西南交通大學8m×10m地震模擬振動臺運行對場地振動的影響分析

劉必燈 郭迅

1）北京市勞動保護科學研究所，北京 100054

2）防災科技學院土木工程學院，河北三河 065201

0 引言

大型地震模擬振動臺是地震工程及結(jié)構動力學研究的重要實驗工具，振動臺實驗是探討構件、子結(jié)構及結(jié)構系統(tǒng)承受地震等動力荷載下響應規(guī)律的最有效方式之一。多地震的日本、美國和中國等是全球應用地震模擬振動臺最早和最多的國家，其應用均起源于20世紀60年代，據(jù)不完全統(tǒng)計，僅日本已建成并投入使用的振動臺（含臺陣）數(shù)量就超過40臺（黃浩華，2008）。經(jīng)過50多年的發(fā)展，地震模擬振動臺逐漸向多自由度、多臺陣及大尺寸、大承載力方向發(fā)展。大型地震模擬振動臺作為重要的人工振源，其運行除激發(fā)模型振動外，誘發(fā)的基礎振動還會對周圍建筑及場地產(chǎn)生振動污染，其振動影響問題已引起了諸多關注，尤其是在其周圍布置精加工車間或精密儀器實驗室時更甚。迄今為止，國內(nèi)外有關機器運行、車輛運行振動影響的研究較多（劉衛(wèi)豐等，2013；曹艷梅，2006；黃菊花等，2001；李毅等，2010），但關于振動臺運行影響的研究則開展較少。黃浩華（2008）、侯興民等（2003）使用傳遞函數(shù)法對振動臺振動影響作過理論計算；劉必燈等（2016）對防災科技學院3m×3m振動臺運行誘發(fā)振動臺基礎及周圍場地振動的實測結(jié)果表明，該振動臺載重7t試件并輸入1.5g調(diào)幅汶川地震臥龍臺地震動時，實驗室室內(nèi)地面最大加速度峰值僅為5gal；Ren等（2013）通過實測和有限元計算對同濟大學四臺陣振動臺運行誘發(fā)場地振動進行分析后指出，單臺滿載1.2g運行時誘發(fā)基礎邊緣振動小于5gal；Luco等（2011）測試了美國圣地亞哥加州大學（University of California，San Diego，UCSD）室外振動臺運行誘發(fā)的基礎最大振幅，并指出基礎運動的剛體運動特性。

環(huán)境振動對建筑安全及人員舒適性的影響不容小覷，因此國內(nèi)外對振動影響限值都有相關規(guī)定。考察環(huán)境振動對建筑安全的影響時，國內(nèi)外大多以建筑基礎處振動加速度必須小于100gal為依據(jù)，這相當于在Ⅶ度烈度區(qū)內(nèi)地震所致結(jié)構輕微破壞但可修復的范圍；考察機器設備運行對周圍環(huán)境振動污染影響時，黃浩華（2008）給出的振動評價標準上限為距基礎邊緣10m處振動加速度有效值小于10gal。德國標準DIN4150-3-19規(guī)定以建筑物基礎處任意方向的最大振速來評價振動對建筑的影響，并指出工商業(yè)建筑和民用建筑基礎最大振速分別不應大于50、20mm／s。《機器動荷載作用下建筑物承重結(jié)構的振動計算和隔振設計規(guī)程（YBJ55-90）》（冶金工業(yè)部建筑研究總院，1990）規(guī)定以水平振速來評價振動對人們正常工作和生活帶來的干擾，并指出對于學校、宿舍及辦公室最大振速應不大于2mm／s。美國的部分研究人員建議（曹艷梅，2006），為確保精密儀器或設備正常工作，應將其臺座安裝區(qū)環(huán)境振動加速度和振幅分別控制在1gal和1μm以內(nèi)。此外，國內(nèi)外研究表明也可以最大Z振級或分頻振級作為評價場地振動對人員舒適性是否超標的指標，以VC或VC-F標準作為精密儀器基座設計的指標（徐建，2002）。

