地震模擬振動臺的發展及應用

趙 晶

(四川省地震局，四川成都 610041)

1 地震模擬振動臺的發展過程

最初的抗震試驗研究主要在室外進行，是將強震觀測儀器設置在地震區的房屋等結構上，等地震到來時觀測記錄房屋結構在強地震作用下的反應。由于強地震稀少，靠在地震區建筑物上進行強地震觀測來獲取地震反應的數據機會非常少，且實驗周期長，滿足不了抗震研究的發展需要。最初想用計算分析方法來進行抗震試驗研究，但是結構進入非線性區后的數學模型難以給出。因而，提出了將房屋結構放到實驗室里來進行抗震試驗的構想，由此地震模擬振動臺在20世紀60年代末應運而生了。地震模擬振動臺系統最早出現在日本，1966年東京大學生產技術研究所建成了世界上第一臺正弦振動臺［1］。目前，日本主要有日立和三菱兩大生產廠家生產振動臺，此兩家都是國際上知名的機械、電子制造業的大公司，實力很強。20世紀70年代末開始了三向六自由度地震模擬振動臺的研制，日立公司、三菱公司均已成功完成。美國制造振動臺最主要的廠家為MTS公司。MTS公司自1968年生產出第一臺3.65 m×3.65 m單向地震模擬振動臺后，這方面的發展很快，MTS公司現已成為世界上主要的振動臺建造廠家之一［2］。此外，尚有美國的Wyle公司、日本的鷺宮制造所、德國的SCHENCK公司等均可承建地震模擬振動臺。國內生產振動臺比較有名的廠家是天水紅山試驗機廠，并已為國內多家學校、科研單位承建了多臺地震模擬振動臺［1-3］。地震模擬振動臺的發展經歷了一個長期的過程，在其振動波形、自由度數、控制方式等幾個關鍵性的技術指標上都有逐漸進步的發展過程。

1.1 振動波形

地震模擬振動臺早期多為機械式，進行的多是正弦波形運動試驗，只有個別儀器可進行固定格式的隨機波形運動試驗。發展至電磁式振動臺時，運動波形可以根據需要隨意控制，且波形失真小，也有進行大位移、大出力的試驗設備。而電液伺服控制的振動臺則具有低頻時出力大、位移大，臺體部分具有激震機構體積小、重量輕、結構簡單、安裝方便，易于形成多項控制等優點，成為現在最為廣泛應用的地震模擬振動臺。

1.2 自由度數

1971年以前研制的振動臺均為單自由度(單軸向)運動系統。1971年以后開始研制雙軸向運動系統。1971年，MTS公司為美國加州伯克利分校建成了世界第一臺水平和垂直雙向的6.1 m×6.1 m地震模擬振動臺［4-5］。1978年以后，開始研制三向六自由度運動系統。1978年，日立公司為日本國有鐵道研究所研制了0.8 m ×0.5 m，載重0.2 t的三向六自由度地震模擬振動臺［4］。

1.3 模控和數控方式

1972年以前的地震模擬振動臺均為位移控制，1972年以后逐漸研制到了位移、速度和加速度三參量控制的反饋控制系統。1972年日立公司首先運用三參量控制原理，其中加速度反饋可以提高系統阻尼，速度反饋可以提高油注共振頻率，運用三參量反饋控制方法對提高系統的動態特性和系統的頻帶寬度有很大的促進作用［5］。1975年以前的振動臺采用的是頻域控制方式，其最大的缺點是不能再現時間歷程，1975年以后開始采用時間歷程控制方式，并應用了自適應控制技術［1，4］。

2 地震模擬振動臺的發展趨勢

2.1 向大型發展

地震模擬振動臺實驗要求試驗結構滿足動力相似條件，在實際試驗中很難讓所有的模型參數都同時滿足相似性條件，在資金允許的情況下，應盡量加大振動臺的臺面尺寸和承載重量，以克服模型尺寸效應影響。大型足尺寸試驗是今后發展的趨勢。例如核反應堆試驗中，經常需要進行1:1的實物試驗。日本2005年建成了臺面尺寸為15 m×20 m，載重1 200 t的地震模擬振動臺，現為世界上臺面尺寸最大的地震模擬振動臺［4-5］。

2.2 向臺陣發展

對于管道、多跨橋梁等細長型結構，通過增大地震模擬振動臺的規模并不合適，而通過將多臺小型振動臺組成臺陣，進行大尺寸、多跨、多點地震波形運動輸入的結構抗震試驗更為合理有效。臺陣中的單個振動臺還可以分開獨立進行小型結構試驗［4-5］。日本最早建立了臺陣，建設省土木研究所于1979年建立了4臺3 m×2 m的單水平向地震模擬振動臺組成的臺陣［5］。

