紀(jì)金豹，武劍峰，李文月

(北京工業(yè)大學(xué)工程抗震與結(jié)構(gòu)診治北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100124)

地震模擬振動(dòng)臺(tái)作為研究結(jié)構(gòu)抗震性能和破壞機(jī)理的關(guān)鍵設(shè)備，被廣泛應(yīng)用于建筑橋梁抗震、文物保護(hù)、隔震支座研發(fā)等工作當(dāng)中，其中基礎(chǔ)是保障振動(dòng)臺(tái)控制性能、減小振動(dòng)對(duì)周圍環(huán)境和人員帶來(lái)?yè)p害的核心部件.目前，已經(jīng)有許多專家學(xué)者對(duì)振動(dòng)臺(tái)運(yùn)行振動(dòng)影響性分析進(jìn)行過(guò)研究.劉必?zé)舻萚1-2]對(duì)西南交通大學(xué)和防災(zāi)科技學(xué)院地震模擬振動(dòng)臺(tái)進(jìn)行振動(dòng)影響測(cè)試及分析，闡述了基礎(chǔ)振動(dòng)測(cè)試分析方法；Luco等[3]分析NEES-UCSD大型戶外振動(dòng)臺(tái)運(yùn)行對(duì)基礎(chǔ)的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明該振動(dòng)臺(tái)基礎(chǔ)具有足夠的強(qiáng)度和穩(wěn)定性；侯興民等[4-5]、黃浩華[6]通過(guò)傳遞函數(shù)法對(duì)振動(dòng)影響進(jìn)行理論計(jì)算，給出一種用于動(dòng)力響應(yīng)分析的一般集中參數(shù)模型.本文為了系統(tǒng)總結(jié)地震模擬振動(dòng)臺(tái)基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)方法與施工建造工藝，主要圍繞振動(dòng)臺(tái)基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)選型分析、關(guān)鍵參數(shù)影響、動(dòng)力計(jì)算方法和施工環(huán)節(jié)中的混凝土裂縫防護(hù)、基坑支護(hù)技術(shù)、預(yù)埋件安裝精度控制等問(wèn)題進(jìn)行全面的歸納與綜述.

