【摘 要】臺陣系統(tǒng)是工程結(jié)構(gòu)在地震模擬振動臺方面的主要發(fā)展方向。它為一系列的工程理論研究和實驗研究提供了一個有力的實驗平臺。本文對典型的臺陣系統(tǒng)做一個簡要的介紹，主要介紹福州大學(xué)三臺陣系統(tǒng)的主要技術(shù)規(guī)格和應(yīng)用，特別是在大跨度橋梁工程方面。給出一個連續(xù)梁橋的試驗例子。

【關(guān)鍵詞】地震模擬振動臺 多臺陣 測試與應(yīng)用 連續(xù)梁橋

一、引言

地震模擬振動臺是土木工程學(xué)科重要的試驗設(shè)備，它的主要作用是重現(xiàn)地震波，研究工程結(jié)構(gòu)在地震作用下的動力特性和破壞機理。五十年代時期主要采用野外原型方法進行抗震試驗，它將強震觀測儀器設(shè)置在地震區(qū)的房屋等結(jié)構(gòu)上，當(dāng)強震來臨時，便可獲得建筑的動力特性，如固有頻率、阻尼、振型等參數(shù)提供抗震理論分析用。但是由于強震少，且受到地震預(yù)報的約束，該方法發(fā)揮有限。至六十年代初期，大型起振機等方式在原型結(jié)構(gòu)上進行振動破壞試驗，以獲取所需數(shù)據(jù)，但是，要模擬地震破壞是很困難的，而且做一個試驗，投資是相當(dāng)大的，試驗周期也很長。因而探索將房屋結(jié)構(gòu)放到實驗室來進行試驗，花較少的錢，以最快的速度，獲取更多的數(shù)據(jù)，從而地震模擬振動臺在六十年代末應(yīng)運而生。

日本是世界上最早建成地震模擬振動臺的國家。1966年在東京大學(xué)生產(chǎn)技術(shù)研究所建成了l0mx2m的水平和垂直同時工作的地震模擬振動臺。目前，世界上最大的振動臺是日本防災(zāi)技術(shù)研究所的20m×15m的三向六自由度振動臺。國外對振動臺不僅作為一個重要的研究方向，而且已經(jīng)形成規(guī)模和產(chǎn)業(yè)。許多著名大學(xué)和研究機構(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。國外主要制造公司有美國MTS公司、Team公司、Wyle公司，德國力士樂公司、SHENCK公司，英國ServoTest公司，日本的三菱和IMV公司等。它們與本國的著名大學(xué)合作，使振動技術(shù)處于國際領(lǐng)先水平。以美國MTS公司為例，該公司在近20年中，已向世界各國出口了近30多臺套大型振動模擬臺。

二、福州大學(xué)地震模擬振動臺三臺陣系統(tǒng)

福州大學(xué)地震模擬振動臺三臺陣系統(tǒng)是福州大學(xué)土木工程學(xué)院的主要設(shè)備之一。該振動臺臺陣系統(tǒng)主要用于各種地震工程力學(xué)的基礎(chǔ)性理論研究、各類建筑結(jié)構(gòu)、大跨懸索橋、斜拉橋、高架橋、立交橋、輕軌高架等公路及鐵路橋的整體抗震研究、城市管線結(jié)構(gòu)以及能源管線的抗震研究、地鐵、隧道結(jié)構(gòu)抗震及高邊坡等的抗震試驗研究、運輸模擬研究等等，對研究模型進行振動荷載（包括F.G波、隨機波等）試驗，為原型結(jié)構(gòu)和材料的動力特性研究和分析驗證提供試驗手段。

表1. 福州大學(xué)三臺陣系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)

