伺服电机驱动振动台研制及系统性能评价*

王 海, 王永志, 刘荟达, 寇宇平, 袁晓铭, 孙 锐

(中国地震局 工程力学研究所 地震工程与工程振动重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150080)

伺服电机驱动振动台研制及系统性能评价*

王 海, 王永志, 刘荟达, 寇宇平, 袁晓铭, 孙 锐

(中国地震局 工程力学研究所 地震工程与工程振动重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150080)

比较目前主流的电液式驱动振动台，伺服电机驱动振动台具有结构紧凑、无油源噪音、维护简单、频带宽等优点，是新一代振动台发展的一个主要方向。介绍了一台与ANCO联合研制的伺服电机驱动振动台，负载2 t、台面2.2 m×1.2 m，其试验系统配置了刚性与剪切试样箱、微型CPT、SPT及DPT试验装置。设计和开展多种地震波下空台、干砂与饱和砂对比试验，综合评价了系统性能，具有较好任意波控制能力和复现精度，给出了输出特性与迭代次数、放大倍数和负载质量之间的关联性。谱比结果表明：饱和砂层对比干砂层在不小于1 s周期上呈现显著放大效应，尤其是孔压达到峰值后。刚性箱具有较强端壁效应，距两端壁0.2 m处一对竖向加速度计记录了较大幅度反相位时程。

机电工程；振动台；伺服电机；性能评价；砂土液化；谱比

0 引 言

物理模型试验根据研究目标，人为控制试验条件，恰当设计物理试样，观测真实土体的变形和破坏过程，为认识岩土震害发生机制和发展灾变防控技术补充丰富的海量数据包，是岩土地震工程和土动力学发展的重要奠基石。振动台用于各类地基和岩土结构物的地震模拟，是目前岩土工程和地震工程领域重要的大型科学试验设备[1-9]。

关于振动台研制技术和设计方法，目前国内已有较多系统而成熟的研究。为简要回顾振动台发展历程与阐述当前水平，仅列出一些具有代表性研究成果。黄浩华[1]介绍了国内外振动台发展历史，对比机械、电动(磁)和电液式振动台优缺点，且详细论述了地震模拟振动台设计与应用技术；韩俊伟等[3]针对电液式振动台控制器设计方法，应用极点配置原理提出和引入了三状态伺服控制算法，较大程度提高了振动台系统加速度响应频宽与系统稳定性；高春华等[4]对国内振动台的发展历史、控制算法和试验技术等进行了总结和分析，评述了振动台的发展趋势及试验技术发展重点方向；李青宁等[5]提出了单振动台扩展系统概念和设计方法，利用单振动台实现了大跨结构多点激励试验研究。在振动台应用方面，国内也取得了较为广泛丰硕的成果，研究内容涉及地基动力响应分析[6]、砂土液化震陷[7]、堤坝与边坡抗震性能评价[8]、地下结构物、桥梁地震破坏和重大工程加固设计[9]等多个方面，很大程度地推动了岩土地震工程理论和防震减灾技术发展。

电液式振动台与机械、电动(磁)振动台相比，具有大出力、高行程和较好任意波复现能力等，是目前国内外地震模拟振动台采用的主要驱动型式；但电液振动台也具有体积大、油源噪音高、维护繁重、高频能力有限等缺点[10]。随着近些年交流伺服电机和全数字控制技术的快速发展，伺服电机作为一种新型动力源，目前已应用于机床加工、包装、纺织、自动化、机器人、主动测量等多个工业生产和科学实验领域中[11-18]。伺服电机与电液式驱动系统比较，具有结构紧凑、无油源噪音、维护简单、频带宽等优点，是新一代振动台发展的一个主要方向[17-18]，但目前国内在该方面研究甚少。为此，中国地震局工程力学研究所与美国ANCO公司联合研制引进了国内第一台全数字交流伺服电机驱动振动台地震模拟系统。笔者介绍了系统的设备构成、性能指标、试验辅助配置和设计方法；评价了伺服电机系统振动控制性能，分析了振动台的动力输出特性及关联因素。通过平行试验，验证了液化对场地特性基本影响规律和试验箱可靠性，为2008年“汶川地震”和2011年“新西兰地震”量大面广液化灾害有关振动台试验研究提供参考和指导。

