張玉川，鄔柳俊

(同濟(jì)大學(xué)多功能振動臺試驗(yàn)室，上海 201804)

1 引 言

我國是地震災(zāi)害發(fā)生較為頻繁的國家，無論1976年的唐山地震還是2008年的汶川地震，都造成了慘重的生命財產(chǎn)損失和巨大的工程設(shè)施破壞。抵御震害的主要途徑是工程抗震。模擬地震振動臺模型試驗(yàn)作為研究地震破壞機(jī)理、檢驗(yàn)工程抗震設(shè)計方法效果的重要手段，越來越廣泛地應(yīng)用于高校研究和復(fù)雜工程設(shè)計中。進(jìn)入新世紀(jì)以來，國內(nèi)各高校有一批大型振動臺設(shè)備投入使用，各類型試驗(yàn)的模型設(shè)計方法和試驗(yàn)技術(shù)日益成熟，但與試驗(yàn)室交互過程中出現(xiàn)的模型相關(guān)問題的研究相對較少。

振動臺試驗(yàn)的主體是試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，大多?shù)工作也都是圍繞模型開展的。這些工作不能脫離試驗(yàn)室獨(dú)立完成，所以以同濟(jì)大學(xué)多功能振動臺試驗(yàn)室為例，提出試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖嚓P(guān)的問題并尋求解決方法。

2 振動臺設(shè)備參數(shù)及運(yùn)行現(xiàn)狀

多點(diǎn)振動臺組地震模擬系統(tǒng)由A、B、C、D四個振動臺，兩條槽道(長度分別是70m和30m)及一道10m高的反力墻組成。試驗(yàn)室從2013年正式運(yùn)營至今共完成40余項國內(nèi)外抗震試驗(yàn)(測試)，試驗(yàn)類型涵蓋建筑結(jié)構(gòu)、橋梁、隧道及地下結(jié)構(gòu)、工程設(shè)備等，積累了一定的試驗(yàn)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)。振動臺系統(tǒng)及各類型試驗(yàn)數(shù)量分布如圖1、圖2所示。

圖1 振動臺系統(tǒng)示意圖

圖2 各類型試驗(yàn)數(shù)量分布

3 試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計中應(yīng)注意的問題

3.1 試驗(yàn)場地

振動臺試驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵话憧煞譃檎w澆筑和預(yù)制拼裝兩種類型，模型通常體量大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。在模型的澆筑、養(yǎng)護(hù)、運(yùn)輸、安(拼)裝、拆卸和后續(xù)處理上對空間環(huán)境的要求都比較高。模型設(shè)計時，需要考慮試驗(yàn)室大門高寬、屋頂高度，行車噸位、高度等客觀因素，也要考慮模型在制作、運(yùn)輸與安裝過程中是一個多方參與的復(fù)雜工作，需在確保安全的情況下統(tǒng)籌有序推進(jìn)。試驗(yàn)室場地狀況如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)室場地狀況

3.2 振動臺設(shè)備的性能參數(shù)

振動臺的基本參數(shù)包括臺面尺寸、安裝孔位、承載能力、控制精度、抗傾覆能力及試驗(yàn)加載能力等。大多數(shù)參數(shù)是由設(shè)備的外形構(gòu)造和機(jī)電性能極限決定的，但是振動臺的實(shí)際加載能力與試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷耐庑螛?gòu)造、質(zhì)量分布、動態(tài)特性以及試驗(yàn)加載使用的地震波有著密切關(guān)系。振動臺設(shè)備的臺面尺寸和承載能力限定了模型的大致形狀尺寸與重量，設(shè)計者需要在試驗(yàn)?zāi)康暮驮O(shè)備的加載能力間尋求平衡。多功能振動臺試驗(yàn)室設(shè)備性能參數(shù)見表1。

表1 多功能振動臺試驗(yàn)室設(shè)備性能參數(shù)

高校振動臺試驗(yàn)室主要承接的是科研型試驗(yàn)，試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷脑O(shè)計者一般都是在讀的碩、博研究生，其雖然設(shè)計理論知識豐富，但是往往缺乏工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，模型設(shè)計偏理想化，容易忽視施工過程中客觀存在的誤差，或模型制作過程中對施工質(zhì)量把控不足導(dǎo)致的模型安裝孔位存在的尺寸偏差，進(jìn)而影響試驗(yàn)進(jìn)程。