1 振動(dòng)臺(tái)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

1.1 結(jié)構(gòu)選型

地震模擬振動(dòng)臺(tái)基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)形式可分為：實(shí)體式基礎(chǔ)、樁基與基礎(chǔ)組合式基礎(chǔ)、帶隔震溝的實(shí)體式基礎(chǔ)、水平和垂直分離式基礎(chǔ)、反力底板與基礎(chǔ)組合式基礎(chǔ)和懸浮式基礎(chǔ)等[7-12].實(shí)體基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單，剛度和質(zhì)量較大，可近似認(rèn)為是剛體，此類基礎(chǔ)的應(yīng)用最為廣泛，如2013年防災(zāi)科技學(xué)院建造的振動(dòng)臺(tái)就采用該基礎(chǔ)形式，通過(guò)動(dòng)力特性計(jì)算和測(cè)試可知，該振動(dòng)臺(tái)基礎(chǔ)表面三向最大振動(dòng)加速度為6g，而在國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中認(rèn)為距離基礎(chǔ)邊緣處10 m為測(cè)量范圍，振動(dòng)加速度有效值需小于10g，故該振動(dòng)臺(tái)基礎(chǔ)滿足實(shí)際使用需求[1].當(dāng)建造振動(dòng)臺(tái)的試驗(yàn)大廳土質(zhì)較差，天然地基無(wú)法滿足承載力和變形要求時(shí)，應(yīng)考慮在實(shí)體基礎(chǔ)上增加樁基.樁基可以穿過(guò)處于軟塑、流塑狀態(tài)的黏性軟弱土層，將荷載傳遞到更硬、更密實(shí)或壓縮性更小的持力層上，以降低振動(dòng)傳播和地基沉降.設(shè)計(jì)樁基礎(chǔ)時(shí)，應(yīng)對(duì)其進(jìn)行承載能力和變形驗(yàn)算，需注意的問(wèn)題包括群樁效應(yīng)、持力層土體承載能力和樁的抗裂驗(yàn)算等[12].河海大學(xué)三向六自由度水下振動(dòng)臺(tái)基礎(chǔ)尺寸為15 m×16 m×6.9 m，為了增加天然地基的承載能力，采用大體積混凝土基礎(chǔ)與樁基組合的形式，基礎(chǔ)底部打入25根直徑0.9 m的混凝土樁，并將基礎(chǔ)主體與油源間相連接，增大反力基礎(chǔ)質(zhì)量，進(jìn)一步保證自身控制性能，如圖1[13]所示.通過(guò)測(cè)試分析可知，各個(gè)方向的振動(dòng)加速度有效值均小于10g，隔振效果符合要求[12].對(duì)于大型地震模擬振動(dòng)臺(tái)，為了解決其基礎(chǔ)振動(dòng)較大的問(wèn)題，可在周圍設(shè)置隔振溝，隔振效果一般與寬度無(wú)關(guān)，隨深度增加而提升，深度常取0.6倍波長(zhǎng)[14].帶隔振溝的實(shí)體式基礎(chǔ)可以有效減弱低頻振動(dòng)向遠(yuǎn)處傳播的作用，降低振動(dòng)對(duì)周圍人員及建筑物的影響.西南交通大學(xué)8 m×10 m地震模擬振動(dòng)臺(tái)因場(chǎng)地條件限制，隔振溝深度無(wú)法達(dá)到預(yù)設(shè)要求，進(jìn)行基礎(chǔ)振動(dòng)影響測(cè)試及振動(dòng)衰減規(guī)律分析后得出結(jié)論，振動(dòng)加速度有效值不會(huì)高于6.6g，不對(duì)周圍環(huán)境造成振動(dòng)污染[4].水平和垂直分離型基礎(chǔ)適用于主要做水平運(yùn)動(dòng)的振動(dòng)臺(tái)，由于水平激振力作用線與基礎(chǔ)重心重合，減小了因偏心導(dǎo)致過(guò)大的傾覆力矩，從而降低基礎(chǔ)振動(dòng)[15].當(dāng)擬建振動(dòng)臺(tái)所在實(shí)驗(yàn)室具有擬動(dòng)力、擬靜力試驗(yàn)地板時(shí)，可考慮通過(guò)合理的布局，將振動(dòng)臺(tái)基礎(chǔ)與地板相結(jié)合，這樣不僅可以達(dá)到減小基礎(chǔ)振動(dòng)的目的，還可以一定程度減少造價(jià).東南大學(xué)自行組裝的4 m×6 m單向地震模擬振動(dòng)臺(tái)就是將實(shí)驗(yàn)室的整個(gè)地板作為振動(dòng)臺(tái)基礎(chǔ)，有成本低、性能好的優(yōu)點(diǎn)[16].懸浮式基礎(chǔ)分為內(nèi)基礎(chǔ)和外基礎(chǔ)兩部分，振動(dòng)臺(tái)被內(nèi)基礎(chǔ)承托著，外基礎(chǔ)直接與地基相連，內(nèi)外基礎(chǔ)之間通常采用隔震減震裝置連接，如橡膠墊、空氣彈簧等.這種基礎(chǔ)的優(yōu)點(diǎn)在于振動(dòng)可被隔震裝置有效地消耗掉，但是占地面積較大，造價(jià)、維護(hù)費(fèi)用較高，目前尚未被推廣[10].此外，還有一些基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式較為獨(dú)特的振動(dòng)臺(tái)，如意大利建造的EU Center大型單自由度振動(dòng)臺(tái)，臺(tái)面尺寸4 m×7 m，質(zhì)量32.68 t[17].為了適當(dāng)分布執(zhí)行機(jī)構(gòu)帶來(lái)的巨大應(yīng)力，在振動(dòng)臺(tái)基礎(chǔ)內(nèi)部增設(shè)若干蜂巢狀鋼隔膜板網(wǎng)絡(luò)，如圖2所示，所有內(nèi)部鋼板均穿孔，穿孔直徑從90 mm到200 mm不等，避免由于機(jī)械噪聲而產(chǎn)生的同向振動(dòng)[18].

圖1 河海大學(xué)水下振動(dòng)臺(tái)[13]

圖2 EU Center振動(dòng)臺(tái)內(nèi)部結(jié)構(gòu)[17-18]

振動(dòng)臺(tái)基礎(chǔ)的幾何形狀一般為規(guī)則的對(duì)稱結(jié)構(gòu)，為了避免基礎(chǔ)自身產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)，基礎(chǔ)的主軸方向應(yīng)與振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面主軸一致，基礎(chǔ)的質(zhì)心應(yīng)與振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面中心重合，這也稱為“形心對(duì)中原則”和“質(zhì)量矩平衡原則”[7].當(dāng)振動(dòng)臺(tái)各方向最大負(fù)載不相同或建設(shè)場(chǎng)地受到限制時(shí)，可以采用較為復(fù)雜的基礎(chǔ)形狀.例如，受實(shí)驗(yàn)室預(yù)留空間限制，同濟(jì)大學(xué)4 m×4 m地震模擬振動(dòng)臺(tái)基礎(chǔ)采用T型的淺埋式基礎(chǔ)，如圖3所示.基礎(chǔ)外殼質(zhì)量為289 t，東側(cè)為質(zhì)量467 t的抗側(cè)力臺(tái)，為了防止在振動(dòng)過(guò)程中出現(xiàn)偏心的情況，設(shè)計(jì)者在西側(cè)放置了平衡質(zhì)量塊，這樣即可同時(shí)解決最大質(zhì)量比和振動(dòng)臺(tái)偏心的問(wèn)題[19].福州大學(xué)振動(dòng)臺(tái)三臺(tái)陣系統(tǒng)反力基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)形式如圖4所示，為了使重心盡量與力作用線重合，設(shè)計(jì)者在基礎(chǔ)中部凸出了一塊7.5 m×1.0 m的矩形質(zhì)量塊[20-21].

