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(huì)上（Arab Conference on Astronomy and Geophysics 7th Assembly）提交的振動(dòng)臺(tái)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(guó)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(dòng)。因此，土木結(jié)構(gòu)和機(jī)械設(shè)備的設(shè)計(jì)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(jì)工作可以通過計(jì)算完成，但也有必要通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證這些計(jì)算或新的獨(dú)特設(shè)計(jì)是否正確有效。這需要在地震振動(dòng)臺(tái)上測(cè)試模型或全尺寸結(jié)構(gòu)和部件。此類測(cè)試通常在對(duì)關(guān)鍵設(shè)施的性能至關(guān)重要的機(jī)械和電氣部件上進(jìn)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(dòng)臺(tái)通常用于大學(xué)和提供此類測(cè)試服務(wù)的商業(yè)實(shí)驗(yàn)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(dòng)臺(tái)。在過去的100年里，振動(dòng)臺(tái)已經(jīng)被用于這樣的研究。例如，1923年有一項(xiàng)蒸汽機(jī)驅(qū)動(dòng)的振動(dòng)臺(tái)的日本專利申請(qǐng)。
小型經(jīng)濟(jì)型振動(dòng)臺(tái)用于大學(xué)教育目的，在教室和實(shí)驗(yàn)室教授振動(dòng)理論、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)和實(shí)驗(yàn)技術(shù)。這些振動(dòng)臺(tái)有時(shí)也可以用于科學(xué)研究。與以下章節(jié)中討論的大型振動(dòng)臺(tái)類似，該振動(dòng)臺(tái)由基于個(gè)人電腦的數(shù)字控制器控制，能夠產(chǎn)生地震運(yùn)動(dòng)、隨機(jī)運(yùn)動(dòng)、脈沖運(yùn)動(dòng)和正弦掃描。地震運(yùn)動(dòng)可以是實(shí)際記錄的地震時(shí)間歷程或人工產(chǎn)生的具有特定頻率能量分布的地震運(yùn)動(dòng)。圖2.1顯示了一個(gè)小型電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)，其規(guī)格如振動(dòng)臺(tái)2.1所示。所示的振動(dòng)臺(tái)是典型的，但是也存在這種類型的更大和更小的振動(dòng)臺(tái)。下面是顯示該臺(tái)面運(yùn)行情況的短視頻鏈接。這些小臺(tái)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(dòng)作動(dòng)器器驅(qū)動(dòng)臺(tái)式振動(dòng)臺(tái)
表2.1典型小型教育振動(dòng)臺(tái)規(guī)格
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標(biāo)稱最大測(cè)試項(xiàng)目質(zhì)量
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與伺服液壓驅(qū)動(dòng)振動(dòng)臺(tái)相比，電動(dòng)作動(dòng)振動(dòng)臺(tái)方便，維護(hù)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(dòng)臺(tái)通常采用伺服液壓作動(dòng)器。
圖3.1中的照片顯示了一個(gè)伺服液壓致動(dòng)器驅(qū)動(dòng)的單軸水平振動(dòng)臺(tái)，其臺(tái)面為2米x 2米，有效載荷能力高達(dá)5噸。該振動(dòng)臺(tái)正用于中國(guó)寧波一所大學(xué)的結(jié)構(gòu)和土壤動(dòng)力學(xué)研究。所示的振動(dòng)臺(tái)是典型的，但是也存在這種類型的更大和更小的振動(dòng)臺(tái)。尺寸高達(dá)6米x 6 m和50噸的臺(tái)面也存在。下面是顯示該臺(tái)面運(yùn)行情況的短視頻鏈接。
圖3:ANCO實(shí)驗(yàn)室寧波的振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面照片
表3.1典型水平單軸振動(dòng)臺(tái)規(guī)范
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標(biāo)稱最大測(cè)試項(xiàng)目質(zhì)量
