地震模拟振动台的发展及应用

2014-12-02赵晶

四川地震 2014年3期

赵晶

(四川省地震局，四川成都 610041)

1 地震模拟振动台的发展过程

最初的抗震试验研究主要在室外进行，是将强震观测仪器设置在地震区的房屋等结构上，等地震到来时观测记录房屋结构在强地震作用下的反应。由于强地震稀少，靠在地震区建筑物上进行强地震观测来获取地震反应的数据机会非常少，且实验周期长，满足不了抗震研究的发展需要。最初想用计算分析方法来进行抗震试验研究，但是结构进入非线性区后的数学模型难以给出。因而，提出了将房屋结构放到实验室里来进行抗震试验的构想，由此地震模拟振动台在20世纪60年代末应运而生了。地震模拟振动台系统最早出现在日本，1966年东京大学生产技术研究所建成了世界上第一台正弦振动台［1］。目前，日本主要有日立和三菱两大生产厂家生产振动台，此两家都是国际上知名的机械、电子制造业的大公司，实力很强。20世纪70年代末开始了三向六自由度地震模拟振动台的研制，日立公司、三菱公司均已成功完成。美国制造振动台最主要的厂家为MTS公司。MTS公司自1968年生产出第一台3.65 m×3.65 m单向地震模拟振动台后，这方面的发展很快，MTS公司现已成为世界上主要的振动台建造厂家之一［2］。此外，尚有美国的Wyle公司、日本的鹭宫制造所、德国的SCHENCK公司等均可承建地震模拟振动台。国内生产振动台比较有名的厂家是天水红山试验机厂，并已为国内多家学校、科研单位承建了多台地震模拟振动台［1-3］。地震模拟振动台的发展经历了一个长期的过程，在其振动波形、自由度数、控制方式等几个关键性的技术指标上都有逐渐进步的发展过程。

1.1 振动波形

地震模拟振动台早期多为机械式，进行的多是正弦波形运动试验，只有个别仪器可进行固定格式的随机波形运动试验。发展至电磁式振动台时，运动波形可以根据需要随意控制，且波形失真小，也有进行大位移、大出力的试验设备。而电液伺服控制的振动台则具有低频时出力大、位移大，台体部分具有激震机构体积小、重量轻、结构简单、安装方便，易于形成多项控制等优点，成为现在最为广泛应用的地震模拟振动台。

1.2 自由度数

1971年以前研制的振动台均为单自由度(单轴向)运动系统。1971年以后开始研制双轴向运动系统。1971年，MTS公司为美国加州伯克利分校建成了世界第一台水平和垂直双向的6.1 m×6.1 m地震模拟振动台［4-5］。1978年以后，开始研制三向六自由度运动系统。1978年，日立公司为日本国有铁道研究所研制了0.8 m ×0.5 m，载重0.2 t的三向六自由度地震模拟振动台［4］。

1.3 模控和数控方式

1972年以前的地震模拟振动台均为位移控制，1972年以后逐渐研制到了位移、速度和加速度三参量控制的反馈控制系统。1972年日立公司首先运用三参量控制原理，其中加速度反馈可以提高系统阻尼，速度反馈可以提高油注共振频率，运用三参量反馈控制方法对提高系统的动态特性和系统的频带宽度有很大的促进作用［5］。1975年以前的振动台采用的是频域控制方式，其最大的缺点是不能再现时间历程，1975年以后开始采用时间历程控制方式，并应用了自适应控制技术［1，4］。

2 地震模拟振动台的发展趋势

2.1 向大型发展

地震模拟振动台实验要求试验结构满足动力相似条件，在实际试验中很难让所有的模型参数都同时满足相似性条件，在资金允许的情况下，应尽量加大振动台的台面尺寸和承载重量，以克服模型尺寸效应影响。大型足尺寸试验是今后发展的趋势。例如核反应堆试验中，经常需要进行1:1的实物试验。日本2005年建成了台面尺寸为15 m×20 m，载重1 200 t的地震模拟振动台，现为世界上台面尺寸最大的地震模拟振动台［4-5］。

2.2 向台阵发展

对于管道、多跨桥梁等细长型结构，通过增大地震模拟振动台的规模并不合适，而通过将多台小型振动台组成台阵，进行大尺寸、多跨、多点地震波形运动输入的结构抗震试验更为合理有效。台阵中的单个振动台还可以分开独立进行小型结构试验［4-5］。日本最早建立了台阵，建设省土木研究所于1979年建立了4台3 m×2 m的单水平向地震模拟振动台组成的台阵［5］。