因此，在對(duì)振動(dòng)臺(tái)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)選型時(shí)首先應(yīng)考慮場(chǎng)地條件，對(duì)基礎(chǔ)尺寸進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，防止實(shí)際施工時(shí)出現(xiàn)空間不足的情況；其次要滿足形心對(duì)中原則和質(zhì)量矩平衡原則，不允許在振動(dòng)試驗(yàn)中出現(xiàn)偏心的情況；最后要盡可能避免振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)時(shí)對(duì)周圍建筑物和人員造成不利影響，對(duì)于大型地震模擬振動(dòng)臺(tái)，需采取相應(yīng)措施(如設(shè)置隔振溝、調(diào)整基礎(chǔ)質(zhì)量比)以減小振動(dòng)影響.

1.2 關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)

地震模擬振動(dòng)臺(tái)在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度、穩(wěn)定性和耐久性.其使用性能主要受到基礎(chǔ)的固有屬性和外在因素的影響.基礎(chǔ)固有屬性主要包括基礎(chǔ)的質(zhì)量、剛度、阻尼比和等效半徑；外在因素主要包括地基土的剛度、阻尼比、基礎(chǔ)埋深等.這些技術(shù)參數(shù)的合理選擇，對(duì)振動(dòng)臺(tái)基礎(chǔ)的振動(dòng)幅度和振動(dòng)臺(tái)臺(tái)體的波形失真度具有關(guān)鍵性影響.

基礎(chǔ)質(zhì)量是影響地震模擬振動(dòng)臺(tái)控制性能的核心參數(shù).有學(xué)者提出，振動(dòng)臺(tái)基礎(chǔ)質(zhì)量不應(yīng)小于50倍的振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面和試件總質(zhì)量，以滿足振動(dòng)控制要求[22]；還有學(xué)者認(rèn)為基礎(chǔ)質(zhì)量宜取振動(dòng)臺(tái)系統(tǒng)可動(dòng)部分質(zhì)量的10～20倍[23].目前世界上尺寸最大、負(fù)載最強(qiáng)的地震模擬振動(dòng)臺(tái)E-Defense在水平X和Y方向上的推力為2 300 t，垂直Z方向上的推力為8 200 t，為了確保其性能，基礎(chǔ)質(zhì)量必須達(dá)到200 000 t左右[24].但是，無(wú)意義地增大基礎(chǔ)質(zhì)量對(duì)于地震模擬振動(dòng)臺(tái)的性能是沒(méi)有幫助的.

圖5 NEES-UCSD大型高性能室外振動(dòng)臺(tái)基礎(chǔ)形式[28]

地震模擬振動(dòng)臺(tái)基礎(chǔ)剛度和阻尼對(duì)基礎(chǔ)振幅有重要影響.王亞勇[29]提出當(dāng)基礎(chǔ)處于共振前和共振時(shí)情況下，增大基礎(chǔ)剛度和阻尼可以有效降低基礎(chǔ)振幅，只有在共振反應(yīng)發(fā)生后，基礎(chǔ)質(zhì)量才起到?jīng)Q定性作用，地震模擬振動(dòng)臺(tái)適宜采用輕而剛的基礎(chǔ)形式.張自平等[30]通過(guò)質(zhì)量-彈簧-阻尼模型，對(duì)某振動(dòng)臺(tái)基礎(chǔ)進(jìn)行了動(dòng)力分析計(jì)算，表示基礎(chǔ)設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)充分提高基礎(chǔ)剛度，以改善振動(dòng)臺(tái)低頻特性.潘景龍[23]認(rèn)為基礎(chǔ)在共振區(qū)的振幅很大程度取決于基礎(chǔ)阻尼，形式淺而大的基礎(chǔ)將有利于增大幾何阻尼.

此外，為保證地震模擬振動(dòng)臺(tái)的頻率特性，減少對(duì)周圍建筑物和設(shè)備的影響，對(duì)地基土的剛度和阻尼比等參數(shù)的設(shè)計(jì)同樣應(yīng)給予足夠的重視.加州伯克利大學(xué)分校對(duì)其地震模擬振動(dòng)臺(tái)基礎(chǔ)研究表明，振動(dòng)臺(tái)20 Hz以上的較高頻激振力主要由基礎(chǔ)的質(zhì)量起作用，地基土起到抵抗低頻段激振力的主要作用[31].即振動(dòng)臺(tái)在高頻段工作時(shí)，基礎(chǔ)質(zhì)量對(duì)于振動(dòng)影響起決定性作用；在低頻段工作時(shí)，地基剛度和阻尼比是降低振動(dòng)幅值的關(guān)鍵[30].我國(guó)研究人員通過(guò)對(duì)不同地震模擬振動(dòng)臺(tái)基礎(chǔ)進(jìn)行模擬仿真后得出結(jié)論，隨著地基土的剛度和阻尼比的增大，基礎(chǔ)振幅迅速減小[24]，并且振動(dòng)臺(tái)基礎(chǔ)動(dòng)力響應(yīng)與地基剪切模量呈線性關(guān)系[10].

