地震模拟振动台基础设计与建造技术综述

2022-08-19纪金豹武剑峰李文月

北京工业大学学报 2022年8期

纪金豹，武剑峰，李文月

(北京工业大学工程抗震与结构诊治北京市重点实验室，北京 100124)

地震模拟振动台作为研究结构抗震性能和破坏机理的关键设备，被广泛应用于建筑桥梁抗震、文物保护、隔震支座研发等工作当中，其中基础是保障振动台控制性能、减小振动对周围环境和人员带来损害的核心部件.目前，已经有许多专家学者对振动台运行振动影响性分析进行过研究.刘必灯等[1-2]对西南交通大学和防灾科技学院地震模拟振动台进行振动影响测试及分析，阐述了基础振动测试分析方法；Luco等[3]分析NEES-UCSD大型户外振动台运行对基础的影响，试验结果表明该振动台基础具有足够的强度和稳定性；侯兴民等[4-5]、黄浩华[6]通过传递函数法对振动影响进行理论计算，给出一种用于动力响应分析的一般集中参数模型.本文为了系统总结地震模拟振动台基础的设计方法与施工建造工艺，主要围绕振动台基础的结构选型分析、关键参数影响、动力计算方法和施工环节中的混凝土裂缝防护、基坑支护技术、预埋件安装精度控制等问题进行全面的归纳与综述.

1 振动台基础设计

1.1 结构选型

地震模拟振动台基础的结构形式可分为：实体式基础、桩基与基础组合式基础、带隔震沟的实体式基础、水平和垂直分离式基础、反力底板与基础组合式基础和悬浮式基础等[7-12].实体基础的结构形式简单，刚度和质量较大，可近似认为是刚体，此类基础的应用最为广泛，如2013年防灾科技学院建造的振动台就采用该基础形式，通过动力特性计算和测试可知，该振动台基础表面三向最大振动加速度为6g，而在国际标准中认为距离基础边缘处10 m为测量范围，振动加速度有效值需小于10g，故该振动台基础满足实际使用需求[1].当建造振动台的试验大厅土质较差，天然地基无法满足承载力和变形要求时，应考虑在实体基础上增加桩基.桩基可以穿过处于软塑、流塑状态的黏性软弱土层，将荷载传递到更硬、更密实或压缩性更小的持力层上，以降低振动传播和地基沉降.设计桩基础时，应对其进行承载能力和变形验算，需注意的问题包括群桩效应、持力层土体承载能力和桩的抗裂验算等[12].河海大学三向六自由度水下振动台基础尺寸为15 m×16 m×6.9 m，为了增加天然地基的承载能力，采用大体积混凝土基础与桩基组合的形式，基础底部打入25根直径0.9 m的混凝土桩，并将基础主体与油源间相连接，增大反力基础质量，进一步保证自身控制性能，如图1[13]所示.通过测试分析可知，各个方向的振动加速度有效值均小于10g，隔振效果符合要求[12].对于大型地震模拟振动台，为了解决其基础振动较大的问题，可在周围设置隔振沟，隔振效果一般与宽度无关，随深度增加而提升，深度常取0.6倍波长[14].带隔振沟的实体式基础可以有效减弱低频振动向远处传播的作用，降低振动对周围人员及建筑物的影响.西南交通大学8 m×10 m地震模拟振动台因场地条件限制，隔振沟深度无法达到预设要求，进行基础振动影响测试及振动衰减规律分析后得出结论，振动加速度有效值不会高于6.6g，不对周围环境造成振动污染[4].水平和垂直分离型基础适用于主要做水平运动的振动台，由于水平激振力作用线与基础重心重合，减小了因偏心导致过大的倾覆力矩，从而降低基础振动[15].当拟建振动台所在实验室具有拟动力、拟静力试验地板时，可考虑通过合理的布局，将振动台基础与地板相结合，这样不仅可以达到减小基础振动的目的，还可以一定程度减少造价.东南大学自行组装的4 m×6 m单向地震模拟振动台就是将实验室的整个地板作为振动台基础，有成本低、性能好的优点[16].悬浮式基础分为内基础和外基础两部分，振动台被内基础承托着，外基础直接与地基相连，内外基础之间通常采用隔震减震装置连接，如橡胶垫、空气弹簧等.这种基础的优点在于振动可被隔震装置有效地消耗掉，但是占地面积较大，造价、维护费用较高，目前尚未被推广[10].此外，还有一些基础结构形式较为独特的振动台，如意大利建造的EU Center大型单自由度振动台，台面尺寸4 m×7 m，质量32.68 t[17].为了适当分布执行机构带来的巨大应力，在振动台基础内部增设若干蜂巢状钢隔膜板网络，如图2所示，所有内部钢板均穿孔，穿孔直径从90 mm到200 mm不等，避免由于机械噪声而产生的同向振动[18].