2.3 向全數字控制技術方向發展

地震模擬振動臺控制系統一般由數字控制和模擬控制兩部分進行混合控制。模擬控制是控制系統的基礎，主要保證系統的穩定性、精準性，并且有運動頻帶寬、靈敏度高、抗干擾性強和線性好等特性。數字控制是模擬控制系統的補充和完善，主要體現在對控制信號的補償方面。隨著數控技術的發展，20世紀90年代中期開發了全數字控制技術，全數字控制技術是在地震模擬振動臺液壓伺服控制系統中，除了反饋傳感器在進入閉環系統前采用模擬電路放大歸一信號和伺服閥的閥控制器采用模擬信號外，其他部分全采用數字軟件來實現。美國MTS公司已推出469D全數字控制器控制的振動臺，這樣使試驗過程變得簡單，易于操作。全數字控制技術有利于提高控制自動化程度及振動臺控制精度，這些特性是未來的發展趨勢［4-5］。

3 地震模擬振動臺的應用領域

地震模擬振動臺可以很好地再現地震產生的運動過程和進行人工地震波試驗，它是在實驗中研究結構地震反應和破壞機理最直接的方法。這種設備還可以用于研究結構動力特性、設備抗震性能以及檢驗結構的抗震性能等方面。另外，在原子能反應堆、海洋結構工程、水工結構、橋梁等方面也都發揮了重要的作用，而且其應用的領域仍在不斷擴大。地震模擬振動臺實驗方法是目前抗震研究的重要手段之一，在地震模擬振動臺上可以進行如下各種試驗和研究［4］:(1)各類建筑物模型的動力特性試驗;(2)各類建筑物模型在地震作用下的破壞機理研究;(3)各類建筑物模型的抗震措施研究;(4)各種機電設備和設施的耐震性試驗研究;(5)各類機電產品的振動例行試驗;(6)家庭用具和人體在地震作用下的反應研究。

地震虛擬仿真運動平臺是四川省地震局汶川地震災后恢復重建項目中的一項，全稱為地震虛擬仿真運動平臺科普教育系統。地震虛擬仿真運動平臺采用計算機虛擬現實、數字仿真與信息可視化等先進技術。通過模擬地震時人能感受到的六自由度運動，為體驗者提供地震時振動、抖動、扭動等運動感受，使體驗者獲得模擬的近似真實地震環境中運動的感覺。地震虛擬仿真運動平臺也在地震模擬振動臺實驗方面有廣泛的應用。地震虛擬仿真運動平臺系統由六大部分組成:動感體驗平臺、地震虛擬仿真影音分系統、地震虛擬仿真綜合應用平臺、實時仿真分系統、控制分系統、輔助分系統。其核心部分的動感體驗平臺采用的是三向六自由度模擬地震振動的運動平臺。動感體驗平臺由兩部分組成，他們分別是電動六自由度并聯機構平臺和體驗平臺子系統。電動六自由度并聯結構平臺可以提供地震波帶來的典型地震震動感覺，以及與場景變化相一致的姿態和加速度感覺。圖1為動感體驗平臺配置示意圖。體驗平臺系統為體驗者提供震動平臺、座椅、安全裝置等，是支撐觀眾體驗的物理環境，由平臺結構、座椅、平臺通道三部分組成。平臺外形尺寸為5 m×5 m，底部通過三個鉸鏈支座用螺栓與電動六自由度并聯機構平臺相連接。平臺上安裝有30個安全座椅，四周安裝圍擋。圖2為體驗平臺子系統的設計實景圖。地震虛擬仿真運動平臺科普教育系統目前主體部分已經驗收，余下的配套工程(如平臺環境工程)正在有序地進行。該系統建成后，將作為四川省地震災害緊急救援隊的訓練平臺。同時，也會對社會公眾開放，使參觀者在模擬的地震環境中學習掌握各種防震減災、自救互救的知識和技能。

4 結束語

地震模擬振動臺的發展經歷了一個長期的過程，其發展歷程主要體現在振動波形、自由度數、模擬方式、控制方式等四個關鍵的技術方面，他們是逐漸發展與進步的。未來地震模擬振動臺定會向大尺寸和臺陣式建設發展，而全數字控制技術和可視化的菜單式操作也是未來的發展趨勢。四川省地震局正在研制建設中的地震虛擬仿真運動平臺系統將會為地震災害緊急救援隊的訓練和廣大民眾學習、掌握各種防震減災、自救互救的知識和技能提供強有力的支持和保證。

圖2 體驗平臺子系統的設計實景

［1］李敏霞，楊澤群，陳建秋.地震模擬振動臺技術的開發與應用［J］.世界地震工程，1996，(2):49-54.

［2］黃浩華.地震模擬振動臺發展情況介紹［J］.世界地震工程，1985，(1):47-51.

［3］方重.模擬地震振動臺的近況及其發展［J］.世界地震工程，1999，(2):89-91.

［4］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.

［5］王燕華，程文襄，陸飛，等.地震模擬振動臺的發展［J］.工程抗震與加固改造，2007，(5):53-56.