臺面尺寸2.54m×2.54m4.05m×4.05m2.54m×2.54m

自由度333

最大模型載荷11噸22噸11噸

最大位移+/- 250 mm+/- 250mm+/-250 mm

最大速度X:1.5m/s， Y:1.0m/sX:1.5m/s， Y:1.0m/sX:1.5m/s， Y:1.0m/s

最大加速度X:1.5g， Y:1.2gX:1.5g， Y:1.2gX:1.5g， Y:1.2g

最大傾覆力矩200KN·m600KN·m200KN·m

工作頻率范圍0.1~50Hz0.1~50Hz0.1~50Hz

福州大學(xué)三臺陣系統(tǒng)參數(shù)如表1所示。其中中間為固定的4m×4m水平三向振動臺，兩邊為2.5m×2.5m可移動的水平三向振動臺各一個，三個臺在10m 30m的基坑內(nèi)呈一直線布置，三個臺面的頂平面與實驗室地坪相平，小臺與大臺的最小距離為0.5m，小臺與大臺最大距離為10m~12m，即模型的最大長度可達24米。三臺陣系統(tǒng)的三個臺子可以獨立工作，也可以同步工作，成為一個24m×2.5m的振動臺。而且，也可以僅適用其中的兩個臺子工作。輸入的地震波可以是同步的，也可以是異步的。三臺陣系統(tǒng)自2011年9月份驗收至今已完成大約25個模型試驗，有連續(xù)梁橋（使用三個臺子）、拱模型（使用兩個小臺）、隧道模型（使用單個大臺）、房屋建筑（使用一個大臺和一個小臺）等。部分試驗見表2。

表2.福州大學(xué)三臺陣系統(tǒng)進行的各項試驗

三、連續(xù)梁橋模型試驗測試

以一個連續(xù)梁橋的試驗為例，驗證福州大學(xué)三臺陣系統(tǒng)的技術(shù)參數(shù)及其控制精度，特別是它的同步性能；驗證它能在地震工程及一系列長跨橋梁等研究方面的應(yīng)用。

該模型橋全長14.2m，跨中中心距為6.9m、凈距6.3m。該橋主梁通過兩個橋墩支撐并錨固于大、小兩個振動臺臺面上，主梁與橋墩簡支。其中，在中間大臺處的橋墩與主梁為鉸結(jié)，邊上小臺處的橋墩豎向支撐著主梁（圖1）。

主梁截面為“π”形，兩肋中心距74cm，縱橋向每隔1.68m設(shè)置一道橫隔板。橋墩為雙柱式圓形截面，圓柱直徑30cm，兩圓柱間距為82cm，墩高1.2m；橋墩蓋梁的長、寬、高分別為142×30×40cm，蓋梁頂上設(shè)有兩個橡膠支座用于支撐主梁，為了防止主橋橫向移動，在蓋梁兩側(cè)設(shè)置有防撞擋塊。每個橋墩重約1.2t，主梁重約7t。同時，在主梁上方設(shè)置1500個配重塊合計3.0t的配重。為防止配重塊掉落，在主梁上方預(yù)留了伸出鋼筋。

該模型橋總重量約為13.6t。（見圖１）

模型試驗工況為EL-Centro地震波，共進行四個工況，見表4。從各工況的試驗結(jié)果可知，輸入波形與原始波形間的誤差基本在20%的范圍內(nèi)，基本能滿足試驗的要求。

表4. 地震模擬振動臺的連續(xù)梁橋模型試驗工況及精度

四、結(jié)論

本文簡要介紹了地震模擬振動臺的發(fā)展及現(xiàn)狀，著重介紹了福州大學(xué)三臺陣系統(tǒng)的技術(shù)參數(shù)與應(yīng)用，特別是在大跨度梁橋工程方面的應(yīng)用。通過連續(xù)梁橋試驗?zāi)Ｐ偷脑囼?，檢驗該三臺陣系統(tǒng)的精度，該三臺陣系統(tǒng)輸入波形與原始波形間的誤差基本在20%的范圍內(nèi)，基本能滿足試驗的要求。

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基金項目：福建省教育廳科技項目（JA11023）

作者簡介：陳遠東，男，（1986—），福建莆田人，碩士，助理實驗師，從事地震模擬振動臺抗震技術(shù)研究。