图1 河海大学水下振动台[13]

图2 EU Center振动台内部结构[17-18]

振动台基础的几何形状一般为规则的对称结构，为了避免基础自身产生扭转，基础的主轴方向应与振动台台面主轴一致，基础的质心应与振动台台面中心重合，这也称为“形心对中原则”和“质量矩平衡原则”[7].当振动台各方向最大负载不相同或建设场地受到限制时，可以采用较为复杂的基础形状.例如，受实验室预留空间限制，同济大学4 m×4 m地震模拟振动台基础采用T型的浅埋式基础，如图3所示.基础外壳质量为289 t，东侧为质量467 t的抗侧力台，为了防止在振动过程中出现偏心的情况，设计者在西侧放置了平衡质量块，这样即可同时解决最大质量比和振动台偏心的问题[19].福州大学振动台三台阵系统反力基础的结构形式如图4所示，为了使重心尽量与力作用线重合，设计者在基础中部凸出了一块7.5 m×1.0 m的矩形质量块[20-21].

因此，在对振动台基础设计选型时首先应考虑场地条件，对基础尺寸进行适当调整，防止实际施工时出现空间不足的情况；其次要满足形心对中原则和质量矩平衡原则，不允许在振动试验中出现偏心的情况；最后要尽可能避免振动台试验时对周围建筑物和人员造成不利影响，对于大型地震模拟振动台，需采取相应措施(如设置隔振沟、调整基础质量比)以减小振动影响.

1.2 关键设计参数

地震模拟振动台在设计时应具有足够的强度、稳定性和耐久性.其使用性能主要受到基础的固有属性和外在因素的影响.基础固有属性主要包括基础的质量、刚度、阻尼比和等效半径；外在因素主要包括地基土的刚度、阻尼比、基础埋深等.这些技术参数的合理选择，对振动台基础的振动幅度和振动台台体的波形失真度具有关键性影响.

基础质量是影响地震模拟振动台控制性能的核心参数.有学者提出，振动台基础质量不应小于50倍的振动台台面和试件总质量，以满足振动控制要求[22]；还有学者认为基础质量宜取振动台系统可动部分质量的10～20倍[23].目前世界上尺寸最大、负载最强的地震模拟振动台E-Defense在水平X和Y方向上的推力为2 300 t，垂直Z方向上的推力为8 200 t，为了确保其性能，基础质量必须达到200 000 t左右[24].但是，无意义地增大基础质量对于地震模拟振动台的性能是没有帮助的.

图5 NEES-UCSD大型高性能室外振动台基础形式[28]

地震模拟振动台基础刚度和阻尼对基础振幅有重要影响.王亚勇[29]提出当基础处于共振前和共振时情况下，增大基础刚度和阻尼可以有效降低基础振幅，只有在共振反应发生后，基础质量才起到决定性作用，地震模拟振动台适宜采用轻而刚的基础形式.张自平等[30]通过质量-弹簧-阻尼模型，对某振动台基础进行了动力分析计算，表示基础设计应当充分提高基础刚度，以改善振动台低频特性.潘景龙[23]认为基础在共振区的振幅很大程度取决于基础阻尼，形式浅而大的基础将有利于增大几何阻尼.

此外，为保证地震模拟振动台的频率特性，减少对周围建筑物和设备的影响，对地基土的刚度和阻尼比等参数的设计同样应给予足够的重视.加州伯克利大学分校对其地震模拟振动台基础研究表明，振动台20 Hz以上的较高频激振力主要由基础的质量起作用，地基土起到抵抗低频段激振力的主要作用[31].即振动台在高频段工作时，基础质量对于振动影响起决定性作用；在低频段工作时，地基刚度和阻尼比是降低振动幅值的关键[30].我国研究人员通过对不同地震模拟振动台基础进行模拟仿真后得出结论，随着地基土的刚度和阻尼比的增大，基础振幅迅速减小[24]，并且振动台基础动力响应与地基剪切模量呈线性关系[10].