1 设备构成

与ANCO公司联合研制的全数字伺服电机驱动振动台主体设备如图1，包含伺服电机、振动台面、联动杆及辅助杆和直线性导轨等，还有控制柜和计算机系统。其主要性能参数：台面尺寸2.2 m×1.2 m，有效负载2 t，最大加速度1 g，最大位移10 cm，频宽0～100 Hz。与一般伺服电机系统对比[1,11-12,15-18]，该振动台特点是：联动杆与台面垂直布置，直接利用单周角位移实现台面位移目标控制，同时联动杆可以更换不同尺寸以满足不同位移需求，保证响应精度和控制稳定性同时，解决了以往伺服电机系统大位移的难题。系统控制模块包含扫频模块、谱模块、信号发生器模块、瞬态模块、振动模块、IEEE344检测模块以及半自动报告生成模块，分别可实现任意正余弦波、扫频波、矩形波、地震波以及任意自定义波设置。

图1 伺服电机驱动振动台主体设备Fig. 1 Main body of servo-motor driven shaking table system

本系统装备了较完善的试验装置。试验数采系统采用便携多功能TMR200采集仪(日本TML公司)，搭载了ICP加速度、孔隙水压、位移、应变和热电偶等采集功能。试样模型箱分为刚性箱和剪切叠层箱两类，每类包含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(长×宽×高)这3种尺寸，以满足不同尺度和用途试验需求。根据精细化制样要求，系统配置了自行开发研制的砂雨法相对密度控制样设备。此外，还配置了弯曲元测试系统，微型SPT，CPT和DPT测试系统，可实现模拟激振前后，土体静态力学特征参数量测需求，为液化发生条件和场地震后静态特性的变化认知提供必要条件。

2 性能评价

设计空台、干砂试样两种负载工况，在多条地震波、不同放大倍数、不同迭代次数的激振试验，以较全面地分析和评价本伺服电机驱动振动台设备动态性能及关联因素，为改进设备性能和试验设计提供参考。

2.1 试验设计

试验选用EL CENTRO，KAK090，QIANAN，TANGSHAN和WILDLIFEDOWN等5个历史地震记录作为荷载输入，进行不同幅值下系统控制性能测试，各地震波反应谱如图2，图2中每条波PGA均调整为0.1 g。

图2 不同地震波反应谱(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

各地震波分别具有不同的周期成分，用于充分认识振动控制系统在不同频段内的响应特性。各地震波幅值的调整，通过改变控制模块中放大倍数实现，试验中各地震波输入荷载PGA与放大倍数的关系列于表1。

表1 地震波输入荷载PGA与放大倍数关系

以空台和干砂试样两种负载工况,检验负载变化对控制特性影响和系统稳定性。在这两种工况下，分别进行表1中17次地震波输入负载试验。两种工况方案设计与量测传感器布局，如图3。在性能评价试验中，仅选用加速度计进行量测，将通过时程记录和反应谱比分析振动台可控能力。图3(a)中仅布设了两个加速计，分别位于台面中心和台面边缘(远端)。图3(b)中干砂试样选用标准福建砂，试样箱选用内尺寸为0.8 m(长)×0.6 m(宽)×0.5 m(高)的刚性箱，试样高度0.26 m，布设加速度计共6个，其中干砂试样中心处沿高度布设3个，台面布设1个，箱端壁上下各布设1个。干砂试样采用自行研制的砂雨法装置进行分层制模，选用福建标准砂时，砂土相对密度可控制范围为30%～90%，本振动台性能评价试验中干砂试样相对密度控制为70%。因篇幅有限，所用砂雨法装置及制样效果将另作介绍。