我國西南交通大學陸地交通地質(zhì)災害防治技術國家工程實驗室擁有目前國內(nèi)最大的雙臺陣地震模擬振動臺系統(tǒng)（http：／／nedl.swjtu.edu.cn／）。該三向六自由度主臺面尺寸8m×10m，鋼臺面自重140t，負載能力160t，最大水平位移雙向60cm，最大水平加速度雙向1.0g，遠期豎向加速度2.0g；三向六自由度輔臺面尺寸3m×5m，可按帶狀溝槽任意移動，鋼臺面自重10t，負載能力30t，三向最大加速度均達1.8g。雙臺陣系統(tǒng)中心最大距離可達35m，適合大比例尺長跨橋梁、大跨空間結(jié)構的地震模擬實驗要求，主設備由美國MTS公司設計制造，臺陣系統(tǒng)示意圖見圖1。主臺160t的負載能力和80m2的臺面尺寸僅次于日本NIED（National Research Institute of Earthquake Science and Disaster Resilience）于1970年建成的15.0m×14.5m／1000t兩自由度振動臺和2004年建成的20m×15m／1200t三向六自由度振動臺（E-Defence實驗室）以及美國圣地亞哥加州大學于2009年改造完成的12.2m×7.6m／400t四自由度振動臺。就臺面尺寸、負載能力及自由度數(shù)量綜合考量，我國西南交通大學振動臺系統(tǒng)規(guī)模為國內(nèi)最大、世界第2大，僅次于日本E-Defence實驗室的振動臺，因此對其運行質(zhì)量及振動影響進行評價具有示范效應。該振動臺系統(tǒng)主臺周圍設置了隔振空溝用于消減振源振動的影響。

我們于2017年初開展了該振動臺運行誘發(fā)場地振動影響實驗。實驗目的除驗證振動臺對信號的實現(xiàn)精度外，還考察其運行對建筑基礎及場地的振動影響，并研究其外圍隔振溝的隔振效果。具體目標包含：①振動臺實現(xiàn)正弦、隨機及地震信號的能力，以及振動臺水平（豎向）單向輸入時伴生的豎向（水平向）振動量值，以考察振動臺受控性能；②振動臺運行誘發(fā)實驗室室內(nèi)場地的加速度和速度影響；③豎向隔振空溝對振動傳播的隔振效果評價。

圖1 西南交通大學雙臺陣系統(tǒng)示意圖

1 實驗概況及測試設備

在主臺臺面上固定160t實芯鋼筋混凝土配重塊進行振動臺伴生振動、振動影響及隔振效果評價實驗。首先，輸入不同頻率和幅值的正弦信號、隨機信號（白噪聲）、非平穩(wěn)地震信號及三向平動和三向轉(zhuǎn)動信號，以測試振動臺系統(tǒng)對輸入信號實現(xiàn)的精度、受控性能及頻響特性；然后，輸入正弦信號測試臺面運動對振動臺基礎和場地的振動影響，并進行隔振溝的隔振效果評價。

為達到上述目標，在振動臺臺面上布設1個測點，安裝三方向或兩方向加速度傳感器以獲取振源輸入信號；在振動臺基礎外一定距離的實驗室室內(nèi)地面上布設2個測點，對稱分列于隔振空溝兩側(cè)，獲取豎向或水平向振動加速度，用于評價振動臺環(huán)境振動影響及隔振空溝的隔振效果。測點布設如圖2所示。實驗中使用了中國地震局工程力學研究所研制的941B型多功能低頻振動傳感器、941型信號調(diào)理儀及美國Spectral Dynamics公司研制的16位DSP SigLab 20-42型動態(tài)信號采集分析儀進行數(shù)據(jù)采集分析（圖3）。

圖2 測點布設圖

圖3 振動采集設備

941B型多功能振動傳感器是國內(nèi)低頻振動信號測試的典型類傳感器，具有尺寸小、頻帶寬、分辨率高、動態(tài)范圍大且無需供電等特點，通過檔位切換可進行加速度或速度直接測量，并能與硬件積分器（如941型信號調(diào)理儀）配合實時測量動態(tài)位移，本實驗中使用其加速度檔進行加速度測試，具體技術指標見表1。配接的941型信號調(diào)理儀具有高陡度濾波、多檔位信號放大、多檔位信號積分等功能，本實驗中采用硬件放大功能進行微振信號放大，并采用其內(nèi)置的模擬濾波器濾波，具體技術指標見表2。整套系統(tǒng)獲取信號的有效頻帶為0.25～35.00Hz（-40dB／oct），系統(tǒng)靈敏度為0.3V／（m／s2），分辨率為5×10-6m／s2，動態(tài)范圍達132dB。

表1 941B型振動傳感器加速度檔技術指標

表2 941型信號調(diào)理儀放大功能技術指標

SigLab 20-42型數(shù)據(jù)采集儀具有4通道信號采集、2通道模擬信號發(fā)生功能，且各通道可獨立同步采樣和分析，經(jīng)高陡度數(shù)字抗混濾波后，每通道可采集上至20kHz的信號。盡管該采集儀分辨率僅16位，但可用動態(tài)范圍可達90dB。SigLab采集儀能實時調(diào)動Matlab的強大分析功能，可實現(xiàn)實時數(shù)字信號的時頻分析。

