本文為ANCO公司撰寫的在2021年10月11日至14日在埃及開羅舉行的第七屆阿拉伯天文學(xué)和地球物理學(xué)大會上（Arab Conference on Astronomy and Geophysics 7th Assembly）提交的振動臺論文
保羅·依班那博士，paul@ancoengineers.com
博阿茲·諾頓，boaz@ancoengineers.com
ANCO工程師
美國科羅拉多州博爾德
地震是一種特殊的地球物理事件，由斷層破裂后地殼的彈性反彈引起。破裂中釋放的能量向外輻射數(shù)公里，并能在數(shù)千平方公里的范圍內(nèi)產(chǎn)生破壞性的振動。因此，土木結(jié)構(gòu)和機械設(shè)備的設(shè)計必須能夠在此類事件中保存下來，以最大限度地減少損壞和生命損失。大部分設(shè)計工作可以通過計算完成，但也有必要通過實驗驗證這些計算或新的獨特設(shè)計是否正確有效。這需要在地震振動臺上測試模型或全尺寸結(jié)構(gòu)和部件。此類測試通常在對關(guān)鍵設(shè)施的性能至關(guān)重要的機械和電氣部件上進行，如醫(yī)院、消防和警察局、電信中心以及常規(guī)和核電廠。這些振動臺通常用于大學(xué)和提供此類測試服務(wù)的商業(yè)實驗室。本文是介紹性概述，描述了全球范圍內(nèi)各種功能的振動臺。在過去的100年里，振動臺已經(jīng)被用于這樣的研究。例如，1923年有一項蒸汽機驅(qū)動的振動臺的日本專利申請。
小型經(jīng)濟型振動臺用于大學(xué)教育目的，在教室和實驗室教授振動理論、結(jié)構(gòu)動力學(xué)和實驗技術(shù)。這些振動臺有時也可以用于科學(xué)研究。與以下章節(jié)中討論的大型振動臺類似，該振動臺由基于個人電腦的數(shù)字控制器控制，能夠產(chǎn)生地震運動、隨機運動、脈沖運動和正弦掃描。地震運動可以是實際記錄的地震時間歷程或人工產(chǎn)生的具有特定頻率能量分布的地震運動。圖2.1顯示了一個小型電動振動臺，其規(guī)格如振動臺2.1所示。所示的振動臺是典型的，但是也存在這種類型的更大和更小的振動臺。下面是顯示該臺面運行情況的短視頻鏈接。這些小臺面可以提供1、2或3自由度配置。
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圖2.1:教育用1自由度電動作動器器驅(qū)動臺式振動臺
與伺服液壓驅(qū)動振動臺相比，電動作動振動臺方便，維護和噪音低。然而，能夠承受更高有效載荷(通常超過1噸或更多)的振動臺通常采用伺服液壓作動器。
圖3.1中的照片顯示了一個伺服液壓致動器驅(qū)動的單軸水平振動臺，其臺面為2米x 2米，有效載荷能力高達5噸。該振動臺正用于中國寧波一所大學(xué)的結(jié)構(gòu)和土壤動力學(xué)研究。所示的振動臺是典型的，但是也存在這種類型的更大和更小的振動臺。尺寸高達6米x 6 m和50噸的臺面也存在。下面是顯示該臺面運行情況的短視頻鏈接。
當(dāng)然，地震會引起獨立的三個軸同步運動。因此，研究人員經(jīng)常想要一個雙軸或三軸振動臺。
下圖4.1中的照片顯示了一個獨立的同時雙軸振動臺，具有2米x 2米的臺面和4噸的容量。美國內(nèi)布拉斯加-林肯大學(xué)（University of Nebraska-Lincoln, USA）正在使用這張振動臺來研究巖石堤壩和墻壁的穩(wěn)定性。所示的振動臺是典型的，但是也存在這種類型的更大和更小的振動臺。下表給出了典型的振動臺規(guī)格。
表4.1典型水平(X，Y)雙軸振動臺規(guī)格