在對(duì)日本國(guó)立防災(zāi)中心15 m×15 m地震模擬振動(dòng)臺(tái)研究中，日本學(xué)者田治見(jiàn)宏表示基礎(chǔ)振幅與臺(tái)面振幅之比大于臺(tái)面負(fù)載與基礎(chǔ)質(zhì)量之比時(shí)，基礎(chǔ)振動(dòng)將影響振動(dòng)臺(tái)性能[29,32].我國(guó)研究者根據(jù)理論研究和實(shí)測(cè)結(jié)果，提出距離動(dòng)力基礎(chǔ)中心rj(m)處地面的豎向(水平)振幅[33]計(jì)算公式

(1)

表1 工作人員的容許振動(dòng)值[31]

1.3 分析與設(shè)計(jì)方法

典型的地震模擬振動(dòng)臺(tái)動(dòng)力分析理論有2種，分別為質(zhì)量-彈簧-阻尼理論和彈性半空間理論.二者均采用集總參數(shù)體系[35].集總參數(shù)體系的核心思想是將阻礙基礎(chǔ)振動(dòng)的地基土反力等效為基礎(chǔ)6個(gè)自由度上的彈簧-阻尼器系統(tǒng)[9]，其目標(biāo)在于確定等效彈簧-阻尼器系統(tǒng)中的剛度、阻尼等參數(shù).基于這2個(gè)理論發(fā)展了若干種動(dòng)力基礎(chǔ)計(jì)算方法，其中包括我國(guó)《動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50040—96)(以下簡(jiǎn)稱《動(dòng)規(guī)》)[31]中提到的方法、美國(guó)《基礎(chǔ)工程手冊(cè)》(以下簡(jiǎn)稱《手冊(cè)》)[36]中的方法以及Lysmer比擬法[37].

質(zhì)量-彈簧-阻尼模式又稱為理想集總參數(shù)模式，以振動(dòng)理論為基礎(chǔ)，基于質(zhì)量-彈簧模式發(fā)展而來(lái)的.日本清水建筑研究所山原浩首先提出質(zhì)量-彈簧-阻尼模式，假定基礎(chǔ)視為有質(zhì)量的剛體，地基視為空間6個(gè)自由度上的無(wú)質(zhì)量的彈簧，并且忽略參土的質(zhì)量，地基土的阻滯作用視為阻尼器的阻尼[9].在該模式下，地基土的剛度和阻尼均可以看成通過(guò)經(jīng)驗(yàn)或試驗(yàn)來(lái)確定的常數(shù).質(zhì)量-彈簧-阻尼模式具有方便、簡(jiǎn)單、直觀及實(shí)用等特點(diǎn)，目前《動(dòng)規(guī)》方法[33]就是采用此計(jì)算模式.

彈性半空間模式又稱為等效集總參數(shù)模式，最初由Lamb提出[38].它假定地基土體為勻質(zhì)、各向同性、線性變形的彈性半無(wú)限體[39]，剛性基礎(chǔ)放置在彈性板空間體的表面，通過(guò)彈性波動(dòng)理論進(jìn)行分析.該理論認(rèn)為：在所有情況下基礎(chǔ)的剛度和阻尼均可通過(guò)地基土的剪切模量、泊松比和剪切波速進(jìn)行計(jì)算[40].彈性半空間理論在數(shù)理上是嚴(yán)密的，精度上高于質(zhì)彈阻理論，可適用于各種類型的地基和各種形狀的基礎(chǔ)，且該理論所提出的“質(zhì)量附加系數(shù)”以及“慣性阻抗”的概念澄清了關(guān)于“同位相質(zhì)量”和“參振質(zhì)量”的爭(zhēng)論[40].《手冊(cè)》方法[36]以及Lysmer比擬法[37]均采用彈性半空間理論為基礎(chǔ).

