地震模擬振動台緣何而來，又是如何工作的？

上周，知力君給大家介紹了落戶於天津的世界最大地震工程模擬研究設施。實際上，自上世紀40年代開始，地震模擬振動台就已經開始被利用在土木結構上來模擬地震作用；60年代後開始廣泛建設；從70年代開始，地震模擬振動台開始飛速發展。今天，我們就一起來看看地震模擬振動台是怎麼工作的吧。

1

地震模擬振動台的發展

早期建立的振動台運動形式簡單，缺點是頻率範圍小，運動行程小，只能做小模型的彈性或非彈性破壞實驗。此外,墨西哥、加拿大、法國、英國、伊朗、德國等國在70年代中期以後也逐步建造了地震模擬振動台。

我國地震模擬振動台建設開始於60年代。1960年中國地震局工程力學研究所建造的檯面尺寸為1.2m×3.3m地震模擬振動台就是早期地震模擬振動台之一。20世紀70年代開始，振動台的研究工作獲得了較快發展，已開始研製單向電液式伺服控制振動台。從國外引進量也大大減少，只有當試驗要求較高時才引進國外生產的振動台。我國振動台的建設情況如下表所示。

1

國內典型振動台建設情況

2

地震模擬振動台是如何工作的？

地震模擬振動台系統是一個複雜的裝置，主要由振動台檯面、液壓驅動和動力系統、測試和分析系統、控制系統組成。

1

地震模擬振動台系統的工作原理示意圖

振動台檯面的無限制的運動形式是六自由度的運動形式，即平動的三個自由度運動形式：沿x向的橫向運動(x向)、沿y向的縱向運動(y向)和沿z向的垂直運動(z向)；和旋轉的三個自由度運動形式：繞x軸的轉動(Roll)、繞y軸的轉動(Pitch)以及繞z軸的轉動(Yaw)。一般是由不同的作動器（水平作動器和垂直作動器）來控制其運動的六自由度振動，如下圖所示。

工作原理圖

振動台檯面具有一定的厚度和剛度，截面形式可以是圓形和矩形，截面尺寸根據試驗的需求來確定。為了使振動台很好的模擬地震底面運動，通常需要安裝多個作動器來協調推動振動台運動。

推力是由振動台和試件的質量之和與振動加速度共同決定的。地震模擬振動台主要採用模擬控制反和數字計算機控制。模擬控制是將地震地面運動的位移反饋到作動器的驅動中，地震記錄的數據主要是地震的加速度，此時，我們可以對加速度分別進行一次積分和兩次積分來得到速度和位移，然後將它們輸入到計算機，轉化為按地震地面運動的形式驅動振動台運動的控制信號，從而實現地震地面運動的模擬。

此外，作為我國僅有的以防災減災高等教育為主的本科院校，防災科技學院於2013年建成地震模擬振動台並投入使用。此模擬振動台可用來探討各類結構地震破壞過程、檢驗新的抗震結構或抗震裝置的有效性、發展更有效地結構分析方法等。可以培養在校學生的地震直觀感知，模型結構設計、建造等綜合能力，使學生更好地掌握結構地震破壞機理、結構正確抗震方法以及抗震新裝置的效能評價方法。

模擬地震振動台可以很好地再現地震過程和進行人工地震波的試驗，它是在試驗室中研究結構地震反應和破壞機理的最直接方法，還可用於研究結構動力特性、設備抗震性能以及檢驗結構抗震措施等內容。

圖文：黃　帥（中國地震局地殼應力研究所副研究員）

本文轉載自：地震三點通

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！