一些使用雙軸臺面的研究人員更喜歡有一個水平軸和一個垂直軸。下面的圖5.1顯示了這種水平/垂直雙軸工作臺的圖紙。圖5.2顯示了這種典型的水平/垂直振動臺的照片。這張臺面正被用于中國重慶的大學(xué)研究，它有一個1.5米x 1.5米的臺面和2噸的有效載荷。
表5.1典型水平/垂直(X，Z)雙軸振動臺規(guī)格
真實的地震模擬需要在所有三個軸上同時獨立運動，就像三軸振動臺提供的運動。下圖6.1顯示了一個1.6 m x 1.6 m的電動三軸振動臺。該振動臺位于美國賓夕法尼亞州，用于美國核電站電氣設(shè)備的抗震鑒定。以下鏈接顯示了該振動臺的運行情況。
大量程的三軸振動臺是伺服液壓的。下圖7.1顯示了一個3米x 3米的三軸臺，容量為10噸。該振動位于美國弗吉尼亞州，用于美國核電站電氣和機械設(shè)備的抗震鑒定。以下鏈接顯示了該振動臺的運行情況。請注意，雖然該振動臺通常用于3自由度模式(X，Y，Z)，適用于地震，但它配備了六個獨立的作動器，因此也可以進行6自由度運動，包括俯仰、滾轉(zhuǎn)和偏擺。
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3個軸:2個水平，1個垂直(X，Y，Z)，但也可以做俯仰，滾轉(zhuǎn)和偏擺。
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作者估計全世界有3000多個地震振動臺。美國最大的振動臺在加州大學(xué)圣地亞哥分校（University of California San Diego），其照片如下圖8.1所示。這個臺面的尺寸是8米x 12米，最大載重量可達400噸。它最初是作為雙軸臺(水平、垂直)建造的，但目前正在升級為全三軸臺，這將于2022年1月完成。這個振動臺的獨特之處在于它位于室外，因此可以測試高達約10層的鋼結(jié)構(gòu)、混凝土結(jié)構(gòu)和木結(jié)構(gòu)建筑。
圖8.1:加州大學(xué)圣地亞哥分校大地震振動臺
目前世界上最大的振動臺是日本的E-Defense振動臺。照片如下圖8.2所示。這個三軸(X，Y，Z)工作臺的尺寸為20米x 15米，可處理最大1200噸的有效載荷。它已被用于測試核電站的全尺寸結(jié)構(gòu)和部件及結(jié)構(gòu)。
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有很多特定地點震振動臺。例如，振動臺可以放在離心機內(nèi)部。這允許對土壤和巖石中的線性和非線性結(jié)構(gòu)模型進行地震測試，例如大壩、海上石油平臺、樁和港口結(jié)構(gòu)。有必要將振動臺放在離心機內(nèi)，以保留縮放模型中的材料屬性。例如，如果使用比例模型為100的速度縮放，則有必要在離心機中施加100 g的靜態(tài)加速度。這也要求振動臺具有很高的加速度和頻率能力。另一方面，它只需要有較小的位移能力。下圖9.1中的圖顯示了一個離心機筐型結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部帶有雙軸(水平、垂直)振動臺，放置在中國天津的一個500 g噸的離心機中。以下鏈接顯示了運行中的離心機，其中包括振動臺和測試部件:
圖9.1天津筐型結(jié)構(gòu)振動臺示意圖
表9.1 500 g-ton離心式振動臺規(guī)范
另一種專業(yè)振動臺用于公共教育，允許人類乘坐在振動臺上體驗地震。這些振動臺用于博物館或流動卡車的地震科學(xué)和地震安全公共教育，也用于培訓(xùn)應(yīng)急人員。它們通?？梢匀菁{1到40名乘客，并配備了許多安全功能來保護乘客。圖10.1是位于烏茲別克斯坦塔什干應(yīng)急響應(yīng)人員培訓(xùn)中心的三軸電動公共教育振動臺的照片。以下是該振動臺運行視頻的鏈接:
請注意，臺面配備了模擬房間，以增加乘客體驗的真實感。