《動(dòng)規(guī)》中規(guī)定了明置基礎(chǔ)地基剛度和阻尼比計(jì)算方法[30].對(duì)于埋置基礎(chǔ)，地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值小于350 kPa，且基礎(chǔ)四周回填土與地基土的密度比不小于0.85時(shí)，其豎向靜剛度可乘以提高系數(shù)?z，水平向、搖擺向和扭轉(zhuǎn)向靜剛度可分別乘以提高系數(shù)?xφ[33]，計(jì)算公式分別為

?z=(1+0.4δb)2

(2)

?xφ=(1+1.2δb)2

(3)

(4)

式中：δb為基礎(chǔ)埋深比，當(dāng)δb>0.6時(shí)，取0.6；ht為基礎(chǔ)埋置深度.埋置基礎(chǔ)的天然地基阻尼比，為明置基礎(chǔ)的阻尼比分別乘以基礎(chǔ)埋深作用對(duì)于豎向阻尼比的提高系數(shù)βz、地基水平搖擺向和扭轉(zhuǎn)向阻尼比提高系數(shù)βxφ[33]，計(jì)算公式分別為

βz=1+δb

(5)

βxφ=1+2δb

(6)

《手冊(cè)》中給出不同情況下地基剛度和阻尼系數(shù)隨無(wú)因次頻率項(xiàng)a0的變化曲線，可讓動(dòng)力基礎(chǔ)設(shè)計(jì)者根據(jù)不同基礎(chǔ)形式、不同地基土層剖面以及不同的埋置情況合理選擇和設(shè)計(jì).該方法將阻尼分成了2個(gè)部分，分別為內(nèi)部阻尼和輻射阻尼.內(nèi)部阻尼用來(lái)描述土介質(zhì)在發(fā)生振動(dòng)變形時(shí)的內(nèi)摩擦損失，輻射阻尼系數(shù)用于描述向無(wú)限地基域中能量的消散[40].

Lysmer比擬法實(shí)際上是一種參數(shù)抽換法，將復(fù)雜的半空間問(wèn)題轉(zhuǎn)化為簡(jiǎn)單的質(zhì)量-彈簧-阻尼問(wèn)題來(lái)計(jì)算.對(duì)變參數(shù)等效集總方法的3個(gè)主參數(shù)m(或I)、C和K采用“兩定一選”原則，即通過(guò)定m(或I)和K以選C，得到的最終動(dòng)力反應(yīng)曲線與真實(shí)反應(yīng)大體相吻合[37].與變參數(shù)等效集總法不同，定參數(shù)等效集總體系對(duì)理想集總的一切方法全部適用，從這個(gè)意義上來(lái)說(shuō)，它是一種實(shí)用性的近似方法[37].但是由于比擬法采用“兩定一選”，因此僅有一個(gè)C可供調(diào)節(jié)，沒(méi)有充分的回旋余地，所以在與半空間理論的擬合效果上不免要差一些，文獻(xiàn)[36]提供了明置、埋置基礎(chǔ)不同形式地基的剛度、阻尼比計(jì)算方法.

以上3種均為動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方法，但是對(duì)于大尺寸、大推力、高頻寬的地震模擬振動(dòng)臺(tái)基礎(chǔ)是否依舊適用，一些學(xué)者做了相關(guān)研究.尹謙鈞等[35]以某6 m×6 m地震模擬振動(dòng)臺(tái)作為實(shí)例，運(yùn)用上述3種方法進(jìn)行了基礎(chǔ)動(dòng)力分析，并表示如果按照共振區(qū)最大動(dòng)力反應(yīng)設(shè)計(jì)振動(dòng)臺(tái)基礎(chǔ)，《動(dòng)規(guī)》方法計(jì)算結(jié)果比實(shí)測(cè)值偏大，比擬法偏小，《手冊(cè)》方法中提出的變參數(shù)剛度和阻尼曲線，可以更加理想地描述真實(shí)動(dòng)力反應(yīng)；方子明[20]同樣利用3種方法對(duì)福州大學(xué)地震模擬振動(dòng)臺(tái)三臺(tái)陣系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)力反應(yīng)計(jì)算，并利用有限元模擬和試驗(yàn)測(cè)試進(jìn)行結(jié)果驗(yàn)證，研究表明：1)《動(dòng)規(guī)》方法計(jì)算的固有頻率和水平位移最小，Lysmer比擬法最大，《手冊(cè)》方法處于兩者之間；2)《動(dòng)規(guī)》方法所得結(jié)果與有限元分析模擬和試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果最接近.王磊[10]對(duì)蘇州科技學(xué)院6 m×8 m振動(dòng)臺(tái)基礎(chǔ)分別采用《動(dòng)規(guī)》方法和Lysmer比擬法進(jìn)行動(dòng)力響應(yīng)分析，結(jié)果顯示《動(dòng)規(guī)》方法計(jì)算出的地基剛度值偏大，阻尼比偏小，加速度幅值偏大.

結(jié)合3種振動(dòng)臺(tái)基礎(chǔ)動(dòng)力計(jì)算方法的比較以及前人研究成果的分析，可以得知這些方法均適用于地震模擬振動(dòng)臺(tái)基礎(chǔ)的動(dòng)力分析與設(shè)計(jì).Lysmer比擬法安全系數(shù)相對(duì)較低，《手冊(cè)》方法比較接近真實(shí)動(dòng)力反應(yīng)，《動(dòng)規(guī)》方法更加保守和安全，設(shè)計(jì)時(shí)，可按實(shí)際情況進(jìn)行方案選擇.