图3 两种负载工况Fig. 3 Two loading conditions

2.2 结果分析

空台试验工况下，将表1中每一种地震波数次不同PGA,输入下台面中心、台面边缘加速度记录反应谱,进行归一化和均值处理，然后与输入加速度反应谱各周期点幅值作比值处理，其结果如图4。

图4 不同地震波输出与输入反应谱比Fig. 4 Spectral ratios of input and output of different earthquake waves

可以看出，不同种类、不同PGA地震波输入下，振动台系统表现出较为一致的响应特性，在0.4～20 Hz频带内具有较好复现能力，其中EL CENTRO和TANGSHAN地震波控制最为稳定。图4中1～10 Hz内还呈现出一系列谐振带，推断原因为联动机械构件和控制单元固有谐振引起。台面中心与台面边缘加速度记录比较，除QIANAN波外，基本无差异，表明台面具有很好的刚性和均匀性。总体而言，本伺服电机驱动振动台系统可满足常规岩土地震工程试验需求，高频控制特性相对较好，而低频响应能力需做进一步分析和改善，以满足特殊岩土破坏现象研究需要，比如地震中断层附近的低频大位移岩土震害现象。

在空台和干砂试样两种工况下，分别获得了不同PGA输入下同一种地震波的时程复现情况，但因篇幅有限，在此仅给出EL CENTRO与TANGSHAN两种波的台面时程记录，如图5。不难发现，在PGA≤0.1 g地震荷载输入下，实测记录表明系统具有一定放大效应，PGA 0.06 g EL CENTRO波和PGA 0.05 g TANGSHAN波输入下，台面获得PGA分别为0.10 g和0.07 g；而0.1 g

图5 不同PGA输入下台面地震波时程Fig. 5 Time histories of earthquake wave on the shaking table with different PGA input

图6给出了空台与干砂试样两种工况测试中，EL CENTRO波在不同倍数输入下台面加速度记录正负峰值与输入时程对比。通过3个不同倍数输入下比较，干砂试样测试中加速度时程与空台存在一定差异，表明负载情况与系统控制特性存在一定关联；二者差异处于许可范围内，表明系统配重和反力基础动力参数设计合理，系统输出具有较好重复性。跟随放大倍数增加，台面记录时程正负峰值线性增大，验证了系统具有良好的线性强度控制能力，就EL CENTRO波而言，控制模块放大倍数处于2～10之间，系统动力输出呈现良好线性特征。

图6 EL CENTRO波不同放大倍数下两种工况正负峰值比较Fig. 6 Positive and negative peak comparisons of EL CENTRO earthquake with different input amplification factors in two loading conditions

3 平行试验

为认识液化对场地特性的影响，进一步评价系统试验功能，笔者还开展了一组干砂试样与饱和砂试样对比平行试验。

3.1 试验设计

砂样仍选用福建标准砂，模型尺寸和量测传感器布设如图7，平行对比试验中除干砂试样中未配置孔(隙水)压传感器，其余量测传感器布设数量和位置相同，各传感器布设参考方法见文献[18]。模型箱仍选用内尺寸0.8 m(长)×0.6 m(宽)×0.5 m(高)的刚性箱，试样高度0.43 m。砂样制作采用砂雨制作，从底层开始高度每增加10 cm或11 cm布设4个标定盒，通过标定盒量测获得饱和砂试样平均相对密度35%，干砂试样平均相对密度68%。试验荷载选取EL CENTRO地震波，目标PGA为0.27，0.33，0.435 g这3种强度连续试验。另外为了解试样箱端壁处土体的运动情况，除水平加速度传感器，还在试样埋深0.22 m和距离两端壁0.2 m处布设了两个竖向传感器，标号分别为A15和A16。

图7 平行试验设计与量测传感器布设Fig. 7 Parallel test design and configuration of measuring sensors

3.2 结果分析

饱和砂与干砂对比平行试验分别获得了土体中不同位置处的加速度记录，但因篇幅限制，仅给出PGA为0.27 g试验中具有代表意义的结果。图8为平行试验中土表加速度计A8测试结果对比；图9为地表加速度计A8，A9，A10与试样底层土加速度计A2，A3，A4比较的谱比结果。

