鄭子龍，鄭昕陽

（1.交通部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所工程泥沙交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300456；2.中交股份國(guó)投曹妃甸港口項(xiàng)目經(jīng)理部，唐山 063205）

地震對(duì)港口碼頭危害相當(dāng)嚴(yán)重，據(jù)統(tǒng)計(jì)全世界每年約發(fā)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(qiáng)烈地震一旦發(fā)生在沿海地區(qū)，必將造成嚴(yán)重的后果。僅20世紀(jì)后期，世界各地就發(fā)生了數(shù)百次嚴(yán)重的破壞性地震（表1）。震害較多國(guó)家的相關(guān)行業(yè)都制定有抗震設(shè)計(jì)規(guī)范。我國(guó)電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定“設(shè)計(jì)烈度為8、9度時(shí)，工程抗震設(shè)防類別為甲類的水工建筑物，應(yīng)進(jìn)行動(dòng)力試驗(yàn)驗(yàn)證”［1］。交通運(yùn)輸部《水運(yùn)工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》［2］中規(guī)定，設(shè)計(jì)烈度小于6度不進(jìn)行抗震計(jì)算，高于9度應(yīng)進(jìn)行專門的研究論證，并明確了采用《中國(guó)地震烈度區(qū)劃圖》（1990）作為設(shè)計(jì)烈度。從該圖中可知，大多沿海地區(qū)地震烈度高于6度。目前，在水運(yùn)工程設(shè)計(jì)中，抗震分析一般采用計(jì)算分析的方法，相關(guān)研究工作開展得很少，尚不具備開展實(shí)驗(yàn)研究所需的技術(shù)手段及大型設(shè)備。因此，建設(shè)水下振動(dòng)臺(tái)，對(duì)提高水運(yùn)工程抗震減災(zāi)的理論研究及實(shí)驗(yàn)技術(shù)是非常必要的。

1 振動(dòng)臺(tái)實(shí)驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)

1.1 振動(dòng)臺(tái)的研究與發(fā)展現(xiàn)狀

在一些國(guó)家，振動(dòng)臺(tái)作為一個(gè)重要的研究方向，已經(jīng)形成規(guī)模和產(chǎn)業(yè)。許多著名大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)與專業(yè)制造公司合作，在前沿技術(shù)和應(yīng)用技術(shù)方面的研究和開發(fā)都取得了重要成果。國(guó)外主要制造公司有美國(guó)MTS公司、德國(guó)Shenck公司，英國(guó)ServoTest公司以及日本的三菱公司等。

美國(guó)是研制振動(dòng)臺(tái)最早的國(guó)家之一，20世紀(jì)60年代就已經(jīng)開始了對(duì)多向振動(dòng)臺(tái)的研制，20世紀(jì)70年代，已成功地開發(fā)出具有較高頻率、較小失真度等特性的多向振動(dòng)系統(tǒng)［3-4］。20世紀(jì)80年代，美國(guó)和日本進(jìn)行合作，利用計(jì)算機(jī)完成了驅(qū)動(dòng)信號(hào)生成、在線控制以及歷史數(shù)據(jù)記錄等功能。時(shí)至今日，美國(guó)MTS公司在振動(dòng)臺(tái)領(lǐng)域仍處于國(guó)際領(lǐng)先水平。

日本研制振動(dòng)臺(tái)相對(duì)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(dòng)臺(tái)：15 m×15 m水平或垂直單方向工作的振動(dòng)臺(tái)［5］。

德國(guó)在振動(dòng)臺(tái)方面的研究起步雖較晚，但技術(shù)水平卻很高，其代表性公司Schenck開發(fā)的第一臺(tái)振動(dòng)臺(tái)是為中國(guó)水利水電科學(xué)研究院研制的，規(guī)模為5 m×5 m，振動(dòng)方向?yàn)槿蛄杂啥?。該振?dòng)臺(tái)引入了德國(guó)西門子公司的技術(shù)，大大提高了系統(tǒng)可靠性。

