“小小振動(dòng)臺(tái)演示系統(tǒng)”的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

常建軍 盧滔 劉英華 趙?？?/p>

常建軍，北京市防震減災(zāi)宣教中心新媒體部部長(zhǎng)，中國(guó)地震學(xué)會(huì)普及工作委員會(huì)委員，主要從事防震減災(zāi)科普信息化建設(shè)、科普產(chǎn)品開發(fā)和新媒體運(yùn)營(yíng)管理等工作。先后主持中國(guó)地震局教師科研基金、地震科技星火計(jì)劃等科研項(xiàng)目，承擔(dān)中國(guó)地震局科普和新聞宣傳、科技項(xiàng)目與成果管理、監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)等任務(wù)性項(xiàng)目，以及多項(xiàng)北京市財(cái)政專項(xiàng)課題。先后發(fā)表論文10余篇，出版科普視頻和讀物10余部，其中《安全農(nóng)居建設(shè)》榮獲全國(guó)科普作品優(yōu)秀獎(jiǎng)，《地震避險(xiǎn)之家庭篇》《敬畏自然》和《地動(dòng)儀的前世今生》入圍北京科技微視頻大賽優(yōu)秀作品。負(fù)責(zé)運(yùn)維的“地震三點(diǎn)通”微信公眾號(hào)、北京市地震局官方微博分別榮獲科普中國(guó)“2015 年度最具潛力科普微信公眾號(hào)”和新浪“最佳政務(wù)公開案例”。

引言

國(guó)內(nèi)外大量地震災(zāi)害統(tǒng)計(jì)表明，地震中85%以上的人員傷亡是由建筑物倒塌造成的，在臺(tái)灣集集地震中比例竟高達(dá)94%，建筑物倒塌是人員傷亡的主要原因。在同一次地震中，有的建筑轟然倒塌，造成大量人員傷亡或被埋壓，而有的建筑則巋然屹立，被公眾稱為“樓堅(jiān)強(qiáng)”。

為什么建筑物會(huì)存在如此大的差異呢？除了可能存在施工質(zhì)量、場(chǎng)地條件等差異外，其根本原因是建筑抗震性能存在差異。

結(jié)構(gòu)抗震試驗(yàn)是建筑抗震性能研究的重要技術(shù)手段，目前常用的實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)方法有擬靜力試驗(yàn)、擬動(dòng)力試驗(yàn)和地震模擬振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，其中地震模擬振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)可以真實(shí)再現(xiàn)各種地震波，直觀了解結(jié)構(gòu)在地震作用下的破壞狀況及其過程，是目前研究結(jié)構(gòu)抗震性能最直接的常用試驗(yàn)方法（圖1）。

但由于振動(dòng)臺(tái)是大型昂貴的科研設(shè)備，只有少數(shù)大學(xué)和科研院所擁有此設(shè)備，在校學(xué)生、普通公眾很難有機(jī)會(huì)接觸振動(dòng)臺(tái)。

為此，在中國(guó)地震局地震科技星火計(jì)劃的資助下，依托“地震科普教育軟硬件一體化交互式平臺(tái)的研發(fā)與應(yīng)用”項(xiàng)目，我們開發(fā)了便攜式的振動(dòng)臺(tái)演示系統(tǒng)，旨在讓振動(dòng)臺(tái)走進(jìn)中小學(xué)的課堂，讓普通公眾能夠直觀了解減災(zāi)科技成果，不但可以學(xué)習(xí)防災(zāi)減災(zāi)知識(shí)，有益于培養(yǎng)中小學(xué)生的科學(xué)興趣，增強(qiáng)同學(xué)們的動(dòng)手能力，還可提升防震減災(zāi)科普宣傳效果和公眾防災(zāi)減災(zāi)素養(yǎng)。

圖1 東方明珠振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)

地震模擬振動(dòng)臺(tái)簡(jiǎn)介

1.振動(dòng)臺(tái)基本原理

通過動(dòng)力加載設(shè)備使振動(dòng)臺(tái)的實(shí)驗(yàn)臺(tái)面再現(xiàn)各種類型地震波, 使固定在臺(tái)面上的試驗(yàn)對(duì)象隨之產(chǎn)生類似地震作用下的振動(dòng)，并通過觀測(cè)設(shè)備記錄試驗(yàn)對(duì)象的運(yùn)動(dòng)參數(shù)和破壞過程，為工程抗震提供科學(xué)依據(jù)。

