水運工程水下振動臺的應用研究與進展

鄭子龍，鄭昕陽

（1.交通部天津水運工程科學研究所工程泥沙交通行業重點實驗室，天津 300456；2.中交股份國投曹妃甸港口項目經理部，唐山 063205）

地震對港口碼頭危害相當嚴重，據統計全世界每年約發生五百萬次地震，其中絕大部分是不為人感覺只有靈敏的地震儀才能記錄到的小地震。強烈地震一旦發生在沿海地區，必將造成嚴重的后果。僅20世紀后期，世界各地就發生了數百次嚴重的破壞性地震（表1）。震害較多國家的相關行業都制定有抗震設計規范。我國電力行業標準規定“設計烈度為8、9度時，工程抗震設防類別為甲類的水工建筑物，應進行動力試驗驗證”［1］。交通運輸部《水運工程抗震設計規范》［2］中規定，設計烈度小于6度不進行抗震計算，高于9度應進行專門的研究論證，并明確了采用《中國地震烈度區劃圖》（1990）作為設計烈度。從該圖中可知，大多沿海地區地震烈度高于6度。目前，在水運工程設計中，抗震分析一般采用計算分析的方法，相關研究工作開展得很少，尚不具備開展實驗研究所需的技術手段及大型設備。因此，建設水下振動臺，對提高水運工程抗震減災的理論研究及實驗技術是非常必要的。

1 振動臺實驗技術的發展現狀與趨勢

1.1 振動臺的研究與發展現狀

在一些國家，振動臺作為一個重要的研究方向，已經形成規模和產業。許多著名大學和研究機構與專業制造公司合作，在前沿技術和應用技術方面的研究和開發都取得了重要成果。國外主要制造公司有美國MTS公司、德國Shenck公司，英國ServoTest公司以及日本的三菱公司等。

美國是研制振動臺最早的國家之一，20世紀60年代就已經開始了對多向振動臺的研制，20世紀70年代，已成功地開發出具有較高頻率、較小失真度等特性的多向振動系統［3-4］。20世紀80年代，美國和日本進行合作，利用計算機完成了驅動信號生成、在線控制以及歷史數據記錄等功能。時至今日，美國MTS公司在振動臺領域仍處于國際領先水平。

日本研制振動臺相對較早。日本三菱公司于1970年研制出世界上最大的單向大型振動臺：15 m×15 m水平或垂直單方向工作的振動臺［5］。

德國在振動臺方面的研究起步雖較晚，但技術水平卻很高，其代表性公司Schenck開發的第一臺振動臺是為中國水利水電科學研究院研制的，規模為5 m×5 m，振動方向為三向六自由度。該振動臺引入了德國西門子公司的技術，大大提高了系統可靠性。

表1 世界各國地震對港工建筑物破壞程度一覽表Tab.1 Earthquake damage to port structures all over the world

國內高性能振動試驗臺的研究起步較晚，除引進了一些國外先進的高性能振動臺以滿足試驗研究的需要外，還自行研制各類振動臺，中國國家地震局工程力學研究所采用國產設備自行研制了雙向振動臺，于1985年安裝完畢并同時進行了鑒定，于1997年升級成三向六自由度振動臺，該振動臺基礎外形尺寸為15 m×15 m，重約2 400 t，最大基礎面加速度小于0.1 g，可以進行9 m高的模型試驗；同濟大學最初的地震模擬振動臺于1983年7月投入使用，初步建設為X、Y兩向，并為第三向的設置預留了余地，20世紀90年代改造為三向六自由度運動；中國建筑科學研究院的地震模擬振動臺臺面尺寸為6 m×6 m，由美國MTS公司總承包；中國水利水電科學研究院從德國引進全套振動臺，于1985年建成，該振動臺的工作頻率上限達到了120 Hz，由德國Schenck公司總承包建設；1978年9月國家地震局工程力學研究所加入聯合研制組參與5 m×5 m三向地震模擬振動臺的研制，聯合研制組于1980年進行了方案論證，考慮到技術復雜性，決定研制3 m×3 m單向水平向地震模擬振動臺作為中間試驗項目，該項目于1983年完成并作為產品提供給機械工業部抗震研究室。目前上海正在建設國內最大的地震振動臺，整個實驗室預計在2011年竣工。屆時橋梁等大型建筑的模型都可放置在實驗臺上，接受模擬地震波的檢驗。該實驗室將落戶嘉定，總投資約1億元。