振動臺的承載力、位移、速度、加速度、工作頻率等參數(shù)都存在極限，而且這些極限狀態(tài)多數(shù)情況下不能同時滿足。一般橋隧試驗(yàn)?zāi)Ｐ涂s尺比都較大，模型質(zhì)量加上配重也遠(yuǎn)達(dá)不到設(shè)備承載力極限，可以在試驗(yàn)加載工況的設(shè)計上有更多的選擇空間。而建筑結(jié)構(gòu)模型的縮尺比相對較小，甚至有足尺模型，模型質(zhì)量往往貼近設(shè)備承載力極限，外形和構(gòu)造又千差萬別，所以要想達(dá)到理想的試驗(yàn)?zāi)康?，必須在試?yàn)設(shè)計階段就充分掌握振動臺的性能參數(shù)。

3.3 模型的抗傾覆設(shè)計

振動臺系統(tǒng)是一個承載力敏感系統(tǒng)，這是由振動臺的物理特性決定的。以本試驗(yàn)室承載力30t的振動臺為例，該振動臺的豎向支撐系統(tǒng)包括4只平面靜壓軸承和1只額定拉力550kN下拉作動器組成。工作時，4只靜壓軸承頂升支撐起臺面和試件并調(diào)整臺面平整度，下拉作動器將臺面錨定，防止臺面拱起或側(cè)翻。平面靜壓軸承和滑動面之間沒有任何連接，因此無法承受拉力，控制系統(tǒng)為確保設(shè)備安全運(yùn)行，設(shè)定當(dāng)任意一只靜壓軸承的壓力小于70kN時，系統(tǒng)進(jìn)入自我保護(hù)，自動泄壓停機(jī)。這一過程無論對試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦€是設(shè)備本身，都是巨大的安全隱患，劇烈地震波加載過程中突然停機(jī)可能導(dǎo)致模型產(chǎn)生非試驗(yàn)性損傷，增加設(shè)備的機(jī)械磨損，嚴(yán)重時直接導(dǎo)致設(shè)備故障無法啟動。振動臺豎向支撐系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 振動臺豎向支撐系統(tǒng)

模型的總重量應(yīng)低于設(shè)備的承載力，質(zhì)量分布應(yīng)盡量均勻。一些大型廠房模型為了模擬設(shè)備和倉庫的使用狀態(tài)，模型偏載嚴(yán)重，安裝完成后振動臺在靜止?fàn)顟B(tài)下部分軸承接近傾覆力的極限，這樣在地震波加載時就會束手束腳，無法完成預(yù)定的加載任務(wù)。模型的重心越高就越容易傾覆，高層建筑模型務(wù)必控制模型的總質(zhì)量，設(shè)定合理的加載目標(biāo)。對于一些高聳結(jié)構(gòu)模型，建議在保證基礎(chǔ)強(qiáng)度的前提下，盡量擴(kuò)大連接板面積，使載荷均勻分布在各個靜壓軸承上。

3.4 模型的動態(tài)特性

振動臺試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷淖哉耦l率大多在1～10Hz的地震卓越平臺段內(nèi)，振動臺設(shè)備的油柱共振頻率在14Hz左右，一般不會引起臺面和模型的共振。對于一些重量接近振動臺承載力極限的模型，在試驗(yàn)加載過程中如果模型本身在地震波的激勵下發(fā)生共振，振動臺很難抑制，最終振動會發(fā)散進(jìn)而觸發(fā)設(shè)備的安全保護(hù)機(jī)制。對于一些大型的松散框架結(jié)構(gòu)，還需注意模型的扭轉(zhuǎn)頻率與阻尼比，扭轉(zhuǎn)頻率接近基頻，阻尼比過低耗能慢都可能導(dǎo)致模型發(fā)生共振。

4 模型安裝調(diào)式及加載過程中應(yīng)注意的問題

4.1 模型的進(jìn)場與安裝

試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷那捌谥谱饕话愣荚诨炷翝仓さ鼗蜾摌?gòu)件加工車間完成，在轉(zhuǎn)移到試驗(yàn)室的過程中要有完整且細(xì)致的操作方案以確保人員、模型及設(shè)備的安全。盡可能準(zhǔn)確地計算模型質(zhì)量，選擇合適的吊裝、拖運(yùn)設(shè)備，保證有足夠的安全系數(shù)。

對于一些體量大、重心高、質(zhì)量分布不均勻的試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，吊裝必須使用輔助框架并配備合適的吊具，根據(jù)模型上吊裝點(diǎn)的位置調(diào)整框架上的吊點(diǎn)在同一軸線上，可以減少吊具對模型的擠壓或者拉扯?？蚣芘c模型之間的吊具通常選擇手動葫蘆，可以根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整每根鏈條的長短，最終使模型能平穩(wěn)起落，方便對照振動臺孔位安裝。模型吊裝用框架見圖5。