地震模擬振動(dòng)臺(tái)是一套復(fù)雜的大型實(shí)驗(yàn)設(shè)備，以電液伺服地震模擬振動(dòng)臺(tái)為例，系統(tǒng)主要由液壓源系統(tǒng)、激振器、伺服模擬控制器、臺(tái)面、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)組成，其中伺服模擬控制器是以電液伺服閥為核心的模擬控制器，是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心部分；液壓源系統(tǒng)主要是提供動(dòng)力，包括液壓泵站、蓄能器組、冷卻系統(tǒng)等。

2.振動(dòng)臺(tái)發(fā)展簡(jiǎn)史

根據(jù)文獻(xiàn)記載，振動(dòng)臺(tái)的研究與應(yīng)用已有100余年歷史。早在1890年，日本就嘗試開展地震對(duì)結(jié)構(gòu)影響的研究，大森房吉（Fusakichi Omori）和英國(guó)學(xué)者John Milne共同研制出最早的地震臺(tái)。該振動(dòng)臺(tái)通過一根鋼筋和一個(gè)偏心輪連接，由人力驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)振動(dòng)臺(tái)的實(shí)驗(yàn)臺(tái)面反復(fù)運(yùn)動(dòng)，由一個(gè)在旋轉(zhuǎn)筒上的筆記錄實(shí)驗(yàn)臺(tái)面的運(yùn)動(dòng)（圖2）。

圖2 日本早期研制的軌道振動(dòng)臺(tái)

20世紀(jì)早期，全球先后發(fā)生了美國(guó)舊金山大地震、日本關(guān)東大地震等一系列強(qiáng)震，摧毀了大量建筑，造成巨大的人員死亡和經(jīng)濟(jì)損失，使科學(xué)家們更加關(guān)注建筑的抗震性能，推動(dòng)了抗震技術(shù)的發(fā)展。在此期間，美國(guó)、日本的學(xué)者先后研制了各種小型振動(dòng)臺(tái)，如斯坦福大學(xué)的Jacobsen博士研制出了擺錘振動(dòng)臺(tái)，日本學(xué)者研制了偏心振動(dòng)器激發(fā)的振動(dòng)臺(tái)，這些成果為后來的振動(dòng)臺(tái)研發(fā)奠定了基礎(chǔ)。

20世紀(jì)60年代，隨著自動(dòng)化控制技術(shù)的發(fā)展，液壓伺服控制技術(shù)開始應(yīng)用于振動(dòng)臺(tái)系統(tǒng)，日本和美國(guó)先后建立了地震模擬振動(dòng)臺(tái),我國(guó)的國(guó)家地震局工程力學(xué)研究所（現(xiàn)改名為中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所）于1960年建造的地震模擬振動(dòng)臺(tái)也是世界早期地震模擬振動(dòng)臺(tái)之一。

20世紀(jì)80年代，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展, 日本最早研制出三向地震模擬振動(dòng)臺(tái)，隨后各國(guó)紛紛建立了三向地震模擬振動(dòng)臺(tái)。1983年，同濟(jì)大學(xué)建立了4m×4m三向地震模擬振動(dòng)臺(tái)，國(guó)家地震局工程力學(xué)研究所建立的5m×5m三向地震模擬振動(dòng)臺(tái)是我國(guó)第一臺(tái)自行研制開發(fā)的振動(dòng)臺(tái)。

此后伴隨著液壓、電子、自動(dòng)化、傳感器、信號(hào)處理、控制技術(shù)等領(lǐng)域的發(fā)展，地震模擬振動(dòng)臺(tái)實(shí)現(xiàn)了從模擬控制到數(shù)字控制、從位移控制到多參量控制的發(fā)展歷程，同時(shí)逐步向大型化、臺(tái)陣化、智能化、遠(yuǎn)程化和混合試驗(yàn)的方向發(fā)展。

地震模擬振動(dòng)臺(tái)除用于建筑結(jié)構(gòu)抗震研究外，還被廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性、設(shè)備抗震性能檢測(cè)、結(jié)構(gòu)抗震措施檢驗(yàn)等的研究工作，在航天工程、原子能反應(yīng)堆、水工結(jié)構(gòu)、橋梁工程等的應(yīng)用也是越來越廣泛（圖3）。