在对日本国立防灾中心15 m×15 m地震模拟振动台研究中，日本学者田治见宏表示基础振幅与台面振幅之比大于台面负载与基础质量之比时，基础振动将影响振动台性能[29,32].我国研究者根据理论研究和实测结果，提出距离动力基础中心rj(m)处地面的竖向(水平)振幅[33]计算公式

(1)

表1 工作人员的容许振动值[31]

1.3 分析与设计方法

典型的地震模拟振动台动力分析理论有2种，分别为质量-弹簧-阻尼理论和弹性半空间理论.二者均采用集总参数体系[35].集总参数体系的核心思想是将阻碍基础振动的地基土反力等效为基础6个自由度上的弹簧-阻尼器系统[9]，其目标在于确定等效弹簧-阻尼器系统中的刚度、阻尼等参数.基于这2个理论发展了若干种动力基础计算方法，其中包括我国《动力机器基础设计规范》(GB50040—96)(以下简称《动规》)[31]中提到的方法、美国《基础工程手册》(以下简称《手册》)[36]中的方法以及Lysmer比拟法[37].

质量-弹簧-阻尼模式又称为理想集总参数模式，以振动理论为基础，基于质量-弹簧模式发展而来的.日本清水建筑研究所山原浩首先提出质量-弹簧-阻尼模式，假定基础视为有质量的刚体，地基视为空间6个自由度上的无质量的弹簧，并且忽略参土的质量，地基土的阻滞作用视为阻尼器的阻尼[9].在该模式下，地基土的刚度和阻尼均可以看成通过经验或试验来确定的常数.质量-弹簧-阻尼模式具有方便、简单、直观及实用等特点，目前《动规》方法[33]就是采用此计算模式.

弹性半空间模式又称为等效集总参数模式，最初由Lamb提出[38].它假定地基土体为匀质、各向同性、线性变形的弹性半无限体[39]，刚性基础放置在弹性板空间体的表面，通过弹性波动理论进行分析.该理论认为：在所有情况下基础的刚度和阻尼均可通过地基土的剪切模量、泊松比和剪切波速进行计算[40].弹性半空间理论在数理上是严密的，精度上高于质弹阻理论，可适用于各种类型的地基和各种形状的基础，且该理论所提出的“质量附加系数”以及“惯性阻抗”的概念澄清了关于“同位相质量”和“参振质量”的争论[40].《手册》方法[36]以及Lysmer比拟法[37]均采用弹性半空间理论为基础.

《动规》中规定了明置基础地基刚度和阻尼比计算方法[30].对于埋置基础，地基承载力标准值小于350 kPa，且基础四周回填土与地基土的密度比不小于0.85时，其竖向静刚度可乘以提高系数∂z，水平向、摇摆向和扭转向静刚度可分别乘以提高系数∂xφ[33]，计算公式分别为

∂z=(1+0.4δb)2

(2)

∂xφ=(1+1.2δb)2

(3)

(4)

式中：δb为基础埋深比，当δb>0.6时，取0.6；ht为基础埋置深度.埋置基础的天然地基阻尼比，为明置基础的阻尼比分别乘以基础埋深作用对于竖向阻尼比的提高系数βz、地基水平摇摆向和扭转向阻尼比提高系数βxφ[33]，计算公式分别为

βz=1+δb

(5)

βxφ=1+2δb

(6)

《手册》中给出不同情况下地基刚度和阻尼系数随无因次频率项a0的变化曲线，可让动力基础设计者根据不同基础形式、不同地基土层剖面以及不同的埋置情况合理选择和设计.该方法将阻尼分成了2个部分，分别为内部阻尼和辐射阻尼.内部阻尼用来描述土介质在发生振动变形时的内摩擦损失，辐射阻尼系数用于描述向无限地基域中能量的消散[40].

Lysmer比拟法实际上是一种参数抽换法，将复杂的半空间问题转化为简单的质量-弹簧-阻尼问题来计算.对变参数等效集总方法的3个主参数m(或I)、C和K采用“两定一选”原则，即通过定m(或I)和K以选C，得到的最终动力反应曲线与真实反应大体相吻合[37].与变参数等效集总法不同，定参数等效集总体系对理想集总的一切方法全部适用，从这个意义上来说，它是一种实用性的近似方法[37].但是由于比拟法采用“两定一选”，因此仅有一个C可供调节，没有充分的回旋余地，所以在与半空间理论的拟合效果上不免要差一些，文献[36]提供了明置、埋置基础不同形式地基的刚度、阻尼比计算方法.