2 測試結(jié)果分析

本研究首先驗證了振動臺實現(xiàn)輸入目標的能力及頻響特性，并研究了振動臺水平（豎向）單向輸入時伴生的豎向（水平向）振動水平，以考察振動臺的受控性能；然后考察了振動臺運行對實驗室室內(nèi)場地加速度和速度的影響；最后評價了隔振溝的隔振效果。

2.1 振動臺實現(xiàn)目標的能力及頻響特性

三向六自由度振動臺通過閉環(huán)迭代全數(shù)字控制技術，理論上可實現(xiàn)三向／雙向／單向輸入的精確控制。本實驗中分別輸入不同頻率和幅值的簡諧信號、平穩(wěn)隨機信號（白噪聲）和非平穩(wěn)地震信號（ElCentro地震動）進行驗證。圖4給出了ElCentro三向地震動輸入下臺面的實際響應。由圖4可見，振動臺對非平穩(wěn)地震動信號重現(xiàn)度很好。

為驗證振動臺的頻響特性，輸入不同方向的寬頻帶平穩(wěn)隨機振動信號（白噪聲）以分析其輸出信號的頻譜特性。本實驗首先輸入幅值約0.2g的平動隨機信號，包括橫向、縱向和垂直向，并利用SigLab動態(tài)數(shù)據(jù)采集分析儀實時對信號進行自功率譜分析（圖5）。由圖5（a）可見，大幅值豎向輸出信號在35Hz以下頻譜平坦，這表明振動臺在35Hz測試系統(tǒng)通頻帶上限內(nèi)豎向平動受控性很好，沒有常見的“馬鞍形”；由圖5（b）～5（d）可見，顯著幅值下輸出信號頻譜平坦，這表明振動臺在35Hz測試系統(tǒng)通頻帶上限內(nèi)轉(zhuǎn)體運動受控性很好。

2.2 振動臺單向輸入時伴生振動

圖4 振動臺重現(xiàn)ElCentro三分量地震動

圖5 振動臺輸入隨機信號工況的時頻結(jié)果

如果振動臺只輸入單向振動，則臺面在另外2個方向?qū)偃蹩貭顟B(tài)，從而會產(chǎn)生伴生振動，圖6為工況4輸入25Hz／0.6g水平向振動時臺面3個方向振動波形。如圖6所示，當臺面輸入單水平向25Hz／0.6g的正弦運動時，另外2個方向同時產(chǎn)生同頻率不等幅的伴生振動。把振動臺實現(xiàn)原始輸入加速度幅值偏差相對于原始輸入幅值百分比定義為誤差率（%），把其伴生振動加速度幅值相對于原始輸入幅值百分比定義為伴生率（%），把實驗室場地實測加速度幅值相對于臺面振動幅值百分比定義為加速度影響率（%），本研究給出了8組工況下振動臺運行的誤差率、伴生率及加速度影響率計算結(jié)果（表3）。從表3可知，臺面實現(xiàn)目標振動的能力較強，臺面能精確實現(xiàn)目標振動的頻率，且實現(xiàn)振幅的能力也完全控制在5%誤差范圍以內(nèi)，個別工況甚至低于1%。由于所有工況均使用單向輸入，伴生振動明顯，豎向輸入伴生水平振動的伴生率為18.6%；水平輸入伴生另一水平向振動的伴生率為14.7%；水平輸入伴生豎向振動的伴生率分別為21.1%、28.9%、81.8%，且隨著輸入振動頻率的增加，伴生振動越明顯。

圖6 工況4輸入25Hz／0.6g水平向振動時臺面3個方向振動波形

表3 振動臺輸入不同簡諧振動時波形重現(xiàn)、伴生振動及振動影響情況

2.3 振動臺運行引起室內(nèi)場地振動的影響評價

振動臺運行對周圍建筑及場地的振動影響問題值得關注。本實驗對5種不同簡諧信號輸入工況下實驗室內(nèi)場地振動加速度進行了測試，并利用理論公式計算了振動速度，以評估振動對建筑結(jié)構安全及使用舒適性的影響。