圖3 橋梁工程振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)

振動(dòng)臺(tái)教具設(shè)計(jì)思路與實(shí)現(xiàn)

根據(jù)地震模擬振動(dòng)臺(tái)的技術(shù)特點(diǎn)和互動(dòng)式科普展教具缺乏的現(xiàn)狀，項(xiàng)目組提出一套具有內(nèi)容科學(xué)、展示技術(shù)先進(jìn)、教學(xué)手段多樣軟硬件一體化交互式平臺(tái)解決方案，設(shè)計(jì)了一個(gè)可模擬地震作用下的結(jié)構(gòu)反應(yīng)的“小小振動(dòng)臺(tái)”，希望將“小小振動(dòng)臺(tái)”帶進(jìn)課堂，讓學(xué)生可以動(dòng)手操作，參與演示性的科學(xué)實(shí)驗(yàn)，加深學(xué)生對(duì)科學(xué)原理的理解，提升防震減災(zāi)科學(xué)素養(yǎng)。

1.小小振動(dòng)臺(tái)演示系統(tǒng)簡(jiǎn)介

本振動(dòng)臺(tái)演示系統(tǒng)集成在一個(gè)長(zhǎng)方形的鋁合金箱內(nèi)，箱子外觀尺寸長(zhǎng)寬高分別為120cm、80cm和50cm，重量約23kg。箱體外的右側(cè)安裝有提手，左側(cè)安裝有輪子，便于振動(dòng)臺(tái)箱體的移動(dòng)和搬運(yùn)（圖4）。此外，箱體也可作為演示的臺(tái)架使用，做到一物兩用。

整個(gè)系統(tǒng)由硬件部分、軟件部分組成，硬件部分可實(shí)現(xiàn)地震波模擬輸入和不同建筑模型在地震動(dòng)作用下振動(dòng)試驗(yàn)；軟件部分可實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)信息錄入、實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦\(yùn)動(dòng)軌跡攝錄、水平向豎向位移時(shí)程提取和試驗(yàn)結(jié)果展示。

2.硬件部分與功能實(shí)現(xiàn)

硬件部分主要由振動(dòng)輸入部分、振動(dòng)臺(tái)面部分、建筑模型部分和數(shù)據(jù)采集等四分部分組成。

振動(dòng)輸入模塊也就是振動(dòng)激發(fā)部分，在這個(gè)模塊可激發(fā)一個(gè)模擬地震，激振震源選用可以精確控制力大小的彈簧，可以通過更換不同剛度彈簧或改變彈簧拉伸長(zhǎng)度，來改變地震動(dòng)彈簧作用力的大小，從而模擬不同大小的地震動(dòng)（圖5）。

振動(dòng)臺(tái)面是下可連接激振源，上固定有建筑物模型，通過臺(tái)面下部彈簧拉伸，帶動(dòng)臺(tái)面的單向運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)結(jié)構(gòu)模型發(fā)生自由振動(dòng)，實(shí)現(xiàn)模擬建筑物在地震動(dòng)作用下振動(dòng)狀態(tài)。

建筑模型部分是由若干不同彈性的鋼片和若干不同大小鋼板組成，選擇不同組合可自由組配成不同結(jié)構(gòu)類型、不同高度的建筑模型。

數(shù)據(jù)采集部分，主要是由攝像頭和自由搖臂組成，調(diào)節(jié)魔術(shù)手臂將攝像頭置于模擬振動(dòng)臺(tái)的上前方，使設(shè)定好的標(biāo)記圖形正對(duì)攝像頭，打開軟件部分然后就可以進(jìn)行數(shù)據(jù)采集（圖6）。

圖4 小小振動(dòng)臺(tái)演示系統(tǒng)實(shí)物圖

圖5 激振震源結(jié)構(gòu)圖

圖6 數(shù)據(jù)采集攝像頭搖臂結(jié)構(gòu)圖

3.軟件部分與功能實(shí)現(xiàn)

軟件部分主要由基本信息輸入模塊、時(shí)程數(shù)據(jù)采集和處理模塊、試驗(yàn)結(jié)果展示輸出模塊三部分組成。

基本信息輸入模塊主要功能是采集體驗(yàn)者基本信息，如學(xué)校、班級(jí)、姓名等，依據(jù)采集所得基本信息，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)新建一個(gè)體驗(yàn)者專屬文件夾，文件夾以體驗(yàn)者錄入的“學(xué)校+班級(jí)+姓名”命名，專屬文件夾的作用主要是存儲(chǔ)體驗(yàn)者本人的試驗(yàn)成果數(shù)據(jù)和圖件。