2 振動(dòng)臺(tái)基礎(chǔ)建造

2.1 基坑支護(hù)技術(shù)

一些地震模擬振動(dòng)臺(tái)基礎(chǔ)基坑的深度可達(dá)4～10 m，應(yīng)屬于深基坑的范疇，其支護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)整個(gè)施工過(guò)程的安全性起著重要作用[41].基坑支護(hù)可以平衡地基土的側(cè)壓力，使基坑周邊邊坡保持穩(wěn)定，達(dá)到保證基坑開挖及基礎(chǔ)施工過(guò)程安全的目的[1].在進(jìn)行基坑工程設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)遵循“安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理、技術(shù)可行”的原則[42].目前常見(jiàn)的基坑支護(hù)形式主要有放坡開挖及簡(jiǎn)易支護(hù)、加固邊坡土體形成自立式支護(hù)結(jié)構(gòu)(如土釘墻)、擋墻式支護(hù)結(jié)構(gòu)(如地下連續(xù)墻支護(hù))以及其他一些支護(hù)結(jié)構(gòu)(如門架式支護(hù))等[42].

放坡是指在一定的地址、場(chǎng)地條件下，采用合理的基坑邊坡坡度，使基坑開挖后的土體在沒(méi)有支擋的情況下，依靠自身強(qiáng)度，在新的平衡狀態(tài)下保持基坑邊坡的溫度.它涉及到的主要施工措施為土方開挖，通常易于組織實(shí)施.放坡開挖工程施工首先應(yīng)確定開挖的坡度，并對(duì)基坑開挖各階段的土坡穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)算，確定地面及基坑的排水組織，確定土坡面的防護(hù)方法及土方開挖程序等工作[42].鄒榮[43]針對(duì)某4 m×4 m單向地震模擬振動(dòng)臺(tái)進(jìn)行深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，該振動(dòng)臺(tái)基礎(chǔ)為實(shí)體式基礎(chǔ)，基礎(chǔ)底面積125 m2，高度5.13 m，因此基坑深度至少為5.13 m.由于環(huán)境的限制，基坑坡面為垂直坡面，結(jié)合地下水文特性和場(chǎng)地的因素，最終選擇采用放坡開挖為主，輔以噴錨網(wǎng)加固的支護(hù)形式，噴錨網(wǎng)主要用于提高邊坡表層土體的穩(wěn)定性.基坑開挖后，要特別注意集水井中的積水，防止造成坑外土體的流變.

土釘墻由被加固土體、土釘和混凝土面板組成，形成一個(gè)類似重力式擋土墻的實(shí)體，以抵抗墻厚傳來(lái)的土壓力，從而使開挖坡面穩(wěn)定.土釘墻支護(hù)結(jié)構(gòu)適用于地下水位以上或經(jīng)人工降水后的人工填土、弱膠結(jié)砂和黏性土的基坑或邊坡支護(hù).具有柔性大、抗震性好、施工設(shè)備簡(jiǎn)單及不占用場(chǎng)地等優(yōu)點(diǎn)[42].

地下連續(xù)墻支護(hù)結(jié)構(gòu)造價(jià)昂貴，一般運(yùn)用在深度大、土質(zhì)差、場(chǎng)地空間有限、對(duì)防水抗?jié)B有一定要求的基坑類型.張德武[7]對(duì)某4 m×4 m三維六自由度振動(dòng)臺(tái)支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行選型設(shè)計(jì)，該振動(dòng)臺(tái)基坑占地面積162.5 m2，高度7.55 m，場(chǎng)地狹隘，且地面到持力層頂之間經(jīng)過(guò)黃土層，該層具有中等濕陷性.綜上情況考慮，選擇了地下連續(xù)墻的支護(hù)形式，該支護(hù)形式具有剛度大、強(qiáng)度高、耐久性和抗?jié)B性能好等優(yōu)點(diǎn).馬平舟[44]對(duì)蘇州科技大學(xué)振動(dòng)臺(tái)基礎(chǔ)深基坑工程進(jìn)行了研究，該振動(dòng)臺(tái)基坑同樣采用地下連續(xù)墻支護(hù)結(jié)構(gòu).使用支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行了設(shè)計(jì)及對(duì)比選型，并通過(guò)有限元數(shù)值模擬分析，研究了不同設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響.得出結(jié)論：1)基坑開挖過(guò)程中，為了減少地下連續(xù)墻的水平位移，改變連續(xù)墻體的受彎形式，可加入水平支撐；2)增加支撐個(gè)數(shù)可減小支護(hù)結(jié)構(gòu)的最大水平位移、最大彎矩值和地表沉降量；3)墻體剛度隨地下連續(xù)墻厚度的減小而降低，最大水平位移和地表沉降量隨連續(xù)墻厚度的減小而提升.