2.3.1 振動影響加速度實測結(jié)果

本實驗獲取了所有5種簡諧振動工況下振動臺實驗室基礎外場地地表加速度信號情況，圖7為2個典型工況下實驗室臺面及地面振動信號圖。從圖7可知，實驗室室內(nèi)地面、臺面振動屬同頻振動。振動臺運行對場地振動影響的結(jié)果匯總于表3，通過分析可知，振動臺運行對室內(nèi)地面的振動影響均小于0.019g（19gal），影響率均小于9%，且基本表現(xiàn)為隨著輸入振動頻率的增加，振動的影響變小，振動臺輸入30Hz水平向0.32g正弦振動時豎向和水平向振動均小于5gal。對照振動評價標準（曹艷梅，2006）可知，精密儀器設備的臺座安裝區(qū)環(huán)境振動加速度和振幅應分別控制在1gal和1μm以內(nèi)，因此參考測試點振動水平會影響不采取任何隔振措施的精密儀器的正常工作。

為評價振動對建筑結(jié)構安全的影響，需獲取建筑基礎及基礎內(nèi)推10m處的振動水平，由于本實驗中未在這2個參考點處布設測點，故采用了已有測點數(shù)據(jù)并結(jié)合振動衰減擬合公式進行振動水平估計。依據(jù)《建筑振動工程手冊》（徐建，2002）中式1.2.33的假設，將振動臺運行引起基礎振動及周圍場地振動為動力面源產(chǎn)生的體波和面波向周圍地基土輻射，并利用忽略體波和面波之間相位差的近似衰減計算公式（《建筑振動工程手冊》（徐建，2002）中圖1.2.13），得到振動衰減率隨振源距離的變化（表4）。

本實驗中振動臺實驗室廠房基礎及周圍實驗室基礎與用于評估振動臺基礎振動的隔振溝內(nèi)測點的間距均大于15m。據(jù)表4可知，加速度經(jīng)這一距離衰減后，振動量至少減少為該測點振動的17%甚至更小，所以廠房及周圍實驗室基礎的最大加速度影響不大于3.2gal（由17%×19gal獲得），這一量值僅相當于重載車從室外通過時引起一層窗臺的振動程度，遠小于設計限值100gal，不會對建筑安全造成任何影響。如果以建筑基礎內(nèi)推10m作為評判振動對建筑振動污染影響的參考點，這一參考點也至少距評估基礎振動隔振溝內(nèi)測點5m以上，按照表4的衰減規(guī)律，該參考振動加速度有效值不會超過6.6gal（由0.707×49%×19gal獲得），小于推薦值10gal，不會對建筑使用造成振動污染影響。

2.3.2 振動影響加速度理論估算結(jié)果

劉必燈等（2016）對防災科技學院振動臺運行誘發(fā)基礎及周邊場地振動影響的實驗研究表明，將振動臺基礎簡化為單自由度質(zhì)點-彈簧-阻尼模型，地基土提供彈性力和阻尼，振動臺運行視為施加于基礎上的動力荷載的剛體運動假設是可行的，并指出振動臺運行誘發(fā)基礎振動可認為是對廠房及周邊場地造成影響的振源。如果本研究中也把振動臺運行和振動臺基礎振動之間的相互作用簡化為作用力與反作用力關系模型，則可利用二者質(zhì)量關系簡單估算基礎振動加速度。

該臺陣系統(tǒng)基礎輪廓長50m，寬24m，深10m（圖1），由于基礎沿縱向延展較長，小臺滑道段基礎對大臺運行所致基礎振動參振比例小，故本理論振動估算時只考慮大臺所在區(qū)域基礎深度不變部分。該部分體積V和質(zhì)量m可按下式計算

圖7 典型簡諧信號輸入時隔振溝內(nèi)外兩測點振動信號

按照動量守恒定律，滿載（140+160）t臺面豎向加速度滿負荷（2g）所致基礎豎向振動加速度az可按下式計算

按表4的衰減規(guī)律，距振動臺基礎15m外最大振動不會超過12gal（由71gal×17%獲得），這表明即使振動臺滿載滿負荷運行，也不會影響建筑結(jié)構安全。如果按本實驗中工況1的0.22g簡諧信號加載模式，則振動臺基礎外15m處振動加速度幅值理論值將小于1.3gal（由17%×［（140+160）×0.22］／8506＝0.0013g＝1.3gal獲得），該理論估算值比實測值還要小。

表4 振動隨距離衰減的經(jīng)驗估計

2.3.3 振動影響速度結(jié)果

按《機器動荷載作用下建筑物承重結(jié)構的振動計算和隔振設計規(guī)程（YBJ 55-90）》（冶金工業(yè)部建筑研究總院，1990）規(guī)定，振速是影響人員舒適性的主要評價指標，對于學校、宿舍及辦公室最大振速應不大于2mm／s。由于臺面輸入與基礎及周圍場地運動均為關聯(lián)的規(guī)則簡諧振動，故本研究采用如下簡諧運動關系的理論計算公式，由加速度估計振速（Chopra，2001）