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

國(guó)內(nèi)高性能振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)的研究起步較晚，除引進(jìn)了一些國(guó)外先進(jìn)的高性能振動(dòng)臺(tái)以滿足試驗(yàn)研究的需要外，還自行研制各類振動(dòng)臺(tái)，中國(guó)國(guó)家地震局工程力學(xué)研究所采用國(guó)產(chǎn)設(shè)備自行研制了雙向振動(dòng)臺(tái)，于1985年安裝完畢并同時(shí)進(jìn)行了鑒定，于1997年升級(jí)成三向六自由度振動(dòng)臺(tái)，該振動(dòng)臺(tái)基礎(chǔ)外形尺寸為15 m×15 m，重約2 400 t，最大基礎(chǔ)面加速度小于0.1 g，可以進(jìn)行9 m高的模型試驗(yàn)；同濟(jì)大學(xué)最初的地震模擬振動(dòng)臺(tái)于1983年7月投入使用，初步建設(shè)為X、Y兩向，并為第三向的設(shè)置預(yù)留了余地，20世紀(jì)90年代改造為三向六自由度運(yùn)動(dòng)；中國(guó)建筑科學(xué)研究院的地震模擬振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面尺寸為6 m×6 m，由美國(guó)MTS公司總承包；中國(guó)水利水電科學(xué)研究院從德國(guó)引進(jìn)全套振動(dòng)臺(tái)，于1985年建成，該振動(dòng)臺(tái)的工作頻率上限達(dá)到了120 Hz，由德國(guó)Schenck公司總承包建設(shè)；1978年9月國(guó)家地震局工程力學(xué)研究所加入聯(lián)合研制組參與5 m×5 m三向地震模擬振動(dòng)臺(tái)的研制，聯(lián)合研制組于1980年進(jìn)行了方案論證，考慮到技術(shù)復(fù)雜性，決定研制3 m×3 m單向水平向地震模擬振動(dòng)臺(tái)作為中間試驗(yàn)項(xiàng)目，該項(xiàng)目于1983年完成并作為產(chǎn)品提供給機(jī)械工業(yè)部抗震研究室。目前上海正在建設(shè)國(guó)內(nèi)最大的地震振動(dòng)臺(tái)，整個(gè)實(shí)驗(yàn)室預(yù)計(jì)在2011年竣工。屆時(shí)橋梁等大型建筑的模型都可放置在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，接受模擬地震波的檢驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)室將落戶嘉定，總投資約1億元。

近年來，各大學(xué)和科研院所進(jìn)行了很多振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，涉及土木工程、電氣設(shè)備、機(jī)械設(shè)備、礦山建筑等多個(gè)領(lǐng)域，其中在土木工程領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用最為廣泛，主要應(yīng)用于高層建筑、超高層建筑和高聳結(jié)構(gòu)如電視塔等的抗震分析，為建筑物的抗震設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)控制設(shè)計(jì)提供重要依據(jù)。

目前，大型振動(dòng)臺(tái)設(shè)備的研發(fā)和應(yīng)用受到了很多學(xué)者和專家的關(guān)注，國(guó)際上很多國(guó)家都致力于研究承載力大、頻域?qū)挼亩喙δ苷駝?dòng)臺(tái)系統(tǒng)，但由于原型與模型結(jié)構(gòu)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(dòng)臺(tái)實(shí)現(xiàn)寬頻域的地震波的激勵(lì)使結(jié)構(gòu)反應(yīng)更加接近實(shí)際，能極大提高試驗(yàn)的精度和準(zhǔn)確度，同時(shí)考慮到結(jié)構(gòu)地上地下以及水下和強(qiáng)風(fēng)等不同的外界條件，設(shè)計(jì)多功能振動(dòng)臺(tái)設(shè)備可以為工程提供更可靠的依據(jù)?？偟膩碚f，振動(dòng)臺(tái)地震模擬系統(tǒng)試驗(yàn)在科研與實(shí)際領(lǐng)域都有很大的意義，是分析和評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)抗震問題的重要手段。

1.2 水下振動(dòng)臺(tái)的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀

抗震研究工作包括計(jì)算分析和試驗(yàn)研究?jī)煞矫?，試?yàn)研究在整個(gè)研究工作中占有極為重要的地位。目前，陸上抗震試驗(yàn)包括野外原型試驗(yàn)、地震模擬振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)、偽動(dòng)力試驗(yàn)、偽靜力試驗(yàn)、模型動(dòng)力特性試驗(yàn)、材料動(dòng)力特性試驗(yàn)、土動(dòng)力試驗(yàn)和故障診斷試驗(yàn)等［9］。而針對(duì)水下結(jié)構(gòu)物的試驗(yàn)手段則相對(duì)較少。