2.2 大體積混凝土裂縫防治

為了減輕基礎(chǔ)動(dòng)力響應(yīng)和保證振動(dòng)臺(tái)系統(tǒng)的波形控制性能，地震模擬振動(dòng)臺(tái)的基礎(chǔ)往往采用的是大體積重質(zhì)量的混凝土基礎(chǔ).大體積混凝土施工階段由于存在溫度梯度產(chǎn)生溫度內(nèi)應(yīng)力的問(wèn)題[45]，容易產(chǎn)生裂縫影響基礎(chǔ)實(shí)際剛度，因此裂縫控制技術(shù)在振動(dòng)臺(tái)基礎(chǔ)建造過(guò)程中尤為重要.

防裂縫首先要從混凝土原材料選擇上把關(guān)，一方面可以通過(guò)選用低水化熱水泥和摻合料降低絕熱溫升，另一方面可以通過(guò)采用良好的顆粒級(jí)配提高混凝土強(qiáng)度[46-47].日本E-Defense大型三向六自由度地震模擬振動(dòng)臺(tái)為了控制溫度裂縫，保證基礎(chǔ)的整體性，采用低熱硅酸鹽水泥、低含水量的骨料，并添加石灰石粉以補(bǔ)償由于單位水泥含量降低造成和易性的損失.在夏季施工時(shí)，由于溫度常常達(dá)到40 ℃左右，施工人員使用了幾種不同類型的減水劑和引氣劑以保證混凝土塊間接縫的完整性[24,48-49].位于北京通州區(qū)由中國(guó)科學(xué)研究院新工程抗震試驗(yàn)室引進(jìn)的6 m×6 m三向六自由度振動(dòng)臺(tái)，采用了PS32.5礦渣水泥，并摻入一定比例的外加劑和粉煤灰，以降低水化熱并提高和易性.同時(shí)減少10%左右的拌和水，節(jié)約水泥用量，推遲水化熱釋放的速度[50].

此外，合理的施工措施，也是保證大體積混凝裂縫開展的重要因素.西安建筑科技大學(xué)三向六自由度振動(dòng)臺(tái)基礎(chǔ)底面積19 m×17 m，厚度6 m.根據(jù)振動(dòng)臺(tái)的實(shí)際情況，采用分層澆筑、分層搗實(shí)的施工工藝.為了提高混凝土的整體性，對(duì)上下層混凝土澆筑時(shí)應(yīng)進(jìn)行如下處理：1)放置豎向鋼筋于正在澆筑的下層混凝土中，使得上下層混凝土銜接更牢固；2)下層混凝土澆筑完成時(shí)，在初凝前進(jìn)行搓毛處理，增大接觸面粗糙程度，利于上下層混凝土緊密結(jié)合.溫度控制措施主要包括：1)采用地下水拌制混凝土，降低混凝土拌和物的溫度；2)在基礎(chǔ)突變和轉(zhuǎn)折處、空洞轉(zhuǎn)角及周邊增加斜向構(gòu)造鋼筋，以改變應(yīng)力集中，增強(qiáng)抵抗溫度應(yīng)力的能力；3)采用表面隔熱保護(hù)的方法，以防表面失水，降溫過(guò)大，起到了減少內(nèi)外溫差并防止混凝土出現(xiàn)裂縫的作用；4)在基礎(chǔ)混凝土內(nèi)部布置循環(huán)冷卻水管[51-52].蘇州科技學(xué)院三向六自由度地震模擬振動(dòng)臺(tái)，利用ANSYS有限元軟件進(jìn)行仿真分析，研究增加冷卻水管、分層澆筑及配置鋼筋作用等情況下振動(dòng)臺(tái)基礎(chǔ)的溫度場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)的分布和變化情況，得到如下結(jié)論：1)冷卻水管應(yīng)不至于振動(dòng)臺(tái)基礎(chǔ)的不同位置處，可減小基礎(chǔ)內(nèi)部的溫度峰值，使內(nèi)部溫度的分布比較趨近；在基礎(chǔ)合適位置增加冷卻水管可以有效降低內(nèi)部的溫度的峰值，并均勻分布混凝土內(nèi)部溫度.2)采用分層澆筑的施工方法可以降低基礎(chǔ)內(nèi)部溫度峰值以及結(jié)構(gòu)的最高溫度.3)降溫期間，結(jié)構(gòu)的溫度應(yīng)力隨基礎(chǔ)的配筋率增加而減小，抗裂性能隨配筋率的增加而提升[53].