近年來，各大學和科研院所進行了很多振動臺試驗，涉及土木工程、電氣設備、機械設備、礦山建筑等多個領域，其中在土木工程領域內應用最為廣泛，主要應用于高層建筑、超高層建筑和高聳結構如電視塔等的抗震分析，為建筑物的抗震設計和結構控制設計提供重要依據。

目前，大型振動臺設備的研發和應用受到了很多學者和專家的關注，國際上很多國家都致力于研究承載力大、頻域寬的多功能振動臺系統，但由于原型與模型結構的相似問題還沒有完全解決，原型與模型的定量換算存在問題，因此，大承載力振動臺實現寬頻域的地震波的激勵使結構反應更加接近實際，能極大提高試驗的精度和準確度，同時考慮到結構地上地下以及水下和強風等不同的外界條件，設計多功能振動臺設備可以為工程提供更可靠的依據。總的來說，振動臺地震模擬系統試驗在科研與實際領域都有很大的意義，是分析和評價結構抗震問題的重要手段。

1.2 水下振動臺的研究與應用現狀

抗震研究工作包括計算分析和試驗研究兩方面，試驗研究在整個研究工作中占有極為重要的地位。目前，陸上抗震試驗包括野外原型試驗、地震模擬振動臺試驗、偽動力試驗、偽靜力試驗、模型動力特性試驗、材料動力特性試驗、土動力試驗和故障診斷試驗等［9］。而針對水下結構物的試驗手段則相對較少。

日本是研制水下振動臺較早的國家。1984年三菱公司成功研制了6 m×6 m的三向六自由度大型水下振動臺，采用三參量控制方法實現了振動臺的加速度控制，并在理論上首次解決了六自由度獨立控制問題。目前，已成功應用于日本港灣空港技術研究所構造振動研究室的抗震實驗研究，是世界上最大的水下振動臺，解決了很多水下結構的抗震設計問題。

大連理工大學抗震研究室是目前我國唯一擁有水下振動臺模擬系統（兩向三自由度）、可以進行水下結構模型試驗的實驗室。水下振動臺位于長14 m，寬5 m，高1 m的水池中，在與激勵方向垂直的池壁兩端均安裝有吸波裝置，能較好地消去池壁反射波對試驗的影響，模擬無限遠波浪輻射邊界條件。近年來，先后完成了水工、海工、港工、水利、核電以及工民建等方面的諸多項目（課題），其中包括：（1）核電站港池外防波堤的抗震研究與安全性評價；（2）海洋工程的海上平臺以及海底管線在地震作用下的破壞機理及健康診斷研究；（3）近岸工程中的碼頭、防波堤的抗震減災研究；（4）水利工程中的大壩抗震研究以及水電站可行性研究；（5）大橋的安全評價和加固設計、大廈的抗震安全性分析。

綜上所述，通過振動臺對水工結構進行抗震物理模型試驗，對抗震減災的理論研究和工程項目建設提供了較強的技術支撐。

2 建設水下振動臺的技術難點與應用前景

工程結構抗震試驗是研究結構抗震性能的一個重要方面，主要分為結構抗震靜力試驗和結構抗震動力試驗兩大類。抗震動力試驗主要以非周期性動力試驗為主，其主要特點是可以考慮一定的應變速率。由于計算方法和計算技術的發展，對水上結構進行非線性分析，了解其在地震、爆炸等各種動力荷載作用下的響應與破壞形態已不十分困難［10］。非線性動力分析軟件大量產生。但是，由于沒有解決材料的本構模型和本構參數等問題，對其在強震作用下發生震害的裂縫部位、裂縫走向以及裂縫的擴展范圍等，不同學者通過非線性分析得出的結果仍然千差萬別，這就使得數模計算方法的應用受到限制，遠未達到“萬能”的階段。特別是水下結構物的抗震計算就更難實現。因此，物理模型和試驗的方法仍然是我們研究工程問題的有力工具。研究水下結構抗震性能最準確的試驗方法是振動臺試驗。振動臺試驗可以很好地再現地震過程并進行人工地震波試驗，是進行結構-水-地基相互作用動力特性、地震反應和破壞機理等實驗室研究一種重要的方法。

2.1 技術難點

相對于陸上振動臺，由于振動臺要在水下工作，必與水耦合而產生參振附加質量，這個附加質量是流體與結構耦合所特有的，隨振動位移、速度、加速度的變化而變化。這就使水下振動臺的研究存在如下難點：（l）流固耦合狀態下，耦合前后振動臺的工作頻率范圍變化［11］；（2）臺面在水下工作，由于存在水的附加質量，水中的振級較空氣中的振級低，因此驅動力要有一定程度的提高；（3）振動臺的密封問題。水下振動臺的臺面多為圓形或橢圓形，在密封情況下，由于密封部分與臺面連接，在振動臺工作時也會參與振動。因此，密封問題對振動臺的正常工作會產生很大的影響；（4）在水中運動，由于非線性、干擾因素（如顛覆力矩、阻尼等）存在，會對物理模型的振動波形有一定影響，這樣對波形失真控制提出了要求［12］。