日本是研制水下振動(dòng)臺(tái)較早的國(guó)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(dòng)臺(tái)，采用三參量控制方法實(shí)現(xiàn)了振動(dòng)臺(tái)的加速度控制，并在理論上首次解決了六自由度獨(dú)立控制問題。目前，已成功應(yīng)用于日本港灣空港技術(shù)研究所構(gòu)造振動(dòng)研究室的抗震實(shí)驗(yàn)研究，是世界上最大的水下振動(dòng)臺(tái)，解決了很多水下結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)問題。

大連理工大學(xué)抗震研究室是目前我國(guó)唯一擁有水下振動(dòng)臺(tái)模擬系統(tǒng)（兩向三自由度）、可以進(jìn)行水下結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)室。水下振動(dòng)臺(tái)位于長(zhǎng)14 m，寬5 m，高1 m的水池中，在與激勵(lì)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(duì)試驗(yàn)的影響，模擬無限遠(yuǎn)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(xiàng)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(píng)價(jià)；（2）海洋工程的海上平臺(tái)以及海底管線在地震作用下的破壞機(jī)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(zāi)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(píng)價(jià)和加固設(shè)計(jì)、大廈的抗震安全性分析。

綜上所述，通過振動(dòng)臺(tái)對(duì)水工結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震物理模型試驗(yàn)，對(duì)抗震減災(zāi)的理論研究和工程項(xiàng)目建設(shè)提供了較強(qiáng)的技術(shù)支撐。

2 建設(shè)水下振動(dòng)臺(tái)的技術(shù)難點(diǎn)與應(yīng)用前景

工程結(jié)構(gòu)抗震試驗(yàn)是研究結(jié)構(gòu)抗震性能的一個(gè)重要方面，主要分為結(jié)構(gòu)抗震靜力試驗(yàn)和結(jié)構(gòu)抗震動(dòng)力試驗(yàn)兩大類?？拐饎?dòng)力試驗(yàn)主要以非周期性動(dòng)力試驗(yàn)為主，其主要特點(diǎn)是可以考慮一定的應(yīng)變速率。由于計(jì)算方法和計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，對(duì)水上結(jié)構(gòu)進(jìn)行非線性分析，了解其在地震、爆炸等各種動(dòng)力荷載作用下的響應(yīng)與破壞形態(tài)已不十分困難［10］。非線性動(dòng)力分析軟件大量產(chǎn)生。但是，由于沒有解決材料的本構(gòu)模型和本構(gòu)參數(shù)等問題，對(duì)其在強(qiáng)震作用下發(fā)生震害的裂縫部位、裂縫走向以及裂縫的擴(kuò)展范圍等，不同學(xué)者通過非線性分析得出的結(jié)果仍然千差萬別，這就使得數(shù)模計(jì)算方法的應(yīng)用受到限制，遠(yuǎn)未達(dá)到“萬能”的階段。特別是水下結(jié)構(gòu)物的抗震計(jì)算就更難實(shí)現(xiàn)。因此，物理模型和試驗(yàn)的方法仍然是我們研究工程問題的有力工具。研究水下結(jié)構(gòu)抗震性能最準(zhǔn)確的試驗(yàn)方法是振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)。振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)可以很好地再現(xiàn)地震過程并進(jìn)行人工地震波試驗(yàn)，是進(jìn)行結(jié)構(gòu)-水-地基相互作用動(dòng)力特性、地震反應(yīng)和破壞機(jī)理等實(shí)驗(yàn)室研究一種重要的方法。

2.1 技術(shù)難點(diǎn)

相對(duì)于陸上振動(dòng)臺(tái)，由于振動(dòng)臺(tái)要在水下工作，必與水耦合而產(chǎn)生參振附加質(zhì)量，這個(gè)附加質(zhì)量是流體與結(jié)構(gòu)耦合所特有的，隨振動(dòng)位移、速度、加速度的變化而變化。這就使水下振動(dòng)臺(tái)的研究存在如下難點(diǎn)：（l）流固耦合狀態(tài)下，耦合前后振動(dòng)臺(tái)的工作頻率范圍變化［11］；（2）臺(tái)面在水下工作，由于存在水的附加質(zhì)量，水中的振級(jí)較空氣中的振級(jí)低，因此驅(qū)動(dòng)力要有一定程度的提高；（3）振動(dòng)臺(tái)的密封問題。水下振動(dòng)臺(tái)的臺(tái)面多為圓形或橢圓形，在密封情況下，由于密封部分與臺(tái)面連接，在振動(dòng)臺(tái)工作時(shí)也會(huì)參與振動(dòng)。因此，密封問題對(duì)振動(dòng)臺(tái)的正常工作會(huì)產(chǎn)生很大的影響；（4）在水中運(yùn)動(dòng)，由于非線性、干擾因素（如顛覆力矩、阻尼等）存在，會(huì)對(duì)物理模型的振動(dòng)波形有一定影響，這樣對(duì)波形失真控制提出了要求［12］。

