiàn)象[19]。由圖10飽和試驗(yàn)中P11(深0.4 m)和P13(深0.22 m)孔壓計(jì)記錄在加速度峰值(7.2 s)時(shí)刻孔隙水壓達(dá)到極值，證明平行試驗(yàn)加速度時(shí)程差異主要由場(chǎng)地發(fā)生液化導(dǎo)致場(chǎng)地特性改變所致，也指出孔壓發(fā)展水平是描述場(chǎng)地狀態(tài)的重要特性參數(shù)之一。圖9中3列不同位置處表層土與底層土加速度反應(yīng)譜比，一致給出飽和試驗(yàn)中砂層在大于等于1 s周期上呈現(xiàn)放大現(xiàn)象，在小于1 s周期上呈現(xiàn)一定濾波現(xiàn)象；而在干砂試驗(yàn)中土層未出現(xiàn)明顯的放大和濾波效應(yīng)，說明了飽和土層的放大和濾波水平與孔壓增長(zhǎng)具有直接關(guān)聯(lián)。

圖8 平行試驗(yàn)土表加速度時(shí)程對(duì)比Fig. 8 Comparison of acceleration time histories of the ground in parallel test

圖9 平行試驗(yàn)土層加速度反應(yīng)譜比Fig. 9 Acceleration spectral ratios of ground to bottom soil layer in parallel test

圖10 飽和砂試驗(yàn)中孔壓變化Fig. 10 Pore water pressure variation of saturated sand test

圖11給出了飽和砂和干砂試驗(yàn)中豎向加速度計(jì)A15和A16(距端壁0.2 m)分別記錄的結(jié)果?？梢悦黠@看出無論是飽和砂還是干砂試驗(yàn)中兩豎向加速度計(jì)均記錄了反相位時(shí)程，且具有較大響應(yīng)；其PGA約為土表加速度PGA的一半，導(dǎo)致土體所受運(yùn)動(dòng)形式與目標(biāo)地震剪切荷載存在嚴(yán)重差異。其機(jī)理可以解釋為因土試樣及箱體質(zhì)心高于臺(tái)面許多，而臺(tái)面的傳動(dòng)裝置及導(dǎo)軌位于臺(tái)面下方，施加荷載時(shí)使剛性箱整體產(chǎn)生了較大傾覆力矩，限制了土體的位移因此造成了豎向振動(dòng)情況的發(fā)生。根據(jù)其機(jī)理定義為端壁效應(yīng)，在試驗(yàn)設(shè)計(jì)選用剛性箱時(shí)，應(yīng)考慮該端壁效應(yīng)選擇合適大小及高度的箱體。

圖11 平行試驗(yàn)中豎向加速度記錄Fig. 11 Vertical acceleration records in parallel test

4 結(jié) 論

1)介紹了一套中、美新聯(lián)合研制的全數(shù)字交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)系統(tǒng)，包含主要性能指標(biāo)和設(shè)備構(gòu)成。其特點(diǎn)：聯(lián)動(dòng)桿與臺(tái)面垂直布置，直接利用單周角位移實(shí)現(xiàn)臺(tái)面位移目標(biāo)控制，具有高響應(yīng)精度和大位移能力。輔助系統(tǒng)除模型箱外，還裝備了SPT，CPT，DPT等土層特性測(cè)試裝置。

2)設(shè)計(jì)了空臺(tái)、干砂兩種負(fù)載工況下性能評(píng)價(jià)試驗(yàn)，綜合分析了系統(tǒng)動(dòng)力輸出特性及關(guān)聯(lián)因素。本振動(dòng)臺(tái)具有較好的剛性，在0.4～20 Hz頻帶內(nèi)具有良好可靠性和重復(fù)性，任意波在迭代2～3次后可獲得令人滿意的輸入/輸出保真度。另外，還建立了控制模塊放大倍數(shù)與臺(tái)面地震波強(qiáng)度線性關(guān)系區(qū)間。

3)開展了一組干砂與飽和砂對(duì)比平行試驗(yàn)，檢驗(yàn)了液化對(duì)場(chǎng)地特性的影響?？讐涸隽渴敲枋鰣?chǎng)地特性變化的重要參數(shù)之一，飽和砂試驗(yàn)中孔壓達(dá)到極值后，地表加速度記錄呈現(xiàn)顯著濾波和放大現(xiàn)象，而在干砂試驗(yàn)中未得到明顯觀測(cè)。

4)平行試驗(yàn)選用長(zhǎng)0.8 m、寬0.6 m、高0.5 m剛性箱，在距兩端壁0.2 m處一對(duì)豎向加速度量測(cè)了顯著的反相位運(yùn)動(dòng)，使土體所受運(yùn)動(dòng)形式與目標(biāo)地震剪切荷載存在差異。其機(jī)理解釋為傳動(dòng)裝置水平力與箱體質(zhì)心不重疊和剛性箱端壁對(duì)土體位移的約束所致，應(yīng)在試驗(yàn)設(shè)計(jì)和結(jié)果分析中給予考慮。

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(責(zé)任編輯：劉 韜)

Development of Servo-motor Driven Shaking Table and Performance Assessment of Its System

WANG Hai, WANG Yongzhi, LIU Huida, KOU Yuping, YUAN Xiaoming, SUN Rui

(Key Laboratory of Earthquake Engineering and Engineering Vibration, Institute of Engineering Mechanics, China Earthquake Administration, Harbin 150080,Heilongjiang, P. R. China)

Comprising with electro-hydraulic driven shaking tables in main stream at present, the servo-motor driven shaking table has many advantages, such as compact structure, quiet energy supply, simple maintenance and broad spectrum, which are important in developing the new generation of shaking tables. A new servo-motor driven shaking table developed in cooperation with ANCO was introduced and it had a 2.2m×1.2m shear platform able to shake a soil sample of 2 t. Its testing system was equipped with rigid and shear containers, micro CPT and SPT as well as DPT devices. To comprehensively evaluate the whole performance of the shaking table, series of experiments with empty platform, dry sand and saturated sand were designed and performed. The results show that the system has good control effect in repeatability and reliability to random waves, and its output characteristics are observed to relate with iteration times, amplification times and loading quality. The spectral ratios of acceleration time histories indicate that saturated sand layers have significant amplification effect at periods above 1s compared with dry sand layer, especially as pore water pressure reaches the peak value. It is observed that the rigid container has critical end wall effect, and a pair of vertical accelerometers with a distance of 0.2m to the end walls monitor considerable opposed-phase motions.

electromechanical engineering; shaking table; servo motor; performance assessment; liquefaction of sand; spectral ratio

10.3969/j.issn.1674-0696.2017.04.20

2015-10-19；

2016-04-27

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51609218)；黑龍江省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(LC2015021)

王 海(1989—)，男，山東濟(jì)南人，博士研究生，主要從事巖土工程和土工試驗(yàn)方面的研究。E-mail：694709762@qq.com。

王永志(1984—)，男，河南周口人，副研究員，主要從事巖土土動(dòng)力理論及技術(shù)方面的研究。E-mail：yong5893741@163.com。

TU415

A

1674-0696(2017)04-114-07