時(shí)程數(shù)據(jù)采集和處理模塊是整個(gè)軟件的核心，其采用攝影測(cè)量和圖形識(shí)別算法實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)位移時(shí)程的非接觸式測(cè)量，當(dāng)試驗(yàn)開始時(shí)，左側(cè)視頻顯示控件將實(shí)時(shí)顯示簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)振動(dòng)過程，并將建筑物不同高度（比如樓層）水平和豎向位移進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄，根據(jù)攝像頭像大小，本系統(tǒng)可設(shè)置4個(gè)樓層標(biāo)示點(diǎn)，試驗(yàn)者可根據(jù)振動(dòng)記錄對(duì)比分析不同樓層的水平和豎向位移時(shí)程變化特征（圖7）。

試驗(yàn)結(jié)果展示輸出模塊,主要功能可展示輸出在試驗(yàn)過程中記錄的位移時(shí)程圖件和振動(dòng)臺(tái)簡(jiǎn)單模型照片，這些試驗(yàn)結(jié)果資料會(huì)自動(dòng)存儲(chǔ)在專屬文件夾中，便于體驗(yàn)者拷貝和打印。

圖7 采集動(dòng)態(tài)位移時(shí)程數(shù)據(jù)

小小振動(dòng)臺(tái)的研發(fā)特色

1.與中學(xué)課程內(nèi)容可以有機(jī)結(jié)合，提高學(xué)生的科學(xué)興趣

振動(dòng)臺(tái)本身就是一種物理教具，通過振動(dòng)臺(tái)數(shù)據(jù)采集，提取相關(guān)數(shù)據(jù)分析，計(jì)算振動(dòng)臺(tái)平臺(tái)移動(dòng)的加速度、結(jié)構(gòu)水平位移等，其中涉及大量的初高中物理相關(guān)知識(shí)，如胡克定律、彈力、彈性勢(shì)能、彈力做功等。另外，與高中通用技術(shù)課程融合，有助于中學(xué)課程《通用技術(shù)》的教學(xué)，振動(dòng)臺(tái)包含的科學(xué)知識(shí)涉及《結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)》《結(jié)構(gòu)強(qiáng)度》《結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性》等相關(guān)內(nèi)容，可有助于加深相關(guān)教學(xué)內(nèi)容的理解。

2.激振震源創(chuàng)新，提升教具的科技水平

“小小振動(dòng)臺(tái)”摒棄了傳統(tǒng)教具多使用人工觸發(fā)的方式，采用可以精確控制作用力大小的彈簧進(jìn)行控制，以彈簧運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面的單向運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)臺(tái)面上的簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)模型發(fā)生自由振動(dòng)，具有較強(qiáng)的科技感。

3.可控自振頻率，模擬不同頻率的振動(dòng)

通過采用調(diào)整彈片剛度和質(zhì)量，控制系統(tǒng)自振頻率，可以實(shí)現(xiàn)模擬不同頻率的振動(dòng)，有別于簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)的固定自振頻率。

4.實(shí)驗(yàn)對(duì)象的多樣性，激發(fā)學(xué)生科學(xué)興趣

本系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)對(duì)象具有可擴(kuò)展性，可以模擬多種建筑，如一般建筑物、有過抗震加固的建筑物、采取減隔震技術(shù)的建筑物、不同結(jié)構(gòu)類型的建筑物等，還可以加工成不同外形的著名建筑物，以吸引學(xué)生興趣，激發(fā)學(xué)生科學(xué)興趣。

結(jié)束語

“小小振動(dòng)臺(tái)演示系統(tǒng)”的研發(fā)將地震科學(xué)知識(shí)與中學(xué)教學(xué)內(nèi)容有機(jī)結(jié)合，豐富了中小學(xué)生科學(xué)實(shí)踐器材，拓展了防震減災(zāi)科普實(shí)踐進(jìn)校園方式，宣傳了防震減災(zāi)科研成果，為提升青少年學(xué)生和社會(huì)公眾的防震減災(zāi)科學(xué)素質(zhì)進(jìn)行了一次有益的探索和嘗試。