根据图8结果，可以直观发现饱和试验和干砂试验对比，在7.2 s附近第一个峰值处开始出现差异，饱和试验在峰值之后呈现相对明显长周期成分，局部峰值有所放大，局部峰值有所减小，具有明显的土层滤波现象[19]。由图10饱和试验中P11(深0.4 m)和P13(深0.22 m)孔压计记录在加速度峰值(7.2 s)时刻孔隙水压达到极值，证明平行试验加速度时程差异主要由场地发生液化导致场地特性改变所致，也指出孔压发展水平是描述场地状态的重要特性参数之一。图9中3列不同位置处表层土与底层土加速度反应谱比，一致给出饱和试验中砂层在大于等于1 s周期上呈现放大现象，在小于1 s周期上呈现一定滤波现象；而在干砂试验中土层未出现明显的放大和滤波效应，说明了饱和土层的放大和滤波水平与孔压增长具有直接关联。

图8 平行试验土表加速度时程对比Fig. 8 Comparison of acceleration time histories of the ground in parallel test

图9 平行试验土层加速度反应谱比Fig. 9 Acceleration spectral ratios of ground to bottom soil layer in parallel test

图10 饱和砂试验中孔压变化Fig. 10 Pore water pressure variation of saturated sand test

图11给出了饱和砂和干砂试验中竖向加速度计A15和A16(距端壁0.2 m)分别记录的结果。可以明显看出无论是饱和砂还是干砂试验中两竖向加速度计均记录了反相位时程，且具有较大响应；其PGA约为土表加速度PGA的一半，导致土体所受运动形式与目标地震剪切荷载存在严重差异。其机理可以解释为因土试样及箱体质心高于台面许多，而台面的传动装置及导轨位于台面下方，施加荷载时使刚性箱整体产生了较大倾覆力矩，限制了土体的位移因此造成了竖向振动情况的发生。根据其机理定义为端壁效应，在试验设计选用刚性箱时，应考虑该端壁效应选择合适大小及高度的箱体。

图11 平行试验中竖向加速度记录Fig. 11 Vertical acceleration records in parallel test

4 结 论

1)介绍了一套中、美新联合研制的全数字交流伺服电机驱动振动台试验系统，包含主要性能指标和设备构成。其特点：联动杆与台面垂直布置，直接利用单周角位移实现台面位移目标控制，具有高响应精度和大位移能力。辅助系统除模型箱外，还装备了SPT，CPT，DPT等土层特性测试装置。

2)设计了空台、干砂两种负载工况下性能评价试验，综合分析了系统动力输出特性及关联因素。本振动台具有较好的刚性，在0.4～20 Hz频带内具有良好可靠性和重复性，任意波在迭代2～3次后可获得令人满意的输入/输出保真度。另外，还建立了控制模块放大倍数与台面地震波强度线性关系区间。

3)开展了一组干砂与饱和砂对比平行试验，检验了液化对场地特性的影响。孔压增量是描述场地特性变化的重要参数之一，饱和砂试验中孔压达到极值后，地表加速度记录呈现显著滤波和放大现象，而在干砂试验中未得到明显观测。

4)平行试验选用长0.8 m、宽0.6 m、高0.5 m刚性箱，在距两端壁0.2 m处一对竖向加速度量测了显著的反相位运动，使土体所受运动形式与目标地震剪切荷载存在差异。其机理解释为传动装置水平力与箱体质心不重叠和刚性箱端壁对土体位移的约束所致，应在试验设计和结果分析中给予考虑。

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(责任编辑：刘 韬)

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

国家自然科学基金项目(51609218)；黑龙江省自然科学基金项目(LC2015021)

王 海(1989—)，男，山东济南人，博士研究生，主要从事岩土工程和土工试验方面的研究。E-mail：694709762@qq.com。

王永志(1984—)，男，河南周口人，副研究员，主要从事岩土土动力理论及技术方面的研究。E-mail：yong5893741@163.com。

TU415

A

1674-0696(2017)04-114-07