圖5 模型吊裝用框架

模型和振動臺有效連接之后，需要安裝模型配重，建筑結(jié)構(gòu)模型的配重物一般為帶有安裝孔的金屬塊。如果模型沒有設(shè)計配重塊的安裝裝置，通常會采用硅膠或者砂漿堆砌的方法來安裝?？紤]到加載時的安全問題，堆砌的層數(shù)不宜過高，如外圍沒有阻擋，需設(shè)置防跌落措施(如覆蓋防跌落網(wǎng))。

4.2 模型觀測點(diǎn)與傳感器布置

模型觀測點(diǎn)選取應(yīng)兼顧整體與局部，常多角度、多立面架設(shè)拍攝設(shè)備，記錄模型的整體運(yùn)動軌跡。隨著科技的發(fā)展，高速攝影測量和無人機(jī)航拍等新技術(shù)也逐漸應(yīng)用在試驗(yàn)過程中，提供了前所未有的便利。對于重要節(jié)點(diǎn)的觀測，可以使用運(yùn)動攝像機(jī)、高清網(wǎng)絡(luò)攝像頭實(shí)時記錄模型的變形、開裂及破壞形態(tài)。

振動臺試驗(yàn)需要采集的數(shù)據(jù)類型主要是應(yīng)變、位移和加速度。加速度計布置比較方便，只需要確定安裝的位置，然后有效固定就能穩(wěn)定輸出數(shù)據(jù)。應(yīng)變計的位置分為模型(混凝土構(gòu)件)內(nèi)部和模型表面兩種。內(nèi)部應(yīng)變計需在模型澆筑之前粘貼完畢，并做好環(huán)氧防護(hù)及編號。表面應(yīng)變計的布置需考慮試件表面處理及粘貼時的操作空間。位移計布置分為絕對位移與相對位移兩種。絕對位移測量一般選用拉線式位移計，布置時需在模型外圍的地面搭建具有一定穩(wěn)定性的輔助框架來獲取模型被測點(diǎn)與地面之間的位移量變化。相對位移計的布設(shè)則因具體測量要求各異而比較復(fù)雜，需要試驗(yàn)設(shè)計者事先了解不同位移傳感器的工作模式，根據(jù)實(shí)際需求選擇適合的傳感器與安裝方式。試驗(yàn)室常用傳感器如圖6所示。

圖6 試驗(yàn)室常用傳感器

如試驗(yàn)方需使用自備的傳感器，應(yīng)提前準(zhǔn)備樣品，測試其與試驗(yàn)室內(nèi)部數(shù)據(jù)采集設(shè)備的兼容性，并確定合理的安裝布置方式。振動臺試驗(yàn)通道數(shù)量多、測點(diǎn)分散、各類信號線纜繁雜，通道編號就顯得尤為重要。建議制作兩套通道編號表格對照使用，安裝調(diào)試時使用簡單的羅馬數(shù)字編號，方便接入、梳理與調(diào)試，測試前再對照表格改成詳細(xì)通道名，方便后續(xù)的數(shù)據(jù)處理。

4.3 試驗(yàn)加載及模型后續(xù)處理

試驗(yàn)正式加載前，需完成材料力學(xué)性能測試，根據(jù)實(shí)測值修正數(shù)值模擬結(jié)果，進(jìn)而估算出加載各階段中模型的特征值，更好地掌控試驗(yàn)節(jié)奏。振動臺試驗(yàn)的加載具有一定的危險性，試驗(yàn)參與者必須在做好安全防護(hù)的前提下各司其職，在得到控制室的允許后方可靠近模型觀測、記錄試驗(yàn)現(xiàn)象。試驗(yàn)加載結(jié)束后，模型會有不同程度的損傷，應(yīng)謹(jǐn)慎評估模型的安全狀態(tài)，制定切實(shí)可行的拆卸方案。完成所有的觀測、記錄后，應(yīng)先回收傳感器及觀測設(shè)備，再拆除模型配重，最后再按照方案將模型從設(shè)備上拆除。試驗(yàn)后的模型應(yīng)妥善安置，如還有科研、應(yīng)用價值，應(yīng)提前安排好放置場地。

5 結(jié) 語

振動臺試驗(yàn)室作為工程抗震研究的前沿陣地，應(yīng)從各類試驗(yàn)中充分總結(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，然后再反饋到后續(xù)的項目中去。服務(wù)范圍也不能局限于試驗(yàn)室內(nèi)部，要在試驗(yàn)設(shè)計、模型制作與安裝、試驗(yàn)加載的全過程中保持與試驗(yàn)委托方的高效溝通，必要時給與合理的建議與技術(shù)支持。