2.3 向全数字控制技术方向发展

地震模拟振动台控制系统一般由数字控制和模拟控制两部分进行混合控制。模拟控制是控制系统的基础，主要保证系统的稳定性、精准性，并且有运动频带宽、灵敏度高、抗干扰性强和线性好等特性。数字控制是模拟控制系统的补充和完善，主要体现在对控制信号的补偿方面。随着数控技术的发展，20世纪90年代中期开发了全数字控制技术，全数字控制技术是在地震模拟振动台液压伺服控制系统中，除了反馈传感器在进入闭环系统前采用模拟电路放大归一信号和伺服阀的阀控制器采用模拟信号外，其他部分全采用数字软件来实现。美国MTS公司已推出469D全数字控制器控制的振动台，这样使试验过程变得简单，易于操作。全数字控制技术有利于提高控制自动化程度及振动台控制精度，这些特性是未来的发展趋势［4-5］。

3 地震模拟振动台的应用领域

地震模拟振动台可以很好地再现地震产生的运动过程和进行人工地震波试验，它是在实验中研究结构地震反应和破坏机理最直接的方法。这种设备还可以用于研究结构动力特性、设备抗震性能以及检验结构的抗震性能等方面。另外，在原子能反应堆、海洋结构工程、水工结构、桥梁等方面也都发挥了重要的作用，而且其应用的领域仍在不断扩大。地震模拟振动台实验方法是目前抗震研究的重要手段之一，在地震模拟振动台上可以进行如下各种试验和研究［4］:(1)各类建筑物模型的动力特性试验;(2)各类建筑物模型在地震作用下的破坏机理研究;(3)各类建筑物模型的抗震措施研究;(4)各种机电设备和设施的耐震性试验研究;(5)各类机电产品的振动例行试验;(6)家庭用具和人体在地震作用下的反应研究。

地震虚拟仿真运动平台是四川省地震局汶川地震灾后恢复重建项目中的一项，全称为地震虚拟仿真运动平台科普教育系统。地震虚拟仿真运动平台采用计算机虚拟现实、数字仿真与信息可视化等先进技术。通过模拟地震时人能感受到的六自由度运动，为体验者提供地震时振动、抖动、扭动等运动感受，使体验者获得模拟的近似真实地震环境中运动的感觉。地震虚拟仿真运动平台也在地震模拟振动台实验方面有广泛的应用。地震虚拟仿真运动平台系统由六大部分组成:动感体验平台、地震虚拟仿真影音分系统、地震虚拟仿真综合应用平台、实时仿真分系统、控制分系统、辅助分系统。其核心部分的动感体验平台采用的是三向六自由度模拟地震振动的运动平台。动感体验平台由两部分组成，他们分别是电动六自由度并联机构平台和体验平台子系统。电动六自由度并联结构平台可以提供地震波带来的典型地震震动感觉，以及与场景变化相一致的姿态和加速度感觉。图1为动感体验平台配置示意图。体验平台系统为体验者提供震动平台、座椅、安全装置等，是支撑观众体验的物理环境，由平台结构、座椅、平台通道三部分组成。平台外形尺寸为5 m×5 m，底部通过三个铰链支座用螺栓与电动六自由度并联机构平台相连接。平台上安装有30个安全座椅，四周安装围挡。图2为体验平台子系统的设计实景图。地震虚拟仿真运动平台科普教育系统目前主体部分已经验收，余下的配套工程(如平台环境工程)正在有序地进行。该系统建成后，将作为四川省地震灾害紧急救援队的训练平台。同时，也会对社会公众开放，使参观者在模拟的地震环境中学习掌握各种防震减灾、自救互救的知识和技能。

4 结束语

地震模拟振动台的发展经历了一个长期的过程，其发展历程主要体现在振动波形、自由度数、模拟方式、控制方式等四个关键的技术方面，他们是逐渐发展与进步的。未来地震模拟振动台定会向大尺寸和台阵式建设发展，而全数字控制技术和可视化的菜单式操作也是未来的发展趋势。四川省地震局正在研制建设中的地震虚拟仿真运动平台系统将会为地震灾害紧急救援队的训练和广大民众学习、掌握各种防震减灾、自救互救的知识和技能提供强有力的支持和保证。