以上3种均为动力机器基础设计方法，但是对于大尺寸、大推力、高频宽的地震模拟振动台基础是否依旧适用，一些学者做了相关研究.尹谦钧等[35]以某6 m×6 m地震模拟振动台作为实例，运用上述3种方法进行了基础动力分析，并表示如果按照共振区最大动力反应设计振动台基础，《动规》方法计算结果比实测值偏大，比拟法偏小，《手册》方法中提出的变参数刚度和阻尼曲线，可以更加理想地描述真实动力反应；方子明[20]同样利用3种方法对福州大学地震模拟振动台三台阵系统进行动力反应计算，并利用有限元模拟和试验测试进行结果验证，研究表明：1)《动规》方法计算的固有频率和水平位移最小，Lysmer比拟法最大，《手册》方法处于两者之间；2)《动规》方法所得结果与有限元分析模拟和试验测试结果最接近.王磊[10]对苏州科技学院6 m×8 m振动台基础分别采用《动规》方法和Lysmer比拟法进行动力响应分析，结果显示《动规》方法计算出的地基刚度值偏大，阻尼比偏小，加速度幅值偏大.

结合3种振动台基础动力计算方法的比较以及前人研究成果的分析，可以得知这些方法均适用于地震模拟振动台基础的动力分析与设计.Lysmer比拟法安全系数相对较低，《手册》方法比较接近真实动力反应，《动规》方法更加保守和安全，设计时，可按实际情况进行方案选择.

2 振动台基础建造

2.1 基坑支护技术

一些地震模拟振动台基础基坑的深度可达4～10 m，应属于深基坑的范畴，其支护结构对整个施工过程的安全性起着重要作用[41].基坑支护可以平衡地基土的侧压力，使基坑周边边坡保持稳定，达到保证基坑开挖及基础施工过程安全的目的[1].在进行基坑工程设计时，应遵循“安全可靠、经济合理、技术可行”的原则[42].目前常见的基坑支护形式主要有放坡开挖及简易支护、加固边坡土体形成自立式支护结构(如土钉墙)、挡墙式支护结构(如地下连续墙支护)以及其他一些支护结构(如门架式支护)等[42].

放坡是指在一定的地址、场地条件下，采用合理的基坑边坡坡度，使基坑开挖后的土体在没有支挡的情况下，依靠自身强度，在新的平衡状态下保持基坑边坡的温度.它涉及到的主要施工措施为土方开挖，通常易于组织实施.放坡开挖工程施工首先应确定开挖的坡度，并对基坑开挖各阶段的土坡稳定性进行验算，确定地面及基坑的排水组织，确定土坡面的防护方法及土方开挖程序等工作[42].邹荣[43]针对某4 m×4 m单向地震模拟振动台进行深基坑支护结构设计，该振动台基础为实体式基础，基础底面积125 m2，高度5.13 m，因此基坑深度至少为5.13 m.由于环境的限制，基坑坡面为垂直坡面，结合地下水文特性和场地的因素，最终选择采用放坡开挖为主，辅以喷锚网加固的支护形式，喷锚网主要用于提高边坡表层土体的稳定性.基坑开挖后，要特别注意集水井中的积水，防止造成坑外土体的流变.

土钉墙由被加固土体、土钉和混凝土面板组成，形成一个类似重力式挡土墙的实体，以抵抗墙厚传来的土压力，从而使开挖坡面稳定.土钉墙支护结构适用于地下水位以上或经人工降水后的人工填土、弱胶结砂和黏性土的基坑或边坡支护.具有柔性大、抗震性好、施工设备简单及不占用场地等优点[42].

地下连续墙支护结构造价昂贵，一般运用在深度大、土质差、场地空间有限、对防水抗渗有一定要求的基坑类型.张德武[7]对某4 m×4 m三维六自由度振动台支护结构进行选型设计，该振动台基坑占地面积162.5 m2，高度7.55 m，场地狭隘，且地面到持力层顶之间经过黄土层，该层具有中等湿陷性.综上情况考虑，选择了地下连续墙的支护形式，该支护形式具有刚度大、强度高、耐久性和抗渗性能好等优点.马平舟[44]对苏州科技大学振动台基础深基坑工程进行了研究，该振动台基坑同样采用地下连续墙支护结构.使用支护结构设计软件进行了设计及对比选型，并通过有限元数值模拟分析，研究了不同设计参数对支护结构的影响.得出结论：1)基坑开挖过程中，为了减少地下连续墙的水平位移，改变连续墙体的受弯形式，可加入水平支撑；2)增加支撑个数可减小支护结构的最大水平位移、最大弯矩值和地表沉降量；3)墙体刚度随地下连续墙厚度的减小而降低，最大水平位移和地表沉降量随连续墙厚度的减小而提升.

2.2 大体积混凝土裂缝防治

为了减轻基础动力响应和保证振动台系统的波形控制性能，地震模拟振动台的基础往往采用的是大体积重质量的混凝土基础.大体积混凝土施工阶段由于存在温度梯度产生温度内应力的问题[45]，容易产生裂缝影响基础实际刚度，因此裂缝控制技术在振动台基础建造过程中尤为重要.

