-
第
29
卷第
5
期
工程抗震与加固改造
Earthquake Resistant Engineering and
Retrofitting
2007
年
10
月
Vol 29 ,No 5
Oct .
2007
2
2
2
地震模拟振动台的发展
王燕华
,
程文
,
陆
飞
,
陈忠范
(
东南大学土木工程学院
,
混凝土及预应力混凝土结构教育部重点实验室
,
江苏南京
210096)
[
文章编号
]
1002 8412
(2007) 05 0053 04
1
1
程
,
并且阐明地震模拟振动台的三个发展趋势
,
即向大型足尺试验发展、向地震模拟振动台台阵发展、以及在控制技术方面向
全数字发展。
[
关键词
]
地震模拟振动台
;
发展概况
;
发展趋势
[
中图分类号
]
TU317
[
文献标识码
]
A
[
摘
要
]
<
/p>
论述了地震模拟振动台从简单的单向机械式振动台到复杂的三向六自由度电液伺服模拟控制
振动台的发展历
Development of the Shaking Table
Wang
Yan
2
hua
,
Cheng
Wen
2
rang
,
L u Fei
,
Chen
Zhong
2
f an
(
Southeast
University
,
Nanjing
210096
,
China
)
Abstract
:The development of
the shaking table from single mechanical machine
to 3
2
Dimension hydraulic
servo system is presented in the
paper. The developing trend of the
shaking table is also proposed for the potential
applications , which include the large
full
2
scale shaking
table tests , the multiple
2<
/p>
shake
2
table tests
and the tests with full digital control system.
Keywords
:shaking table
developments developing trends
部分
,<
/p>
目前实验室内常用的试验方法有拟静力试验、
缩尺模型试验
,
对试验对象的动力相似条件有着严
拟动力试验和地震模拟振动台试验。拟静力试验以
格的要求。另外地震模拟振动台投资大
,
其设计和
较低的加载速率实现单调或周期的加载
,
可以最大
建造涉及到土建、机械、液压传动、电子技术和自动
限度地获得构件刚度、承载力、变形和耗能等信息
;
控制等多方面技术
,
所以建设既经济又具有高性能
拟动力试验是将计算机的计算和结构试验相结合的
的地震模拟振动台是一项复杂的高技术工作。
一种试验方法
,
最大的优点是结构的恢复力特性不
1
地震模拟振动台的基本原理及主要组成
是来自数学模型
,
而是直接从被测结构上实时取得
,
将试验对象放在一个足够刚性的台面上
,
通过
但是试验的加载过程还是拟静力的
;
地震模拟振动
台试验是真正意义上的地震模拟试验
,
台面上可以
真实地再现各种形式的地震波
,
结构在地震作用下
的破坏机理也可以直观的被了解
,
是目前研究结构
动力加载设备使台面再现各种类型地震波
,
并使试
验对象随之产生类似地震作用下的振动
,
这就是地
震模拟振动台试验的基本原理。
以目前普遍使用的电液伺服地震模拟振动台为
结构抗震性能试验是结构工程研究的重要组成
做足尺试验外
,
绝大部分地震模拟振动台只能进行
抗震性能最直接也是较准确的试验方法。地震模拟
例
,
系统主
要由液压源系统、激振器、伺服模拟控制
振动台试验因此被<
/p>
广泛应用于研究结构物的动力特
器、台面、计算机控制系统组成
,
如图
1
所示。其中
性、设备抗震性能、检验
结构抗震措施等
伺服模拟控制器是以电液伺服阀为核心的模拟控制
器
,
其性
方面
,
同时
在原子能反应堆、海洋结构工程、水工结构、桥梁工
能的好坏对整个系统起着决定性作用
,
是整
程等领域也起着重大作用。地震模拟振动台也存在
个控制系统的核心部分。液
压源系统主要是提供动
泵的
局限性
,
除
了少数超大型地震模拟振动台可以用来
力
,
包括液
压泵站、蓄能器组、冷却系统等
,
液
压
流量是根据地震波的最大速度值来设计的
,
为了节
省能源
,
目
前都是设臵大容量的蓄能器组来提供作
[
收稿日期
]
2007
2
03
2
< br>22
Earthquake Resistant
Engineering and Retrofitting
Vol
1
29
,No
1
5
2007