2.3 預(yù)埋件安裝精度控制

預(yù)埋件即結(jié)構(gòu)澆筑時(shí)預(yù)先安裝在隱蔽工程內(nèi)的構(gòu)件，用來(lái)連接上部結(jié)構(gòu).預(yù)埋件的構(gòu)造應(yīng)根據(jù)其受力性能和施工條件確定，盡量做到構(gòu)造簡(jiǎn)單、傳力直接、易于施工和保證質(zhì)量.在地震模擬振動(dòng)臺(tái)基礎(chǔ)施工過(guò)程中，由于混凝土截面大，配筋基礎(chǔ)內(nèi)預(yù)埋件眾多，功能各異，并且對(duì)精度要求很高，因此需要對(duì)其安裝方法進(jìn)行研究分析.

同濟(jì)大學(xué)4 m×4 m地震模擬振動(dòng)臺(tái)基礎(chǔ)中有12個(gè)預(yù)埋件，每個(gè)預(yù)埋件由面板、底板和螺桿構(gòu)成，安裝誤差精度要求小于1 mm.為了多次測(cè)設(shè)它們的位置，需要建立高程控制網(wǎng).施工人員在工地上設(shè)置了一個(gè)水準(zhǔn)點(diǎn)，該水準(zhǔn)點(diǎn)位于所有預(yù)埋件所在的軸線上，從它出發(fā)放樣所有預(yù)埋件的高程.放樣過(guò)程中用到了一種可以精確微調(diào)的強(qiáng)制對(duì)中裝置，用于精密測(cè)量.最后提出幾個(gè)施工過(guò)程中的關(guān)鍵點(diǎn)：1)要避免望遠(yuǎn)鏡調(diào)焦誤差對(duì)側(cè)角結(jié)果的影響；2)精密側(cè)角時(shí)宜采用圓柱形目標(biāo)而不是覘牌，因?yàn)橐椗坪茈y保證對(duì)中精度[54].福州大學(xué)的地震模擬振動(dòng)臺(tái)三臺(tái)陣系統(tǒng)，基礎(chǔ)的長(zhǎng)×寬×高分別為30 m×9.8 m×5.3 m，該振動(dòng)臺(tái)基礎(chǔ)具有很高預(yù)埋件加工、安裝及定位精度要求.振動(dòng)臺(tái)基礎(chǔ)內(nèi)部的預(yù)埋件主要可分成2類：第1類主要負(fù)責(zé)支承和定位，需要完全埋入混凝土內(nèi)部；第2類上部連接設(shè)備底座，下部同樣埋入混凝土內(nèi)部，并與第1類預(yù)埋件相連接.為了防止混凝土澆筑過(guò)程中預(yù)埋件的變形或變位，對(duì)于第1類的預(yù)埋件，設(shè)置了精度較高的找平鋼板并按實(shí)際位置精確定位，再將預(yù)埋支架等構(gòu)件定位安裝在找平底板上.對(duì)于第2類的預(yù)埋件，因?yàn)槭侵苯优c振動(dòng)臺(tái)執(zhí)行器等設(shè)備連接的，精度要求更高，故設(shè)計(jì)了一種三維調(diào)節(jié)裝置，根據(jù)螺栓方向的改變，完成對(duì)預(yù)埋件的三維微調(diào)[20-21].

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)地震模擬振動(dòng)臺(tái)設(shè)計(jì)與建造技術(shù)的歸納總結(jié)和分析，得出主要結(jié)論如下：

1)振動(dòng)臺(tái)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)選型應(yīng)充分考慮場(chǎng)地條件和基礎(chǔ)尺寸的影響，滿足形心對(duì)中原則和質(zhì)量矩平衡原則，對(duì)于大型地震模擬振動(dòng)臺(tái)，應(yīng)適當(dāng)增加基礎(chǔ)質(zhì)量以盡可能避免振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)時(shí)對(duì)周圍建筑物和人員造成不利影響.

2)單純?cè)龃笳駝?dòng)臺(tái)基礎(chǔ)質(zhì)量可能無(wú)法達(dá)到理想的減振效果，應(yīng)綜合考慮基礎(chǔ)的幾何形狀、基礎(chǔ)和地基的剛度和阻尼等因參數(shù)確定振動(dòng)臺(tái)基礎(chǔ)的合理尺寸.

3)《動(dòng)規(guī)》《手冊(cè)》中給出的方法以及Lysmer比擬法均適用于常規(guī)振動(dòng)臺(tái)基礎(chǔ)動(dòng)力分析，《手冊(cè)》方法比較接近真實(shí)動(dòng)力反應(yīng)，《動(dòng)規(guī)》方法更加保守和安全.

4)振動(dòng)臺(tái)基礎(chǔ)施工過(guò)程中，應(yīng)采取合適的原材料和合理的施工措施防控混凝土溫度裂縫；此外，需根據(jù)工程特點(diǎn)和不同支護(hù)方式的適用性選擇合適的基坑支護(hù)方式；對(duì)于振動(dòng)臺(tái)預(yù)埋件的定位精度，應(yīng)通過(guò)科學(xué)的測(cè)量和合理的微調(diào)裝置予以控制.