防裂缝首先要从混凝土原材料选择上把关，一方面可以通过选用低水化热水泥和掺合料降低绝热温升，另一方面可以通过采用良好的颗粒级配提高混凝土强度[46-47].日本E-Defense大型三向六自由度地震模拟振动台为了控制温度裂缝，保证基础的整体性，采用低热硅酸盐水泥、低含水量的骨料，并添加石灰石粉以补偿由于单位水泥含量降低造成和易性的损失.在夏季施工时，由于温度常常达到40 ℃左右，施工人员使用了几种不同类型的减水剂和引气剂以保证混凝土块间接缝的完整性[24,48-49].位于北京通州区由中国科学研究院新工程抗震试验室引进的6 m×6 m三向六自由度振动台，采用了PS32.5矿渣水泥，并掺入一定比例的外加剂和粉煤灰，以降低水化热并提高和易性.同时减少10%左右的拌和水，节约水泥用量，推迟水化热释放的速度[50].

此外，合理的施工措施，也是保证大体积混凝裂缝开展的重要因素.西安建筑科技大学三向六自由度振动台基础底面积19 m×17 m，厚度6 m.根据振动台的实际情况，采用分层浇筑、分层捣实的施工工艺.为了提高混凝土的整体性，对上下层混凝土浇筑时应进行如下处理：1)放置竖向钢筋于正在浇筑的下层混凝土中，使得上下层混凝土衔接更牢固；2)下层混凝土浇筑完成时，在初凝前进行搓毛处理，增大接触面粗糙程度，利于上下层混凝土紧密结合.温度控制措施主要包括：1)采用地下水拌制混凝土，降低混凝土拌和物的温度；2)在基础突变和转折处、空洞转角及周边增加斜向构造钢筋，以改变应力集中，增强抵抗温度应力的能力；3)采用表面隔热保护的方法，以防表面失水，降温过大，起到了减少内外温差并防止混凝土出现裂缝的作用；4)在基础混凝土内部布置循环冷却水管[51-52].苏州科技学院三向六自由度地震模拟振动台，利用ANSYS有限元软件进行仿真分析，研究增加冷却水管、分层浇筑及配置钢筋作用等情况下振动台基础的温度场与应力场的分布和变化情况，得到如下结论：1)冷却水管应不至于振动台基础的不同位置处，可减小基础内部的温度峰值，使内部温度的分布比较趋近；在基础合适位置增加冷却水管可以有效降低内部的温度的峰值，并均匀分布混凝土内部温度.2)采用分层浇筑的施工方法可以降低基础内部温度峰值以及结构的最高温度.3)降温期间，结构的温度应力随基础的配筋率增加而减小，抗裂性能随配筋率的增加而提升[53].

2.3 预埋件安装精度控制

预埋件即结构浇筑时预先安装在隐蔽工程内的构件，用来连接上部结构.预埋件的构造应根据其受力性能和施工条件确定，尽量做到构造简单、传力直接、易于施工和保证质量.在地震模拟振动台基础施工过程中，由于混凝土截面大，配筋基础内预埋件众多，功能各异，并且对精度要求很高，因此需要对其安装方法进行研究分析.

同济大学4 m×4 m地震模拟振动台基础中有12个预埋件，每个预埋件由面板、底板和螺杆构成，安装误差精度要求小于1 mm.为了多次测设它们的位置，需要建立高程控制网.施工人员在工地上设置了一个水准点，该水准点位于所有预埋件所在的轴线上，从它出发放样所有预埋件的高程.放样过程中用到了一种可以精确微调的强制对中装置，用于精密测量.最后提出几个施工过程中的关键点：1)要避免望远镜调焦误差对侧角结果的影响；2)精密侧角时宜采用圆柱形目标而不是觇牌，因为觇牌很难保证对中精度[54].福州大学的地震模拟振动台三台阵系统，基础的长×宽×高分别为30 m×9.8 m×5.3 m，该振动台基础具有很高预埋件加工、安装及定位精度要求.振动台基础内部的预埋件主要可分成2类：第1类主要负责支承和定位，需要完全埋入混凝土内部；第2类上部连接设备底座，下部同样埋入混凝土内部，并与第1类预埋件相连接.为了防止混凝土浇筑过程中预埋件的变形或变位，对于第1类的预埋件，设置了精度较高的找平钢板并按实际位置精确定位，再将预埋支架等构件定位安装在找平底板上.对于第2类的预埋件，因为是直接与振动台执行器等设备连接的，精度要求更高，故设计了一种三维调节装置，根据螺栓方向的改变，完成对预埋件的三维微调[20-21].