地震模拟振动台能做些什么

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　　据新华社报道，我国将在天津建设世界上最大的地震工程模拟研究设施，这是继贵州“中国天眼”、广东散裂中子源等之后的又一国家大科学装置。该设施建成后，对于保障土木、水利、海洋、交通等重大工程的安全具有重要意义。

　　把建筑放在地震模拟振动台上

　　振动台系统的组成

　　地震是一种我们既熟悉又陌生的自然灾害，由于目前的科学技术手段还无法准确预报地震发生的时间、地点和幅度，所以研究如何抵御地震就显得非常重要了。

　　地震中所发生的伤亡很多是由于房屋倒塌所引起的，那么有没有办法避免房子等建筑物的倒塌呢?虽然建造一种在多大的地震中都不会倒的房子在技术上是可行的，但是从经济角度看却不合算。所以研究房屋、桥梁、隧道、大坝、管道、渡槽、输电线路的抗震性能，如何经济有效地降低地震所造成的损失就显得非常重要了。科学家们也提出了各种各样的减轻地震灾害的设想，比如给建筑物加上隔震垫、阻尼器等，让建筑物变得更加结实耐震。

　　那么，怎样知道这些减震方法是否有效，怎么才能知道建筑物能够承受多大幅度的地震呢?这些问题目前有两种主要的解决手段：一种是计算的方法，另一种是试验的方法。

　　早在20世纪40年代，美国就通过强震仪(一种记录地震振动的仪器)记录到了地震的运动波形，后来世界上安装了很多的强震仪，获得了更多地震的记录。所以，如果想知道一栋建筑物能承受多大的地震，一种方法就是在计算机中建立这个建筑的数学模型，然后输入各种幅度的震动，通过计算得到这个建筑物的变形和受力情况，以此判断建筑物是否会破坏或倒塌。这种计算方法需要知道建筑材料和几何尺寸的准确参数，也要保证计算方法可靠有效。

　　对于一些新型和复杂结构，由于建筑物本身的参数可能还不清楚，或者受力特征太过复杂，这个时候用计算方法算出来的结果可能就不可信了，甚至根本无法计算。这时可以考虑通过试验的手段来模拟地震的影响。通过试验来研究建筑物的抗震能力也有很多种方法，比如通过静力试验来测试构件的承载力，还有伪静力试验、拟动力试验、子结构混合试验等手段。不过试验效果最直观、试验加载最方便的试验手段还是振动台的试验方法。

　　振动台的思路其实非常朴实，就是把建筑物或建筑模型放在能够产生与真实地震非常类似的振动试验机上，看看它们会不会产生破坏。

　　从手摇振动台到电液伺服振动台

　　文献记录中最早的手摇式振动台

　　在1890年前后，一个英国人和日本学者合作研制了一种手摇的振动机，这个振动机看上去就像一架纺车，不过偏心轮连接到了一个轨道小车上，小的建筑模型放在轨道小车上进行试验。这种手摇的振动机也就是最简单的振动台，虽然也能产生简单的运动，但所产生的振动毕竟跟真实的地震差别太大，因此人们开始不断研制更加先进的设备用于模拟地震，而这种模拟地震的装置就称为地震模拟振动台。

　　利用试验机来模拟地震，仅仅能够产生运动显然是不够的，人们研究的目标是一种能够与实际地震的动力效应基本相同的振动台。通常的振动台需要一个刚性台面来放置建筑模型，然后设法使台面运动起来以模拟地震的影响。

　　在液压伺服和计算机控制技术得到充分利用之前，人们采用了各种手段来使台面运动起来，比如前面提到的偏心轮，还有利用摆锤和弹簧产生机械运动的方法，我国的研究人员也曾利用汽车发动机来为振动台台面提供动力，这种振动台一般只能产生周期性衰减振动或者周期性往复运动(也称为简谐振动)，而无法产生和真实地震接近的复杂振动。

　　目前的地震模拟振动台主要有两种驱动方式：液压伺服驱动和电磁驱动，液压伺服驱动是利用液压缸来推动振动台台面产生运动，电磁驱动的原理类似于电机和喇叭，通过电磁线圈产生电磁力来推动振动台台面运动。可想而知，电磁驱动振动台的推力一般较小，运动幅度一般也比较小，因此用于抗震研究的振动台基本上都是液压伺服式振动台。