2.2 應用前景

近十幾年來，我國開展了大規模水運工程建設，很多工程都處在7度以上烈度區。今后幾十年，我國水運工程建設將持續發展，特別是一些超大型水運工程的設計使用期超過100 a，如正在建設中的港珠澳跨海通道工程、即將建設的瓊州海峽跨海通道工程，對水工建筑物的安全性與耐久性提出了更高的要求，抗震安全會得到高度重視，水下振動臺實驗設備將有廣闊的應用前景。可開展以下振動實驗研究工作：（1）研究碼頭、防波堤、跨海橋隧等結構最基本的動力特性自振頻率和相應的振型，各振型的能量耗散或阻尼值。在各種特定動力荷載作用下的動力反應，如應力和位移等。特定的動力荷載如地震荷載等引起的振動荷載等。（2）研究水工結構的地震破壞機理和破壞模式，對水工結構抗震能力的安全性評價。（3）研究水工結構中地震作用力的分布，為檢驗結構的抗震分析方法提供依據，尋找結構中可能存在的薄弱環節，為采取有效的抗震措施提供依據。（4）研究各種介質物（地基-結構-水-地震波）之間的相互作用問題，同時考慮風、浪、流的綜合影響，為新的結構抗震設計理論提供技術支撐。（5）同時開展相關領域水工建筑物的地震破壞試驗研究。

除針對水工結構建筑物的相關研究外，還可進行一些擴展性研究：（1）核電廠、高層建筑、生命線等重大工程問題；（2）混凝土與土石材料的動力特性與本構關系；（3）混凝土材料、巖土材料的靜動態本構關系；（4）智能材料與結構振動控制；（5）巖土工程建筑物、邊坡、地基的地震穩定；（6）地下結構的抗震分析；（7）結構動態性能識別與健康監測；（8）工程結構防災減災理論的研究。

3 結論

研究水工結構物抗震性能和預防措施，減少地震災害，保證水運工程的安全暢通是工程設計與管理的首要任務之一。

地震模擬振動臺試驗已逐漸成為各高校和科研院所研究復雜工程設計中廣泛采用的方法，該方法可以很好地輸入實測及人工地震波，再現地震全過程，可以直觀地觀察模型的動力特性和破壞過程，發現結構的薄弱部位，探詢結構的破壞機制，為結構設計中采取合理的抗震措施提供依據，是在試驗室中研究結構地震反應和破壞機理的最直接方法。因此，在交通行業建設大型水下振動臺模擬實驗系統尤為重要，具有廣泛應用前景。

通過應用水下地震模擬振動臺系統，可為水運行業抗震設計、規范標準的制定等提供豐富的實驗技術手段與強有力的科學依據。

［1］DL5073-2000，水工建筑物抗震設計規范［S］.

［2］JTJ225-98，水運工程抗震設計規范［S］.

［3］日本土木工程學會，日本地震工程委員會.土木工程結構抗震設計［M］.上海：同濟大學出版社，1994.

［4］姚熊亮，戴紹仕.港口工程結構物抗震［M］.哈爾濱：哈爾濱工程大學出版社，2004.

［5］劉漢龍，周健.大地震作用下構造物、地基與流體協同變形分析［J］.水利學報，1999（9）：51-56.

LIUHL，ZHOUJ.Analysis on deformations due to soil structure water interaction during the strong earthquake［J］.Journal of Hydraulic Engineering，1999（9）：51-56.

［6］張建政.六維并聯冗余振動臺控制規劃與實驗關鍵技術研究［D］.天津：河北工業大學，2006.

［7］關廣豐.液壓驅動六自由度振動試驗系統控制策略研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工業大學，2007.

［8］姚建均.電液伺服振動臺加速度諧波抑制研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工業大學，2007.

［9］黃浩華.地震模擬振動臺的設計與應用技術［M］.北京：地震出版社，2008.

［10］隆文非.高壩動水壓力及氣幕隔震機理研究［D］.成都：四川大學，2005.

［11］吳昌聚.水下電磁振動臺動態特性研究［D］.杭州：浙江大學，2003.

［12］曾臺英.水下振動試驗環境測控系統的研究［D］.杭州：浙江大學，2003.