2.2 應(yīng)用前景

近十幾年來，我國(guó)開展了大規(guī)模水運(yùn)工程建設(shè)，很多工程都處在7度以上烈度區(qū)。今后幾十年，我國(guó)水運(yùn)工程建設(shè)將持續(xù)發(fā)展，特別是一些超大型水運(yùn)工程的設(shè)計(jì)使用期超過100 a，如正在建設(shè)中的港珠澳跨海通道工程、即將建設(shè)的瓊州海峽跨海通道工程，對(duì)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(huì)得到高度重視，水下振動(dòng)臺(tái)實(shí)驗(yàn)設(shè)備將有廣闊的應(yīng)用前景?？砷_展以下振動(dòng)實(shí)驗(yàn)研究工作：（1）研究碼頭、防波堤、跨海橋隧等結(jié)構(gòu)最基本的動(dòng)力特性自振頻率和相應(yīng)的振型，各振型的能量耗散或阻尼值。在各種特定動(dòng)力荷載作用下的動(dòng)力反應(yīng)，如應(yīng)力和位移等。特定的動(dòng)力荷載如地震荷載等引起的振動(dòng)荷載等。（2）研究水工結(jié)構(gòu)的地震破壞機(jī)理和破壞模式，對(duì)水工結(jié)構(gòu)抗震能力的安全性評(píng)價(jià)。（3）研究水工結(jié)構(gòu)中地震作用力的分布，為檢驗(yàn)結(jié)構(gòu)的抗震分析方法提供依據(jù)，尋找結(jié)構(gòu)中可能存在的薄弱環(huán)節(jié)，為采取有效的抗震措施提供依據(jù)。（4）研究各種介質(zhì)物（地基-結(jié)構(gòu)-水-地震波）之間的相互作用問題，同時(shí)考慮風(fēng)、浪、流的綜合影響，為新的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)理論提供技術(shù)支撐。（5）同時(shí)開展相關(guān)領(lǐng)域水工建筑物的地震破壞試驗(yàn)研究。

除針對(duì)水工結(jié)構(gòu)建筑物的相關(guān)研究外，還可進(jìn)行一些擴(kuò)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(dòng)力特性與本構(gòu)關(guān)系；（3）混凝土材料、巖土材料的靜動(dòng)態(tài)本構(gòu)關(guān)系；（4）智能材料與結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制；（5）巖土工程建筑物、邊坡、地基的地震穩(wěn)定；（6）地下結(jié)構(gòu)的抗震分析；（7）結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)性能識(shí)別與健康監(jiān)測(cè)；（8）工程結(jié)構(gòu)防災(zāi)減災(zāi)理論的研究。

3 結(jié)論

研究水工結(jié)構(gòu)物抗震性能和預(yù)防措施，減少地震災(zāi)害，保證水運(yùn)工程的安全暢通是工程設(shè)計(jì)與管理的首要任務(wù)之一。

地震模擬振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)已逐漸成為各高校和科研院所研究復(fù)雜工程設(shè)計(jì)中廣泛采用的方法，該方法可以很好地輸入實(shí)測(cè)及人工地震波，再現(xiàn)地震全過程，可以直觀地觀察模型的動(dòng)力特性和破壞過程，發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的薄弱部位，探詢結(jié)構(gòu)的破壞機(jī)制，為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中采取合理的抗震措施提供依據(jù)，是在試驗(yàn)室中研究結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)和破壞機(jī)理的最直接方法。因此，在交通行業(yè)建設(shè)大型水下振動(dòng)臺(tái)模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)尤為重要，具有廣泛應(yīng)用前景。

通過應(yīng)用水下地震模擬振動(dòng)臺(tái)系統(tǒng)，可為水運(yùn)行業(yè)抗震設(shè)計(jì)、規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的制定等提供豐富的實(shí)驗(yàn)技術(shù)手段與強(qiáng)有力的科學(xué)依據(jù)。

［1］DL5073-2000，水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［2］JTJ225-98，水運(yùn)工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

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