福州大学地震模拟振动台三台阵的研究与应用

【摘　要】台阵系统是工程结构在地震模拟振动台方面的主要发展方向。它为一系列的工程理论研究和实验研究提供了一个有力的实验平台。本文对典型的台阵系统做一个简要的介绍，主要介绍福州大学三台阵系统的主要技术规格和应用，特别是在大跨度桥梁工程方面。给出一个连续梁桥的试验例子。

【关键词】地震模拟振动台 多台阵 测试与应用 连续梁桥

一、引言

地震模拟振动台是土木工程学科重要的试验设备，它的主要作用是重现地震波，研究工程结构在地震作用下的动力特性和破坏机理。五十年代时期主要采用野外原型方法进行抗震试验，它将强震观测仪器设置在地震区的房屋等结构上，当强震来临时，便可获得建筑的动力特性，如固有频率、阻尼、振型等参数提供抗震理论分析用。但是由于强震少，且受到地震预报的约束，该方法发挥有限。至六十年代初期，大型起振机等方式在原型结构上进行振动破坏试验，以获取所需数据，但是，要模拟地震破坏是很困难的，而且做一个试验，投资是相当大的，试验周期也很长。因而探索将房屋结构放到实验室来进行试验，花较少的钱，以最快的速度，获取更多的数据，从而地震模拟振动台在六十年代末应运而生。

日本是世界上最早建成地震模拟振动台的国家。1966年在东京大学生产技术研究所建成了l0mx2m的水平和垂直同时工作的地震模拟振动台。目前，世界上最大的振动台是日本防灾技术研究所的20m×15m的三向六自由度振动台。国外对振动台不仅作为一个重要的研究方向，而且已经形成规模和产业。许多著名大学和研究机构与专业制造公司合作，在前沿技术和应用技术方面的研究和开发都取得了重要成果。国外主要制造公司有美国MTS公司、Team公司、Wyle公司，德国力士乐公司、SHENCK公司，英国ServoTest公司，日本的三菱和IMV公司等。它们与本国的著名大学合作，使振动技术处于国际领先水平。以美国MTS公司为例，该公司在近20年中，已向世界各国出口了近30多台套大型振动模拟台。

二、福州大学地震模拟振动台三台阵系统

福州大学地震模拟振动台三台阵系统是福州大学土木工程学院的主要设备之一。该振动台台阵系统主要用于各种地震工程力学的基础性理论研究、各类建筑结构、大跨悬索桥、斜拉桥、高架桥、立交桥、轻轨高架等公路及铁路桥的整体抗震研究、城市管线结构以及能源管线的抗震研究、地铁、隧道结构抗震及高边坡等的抗震试验研究、运输模拟研究等等，对研究模型进行振动荷载（包括F.G波、随机波等）试验，为原型结构和材料的动力特性研究和分析验证提供试验手段。

表1. 福州大学三台阵系统的主要技术参数

台面尺寸 2.54m×2.54m 4.05m×4.05m 2.54m×2.54m

自由度 3 3 3

最大模型载荷 11吨 22吨 11吨

最大位移 +/- 250 mm +/- 250mm +/-250 mm

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

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

最大倾覆力矩 200KN・m 600KN・m 200KN・m

工作频率范围 0.1~50Hz 0.1~50Hz 0.1~50Hz

福州大学三台阵系统参数如表1所示。其中中间为固定的4m×4m水平三向振动台，两边为2.5m×2.5m可移动的水平三向振动台各一个，三个台在10m 30m的基坑内呈一直线布置，三个台面的顶平面与实验室地坪相平，小台与大台的最小距离为0.5m，小台与大台最大距离为10m~12m，即模型的最大长度可达24米。三台阵系统的三个台子可以独立工作，也可以同步工作，成为一个24m×2.5m的振动台。而且，也可以仅适用其中的两个台子工作。输入的地震波可以是同步的，也可以是异步的。三台阵系统自2011年9月份验收至今已完成大约25个模型试验，有连续梁桥（使用三个台子）、拱模型（使用两个小台）、隧道模型（使用单个大台）、房屋建筑（使用一个大台和一个小台）等。部分试验见表2。

表2.福州大学三台阵系统进行的各项试验

三、连续梁桥模型试验测试

以一个连续梁桥的试验为例，验证福州大学三台阵系统的技术参数及其控制精度，特别是它的同步性能；验证它能在地震工程及一系列长跨桥梁等研究方面的应用。

该模型桥全长14.2m，跨中中心距为6.9m、净距6.3m。该桥主梁通过两个桥墩支撑并锚固于大、小两个振动台台面上，主梁与桥墩简支。其中，在中间大台处的桥墩与主梁为铰结，边上小台处的桥墩竖向支撑着主梁（图1）。

主梁截面为“π”形，两肋中心距74cm，纵桥向每隔1.68m设置一道横隔板。桥墩为双柱式圆形截面，圆柱直径30cm，两圆柱间距为82cm，墩高1.2m；桥墩盖梁的长、宽、高分别为142×30×40cm，盖梁顶上设有两个橡胶支座用于支撑主梁，为了防止主桥横向移动，在盖梁两侧设置有防撞挡块。每个桥墩重约1.2t，主梁重约7t。同时，在主梁上方设置1500个配重块合计3.0t的配重。为防止配重块掉落，在主梁上方预留了伸出钢筋。

该模型桥总重量约为13.6t。（见图１）

模型试验工况为EL-Centro地震波，共进行四个工况，见表4。从各工况的试验结果可知，输入波形与原始波形间的误差基本在20%的范围内，基本能满足试验的要求。

表4. 地震模拟振动台的连续梁桥模型试验工况及精度

四、结论

本文简要介绍了地震模拟振动台的发展及现状，着重介绍了福州大学三台阵系统的技术参数与应用，特别是在大跨度梁桥工程方面的应用。通过连续梁桥试验模型的试验，检验该三台阵系统的精度，该三台阵系统输入波形与原始波形间的误差基本在20%的范围内，基本能满足试验的要求。

参考文献：

[1] Azadeh Bozorgzadeh, Sami Megally, José I. Restrepo, etc. (2006). Capacity Evaluation of Exterior Sacrificial Shear Keys of Bridge Abutments. Journal of Bridge Engineering, ASCE, 11:5, 555-565.

[2]黄宝锋,卢文胜,宗周红.地震模拟振动台台阵系统模型试验方法探讨[J].土木工程学报.2008.3, 46-52.

[3] Kazuhiko Kasai, Keiichiro Suita, Satoshi Yamada, et.al. (2007) E-Defense Full-scale Experimental Projects on Conventional and Value-added steel Buildings. 2nd International Conference on Advance in Experimental structural Engineering, Shanghai, China, 12, 4-6.

[4] R. T. Severn. (2011). The development of shaking tablesA historical note. Earthquake Engineering and Structural Dynamics, , 40, 195-213.

[5] Toshihiko Horiuchi, etc., (2000). Development of a real-time hybrid experimental system using a shaking table. 12WCEE, New Zealand, 843-847.

[6]宗周红,陈亮,黄福云. 地震模拟振动台台阵试验技术研究及应用[J]. 结构工程师, 2011.6, 74-78.

基金项目：福建省教育厅科技项目（JA11023）

作者简介：陈远东,男，（1986―）,福建莆田人，硕士，助理实验师，从事地震模拟振动台抗震技术研究。