式中，v（t）、a（t）分別為速度、加速度時程；ω為振動圓頻率，由 ω＝2πf進行計算（f為振動頻率）；t為時間；Av、Aa分別為速度、加速度穩(wěn)態(tài)幅值。

通過式（4）、（5）的振動加速度和速度的關系，可獲得速度峰值與加速度峰值間的關系如下

式中，vmax、amax分別為速度、加速度峰值。

經(jīng)計算，各測點振動影響振速峰值示于表3。從表3可知，各工況振速峰值均小于2mm／s，這一振動水平不會對人們正常工作和生活帶來任何干擾。

根據(jù)黃浩華（2008）的觀點，同樣的力峰值驅(qū)動下，瞬態(tài)激振（地震波振動）引起的基礎振動約為穩(wěn)態(tài)激振（正弦波振動）的1／10。因此，實驗室用于地震模擬時振動臺運行引起的振動影響將更小。

2.4 隔振溝隔振效果評價

該實驗室在振動臺基礎周圍設置了隔振空溝以消減振動臺的環(huán)境振動影響，但該隔振溝是否能起到隔振效果，應依據(jù)具體情況進行分析。以往隔振溝隔振效果研究大都集中在數(shù)值實驗上，陳云敏等（2002）利用波動數(shù)值模擬分析指出，對于打樁誘發(fā)振動設置隔振溝時其后方存在5m的無效區(qū)，并指出隔振效果隨著溝深的增加，一般取0.6倍波長才會顯現(xiàn)隔振效果；鄧亞虹等（2006）的數(shù)值模擬分析表明，對車輛運行誘發(fā)的振動設置隔振溝時其后方存在一定的振動增強現(xiàn)象。本實驗在隔振溝兩側(cè)分別布置了測點A、B（圖2），2個測點相距4.5m，測試方向完全相同，圖8為振動臺臺面輸入0.22g豎向20Hz正弦振動時2個測點的振動波形圖。由圖8可見，溝外測點B與溝內(nèi)測點A的豎向振動相位正好相反，且振動量稍大，這表明溝外測點B為隔振溝后方的響應增強區(qū)，此時隔振溝不僅對該豎向簡諧振動無隔振效果，還加大了其響應。通過研究首次振動到達時間發(fā)現(xiàn)，2個測點振動正好相差半個周期，這說明該簡諧振動波長約為9m，且隔振溝對該豎向簡諧振動無隔振效果。因此，本研究建議，隔振溝深度至少要大于5.4m（由0.6×9m得到）（陳云敏等，2002）才能有效隔離這一頻率的振動，而在本實驗室條件下建設超過5m深的隔振空溝基本不可能，所以隔振效果不明顯也可理解。

圖8 工況1臺面輸入0.22g豎向20Hz簡諧振動時隔震溝內(nèi)A點和溝外B點豎向振動波形

3 結(jié)論

對目前全國規(guī)模最大的地震模擬振動臺系統(tǒng)——西南交通大學陸地交通地質(zhì)災害防治技術國家工程實驗室雙臺陣中的8m×10m／160t主振動臺的運行質(zhì)量及振動現(xiàn)狀的現(xiàn)場測試和分析表明：

（1）該振動臺在工作頻段內(nèi)受控性能很好，對非平穩(wěn)地震動信號重現(xiàn)度很高。

（2）該振動臺滿載、滿負荷運行對實驗室建筑基礎處及內(nèi)推10m內(nèi)地面的振動加速度影響實測值不超過6.6gal，這既不會對實驗室廠房及周圍附屬辦公建筑的結(jié)構安全造成影響，也不會對建筑使用造成振動污染影響；對室內(nèi)地面的振動速度影響實測值小于2mm／s，不會對人們正常工作和生活造成明顯影響。

（3）振動臺基礎周圍設置的隔振溝對20～30Hz簡諧振動隔振效果甚微，主要原因是隔振溝深度不足。

鑒于該振動臺的規(guī)模，對其運行誘發(fā)的環(huán)境振動影響分析具有示范效應。但振動臺運行引起的地面振動衰減規(guī)律及隔振溝對非平穩(wěn)地震動的隔振效果還有待進一步深入研究。

致謝：感謝西南交通大學陸地交通地質(zhì)災害防治技術國家工程實驗室工作人員，尤其是趙燦暉教授在現(xiàn)場測試方面提供的幫助和支持，感謝美國美特斯（MTS）工業(yè)系統(tǒng)（中國）有限公司在振動臺技術參數(shù)方面提供的咨詢支持及無償提供的效果圖。