　　液压缸又叫做电液伺服作动器，是利用液压源来产生动力，通过液压伺服阀来控制液压缸的运动方向和速度，由于液压伺服阀运动非常灵敏，在接收控制器的控制信号后可以产生快速的动作，因此液压伺服驱动的振动台可以产生各种复杂的运动，也能够很好地再现真实地震的振动。

　　最早的地震模拟振动台都是单方向振动的振动台，随后出现了水平双向振动台和三向六自由度振动台(这种振动台既可以水平向运动，也可以产生竖向振动，并且可以产生不同方向的转动)。振动台的控制器也从二极管、三极管组成的模拟电路发展成为嵌入式集成芯片和计算机控制相结合的数字控制系统。

　　振动台台阵系统模拟地震传播效应

　　北京工业大学工程结构试验中心地震模拟振动台九子台阵系统

　　地震产生的振动像水波一样，是从震源向四周扩散的。比如像苏通大桥这种主跨达到1千米以上的桥梁，两个桥墩的地震振动可能就不一样。地震波随着空间分布所产生的差异对结构物是有影响的，那怎么通过试验验证这种影响呢?这时就出现了振动台台阵系统。

　　所谓振动台台阵，就是多个振动台同时工作，每个振动台可以产生特定的地震波形，这样就可以模拟地震在大地中的传播效应了。目前世界上建造了很多的振动台台阵，国内也有很多单位已经建设和正在建造振动台台阵系统。不过国内这些地震模拟振动台台阵系统清一色都是进口的，而北京工业大学工程结构试验中心建成的地震模拟振动台九子台阵系统是完全国产的，该系统是目前世界上单台数量最多的振动台台阵系统，而且前期建设投资仅花费1000多万元。

　　对于多个振动台组成的振动台台阵来讲，怎样比较地震波形与台面实际波形的差异?怎样避免振动台产生自激振动(也就是乱动)?怎样协调各个振动台的运动?怎样提高振动台台阵的波形控制精度?怎样设计更好用的振动台台阵系统?要想建造中国自己的地震模拟振动台台阵系统，这些都是值得进一步研究的问题。

　　据资料显示，这次我国由天津大学牵头建设的大型地震工程模拟研究设施将由：地震工程模拟试验系统、高性能计算与仿真系统、试验配套与共享系统三大系统组成。主要建设内容包括：

　　  · 大型地震模拟振动台，三向六自由度，台面尺寸20×16米，载重1350吨;

　　  · 水下双子台可移动振动台台阵，三向六自由度，台面尺寸6×6米，移动范围45米;


　　  · 试验水池，最大水深3米，可模拟波浪、海流(河流)等复杂水动力环境;


　　  · 混合模拟设备与测试、计算、仿真设备。总建筑面积7.7万平方米，建设周期5年，总投资预计超过15亿元人民币。


　　这套地震模拟装置建成以后，将成为目前世界规模最大、功能最强的重大工程抗震模拟研究设施，必将有利于全面提升抵御自然灾害的综合防范能力。

　　目前世界上最大的地震模拟振动台

　　由于日本是一个多地震的国家，因此日本建造的地震模拟振动台最多，日本除了拥有几十个中小型地震模拟振动台以外，还建造了目前世界上最大的振动台E-Defense，名字的意思就是地震防御的意思。

　　E-Defense振动台的台面尺寸15米×20米，可以承载1200吨，因此按照建筑物的实际尺寸建造试验模型(当然试验模型的平面尺寸也不能超过振动台台面的大小)，这样可以更真实地再现建筑结构的抗震能力和破坏特征，有助于科学家们研发更有效的减震技术。

　　不过这个振动台的建设和运行费用也非常高昂，它的建造花费了3亿美元，每小时运行费用就需要5万元人民币。所以大型的地震模拟振动台虽然很有用处，却也是非常昂贵的试验设备。

　　来源：猜你会好奇公众号(ID：bjrbzkb-51801)，作者：纪金豹 北京工业大学高级实验师。