动器瞬时的巨大能量。另外为了保证油液的温度
,
〃
54
〃
工程抗震与加固改造
早期地震模拟振动台之一。
2007
年
10
月
系统设有冷却器。地震模拟振动台台面是试验的平
伺服模拟控制器
激振器
台面
早期地震模拟振动台大部分是机械式振动台
,
台
,
台面的基本要求是要有足够的刚度
,
承载能力要
求足够大。目前地震模拟振动台的台面采用的材质
可分为三大类
,
钢筋混凝土结构台面、钢焊结构台
面、铝合金或镁铝合金铸造结构台面。由于钢焊结
构台面具有重量轻
,
台面弯曲频率高等优点
,
所以大
部分的地震模拟振动台都采用钢焊结构台面。
液压源系统
计算机控制系统
图
1
地震模拟振动台系统示意图
2
地震模拟振动台国内外发展概况
上世纪
40
年代首次在土木结构上利用地震模
拟振动台来模拟地震作用
[1 ]
,60
年代以后地震模拟
振动台开始广泛被建设
[2 ]
。目前世界上已经建立几
百座地震模拟振动台
,
主要分布在日本、中国和美
国
,
其中日
本拥有的地震模拟振动台规模最大
,
数量
最多。另外
,
墨西哥、加拿大、法国、英国、伊朗、南斯
拉夫、前苏联、意大利、罗马尼亚、德国等国在
70
年
代中期以后也逐步建造了地震模拟振动台
[3
]
。
2
1
1
地震模拟振动台的早期概况
抗震试验最初是采用野外原型试验
,
将强震观
测仪器设臵在房屋等结构物上
,
等待地震的到来
,
测
取房屋的动力特性
,
但是由于强震少
,
所以试验周期
长
,
满足不
了抗震研究的需要。后来又采用大型起
振机等方式在原型结构物上进行振动来获得数据
,
但是起振机的振动与地震振动还是有很大的差别。
另外也有学者提出直接利用计算分析方法来进行研
究
,
但是由于当结构物进入非线性区后其数学模型
很
难给出而没有被推行
[2
]
。最后提出了在试验室内
建造地震模拟振动台
,
将在现场的试验搬到实验室
来做
,
可以获取所需的大量数据
,
且取得数据的周期
可以大大缩短。世界上最早建立地震模拟振动台的
国家是日本和美国
,
中国地震模拟振动台建设开始
的台面尺寸为
1
1
2m
<
/p>
×
3
1
3m
地震模拟振动台就是
于
60
年代。
1960
年国家地震局工程力学研究所建
造
拟振动台十多台。地震模拟振动台系统从单向向多
分惯性离心式和连杆偏心式两种
,
其基本原理相同。
维发展
,
控制技术也日趋成熟
,
下面分别从振动台驱
动方式、控制技术和系统自由度三方面介绍其发展
过程。
2
1
2
1
1
驱动方式
(1)
电磁振动台
70
年代开始出现电磁驱动方式的振动台
,
由振
动台台面、电磁线圈、功率放大器、电控系统组成。
以连杆偏心式为例
,
当偏心轮转动时
,
通过连杆机构
使工作台作交变正弦运动
,
振幅大小通过偏心距的
大小来调节
,
频率通过改变电机转速来调节
,
由于机
械摩擦和轴承损耗的影响
,
振动台最大频率一般最
大不超过
50Hz
,
有效频率是
0
1
5Hz
～
20Hz
。机械式
振动台的主要优点是结构简单
,
运行费用低
,
其振幅
和频率
变化无关
;
主要缺点是频率范围小
,
运动行程
小
,
高频时波形失真大
,
并且只能进行正弦波试验
,
激振方向也只能是单向的
。由于受振动台规模限
制
,
早期地
震模拟振动台只能做小模型的弹性或非
弹性破坏试验
[5 ]
。
[4
]
我国清华大学和大连工学院也自行开发研制过小型
电磁振动台。与机械驱动振动台相比
,
电磁振动台
的突出优点是可以进行随意控制
,
波形失真小
,
可达
到最高频率有
3000Hz
之高
,
但是要进行大位移试验
难度较大
,
最大位移只能是
±
25mm
,
大出力需要设
备庞大
,
最大出力
±
200kN
,
因而只能用作小型地震
模拟振动台
[5 ]
。
(2)
电液伺服地震模拟振动台
2
1
2
地震模拟振动台的后期发展
从
70
年代开始
,
地震模拟振动台开始飞速发
展。从
1966
年东京大学生产技术研究所建立的水
平和垂直同动地震模拟振动台到
2005
年科学技术
厅
(STA)
和国立防灾科学技术研究所
(NIED)
共同建
设完成的三向六自由度地震模拟振动台
,
日本已陆
自
50
年代以来
,
以反馈控制为主体的基于经典
控制理论的电液伺服控制系统得到快速的发展
[6
]
,
其主要的优点是精度高、响应快、大功率。从
70
年
代初
,
电液
伺服控制技术便开始在地震模拟振动台
中运用
,
这
对地震模拟振动台的发展有很大的推动
Earthquake Resistant Engineering and
Retrofitting
October
2007
续建设了几十台地震模拟振动台。我国地震模拟振
动台
70
年代初期也是从国外进口
,
后来随着科学技
术的发展
,
便开始自己研发
[2
]
,
至今我国已有地震模