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當(dāng)然，地震會(huì)引起獨(dú)立的三個(gè)軸同步運(yùn)動(dòng)。因此，研究人員經(jīng)常想要一個(gè)雙軸或三軸振動(dòng)臺(tái)。
下圖4.1中的照片顯示了一個(gè)獨(dú)立的同時(shí)雙軸振動(dòng)臺(tái)，具有2米x 2米的臺(tái)面和4噸的容量。美國(guó)內(nèi)布拉斯加-林肯大學(xué)（University of Nebraska-Lincoln, USA）正在使用這張振動(dòng)臺(tái)來研究巖石堤壩和墻壁的穩(wěn)定性。所示的振動(dòng)臺(tái)是典型的，但是也存在這種類型的更大和更小的振動(dòng)臺(tái)。下表給出了典型的振動(dòng)臺(tái)規(guī)格。
表4.1典型水平(X，Y)雙軸振動(dòng)臺(tái)規(guī)格
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標(biāo)稱最大測(cè)試項(xiàng)目質(zhì)量
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一些使用雙軸臺(tái)面的研究人員更喜歡有一個(gè)水平軸和一個(gè)垂直軸。下面的圖5.1顯示了這種水平/垂直雙軸工作臺(tái)的圖紙。圖5.2顯示了這種典型的水平/垂直振動(dòng)臺(tái)的照片。這張臺(tái)面正被用于中國(guó)重慶的大學(xué)研究，它有一個(gè)1.5米x 1.5米的臺(tái)面和2噸的有效載荷。
圖5.1:典型水平/垂直雙軸振動(dòng)臺(tái)
圖5.2:中國(guó)重慶雙軸振動(dòng)臺(tái)照片
表5.1典型水平/垂直(X，Z)雙軸振動(dòng)臺(tái)規(guī)格
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標(biāo)稱最大測(cè)試項(xiàng)目質(zhì)量
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2個(gè)軸:1個(gè)水平軸和1個(gè)垂直軸(X，Z)
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真實(shí)的地震模擬需要在所有三個(gè)軸上同時(shí)獨(dú)立運(yùn)動(dòng)，就像三軸振動(dòng)臺(tái)提供的運(yùn)動(dòng)。下圖6.1顯示了一個(gè)1.6 m x 1.6 m的電動(dòng)三軸振動(dòng)臺(tái)。該振動(dòng)臺(tái)位于美國(guó)賓夕法尼亞州，用于美國(guó)核電站電氣設(shè)備的抗震鑒定。以下鏈接顯示了該振動(dòng)臺(tái)的運(yùn)行情況。
圖6.1:電動(dòng)三軸振動(dòng)臺(tái)照片
表6.1典型電動(dòng)三軸振動(dòng)臺(tái)規(guī)格
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標(biāo)稱最大測(cè)試項(xiàng)目質(zhì)量
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3個(gè)軸:2個(gè)水平軸，1個(gè)垂直軸(X，Y，Z)
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伺服液壓驅(qū)動(dòng)三軸振動(dòng)臺(tái)
大量程的三軸振動(dòng)臺(tái)是伺服液壓的。下圖7.1顯示了一個(gè)3米x 3米的三軸臺(tái)，容量為10噸。該振動(dòng)位于美國(guó)弗吉尼亞州，用于美國(guó)核電站電氣和機(jī)械設(shè)備的抗震鑒定。以下鏈接顯示了該振動(dòng)臺(tái)的運(yùn)行情況。請(qǐng)注意，雖然該振動(dòng)臺(tái)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(gè)獨(dú)立的作動(dòng)器，因此也可以進(jìn)行6自由度運(yùn)動(dòng)，包括俯仰、滾轉(zhuǎn)和偏擺。
圖7.1:伺服液壓三軸振動(dòng)臺(tái)照片
表7.1典型伺服液壓三軸振動(dòng)臺(tái)規(guī)格
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標(biāo)稱最大測(cè)試項(xiàng)目質(zhì)量
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3個(gè)軸:2個(gè)水平，1個(gè)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(jì)全世界有3000多個(gè)地震振動(dòng)臺(tái)。美國(guó)最大的振動(dòng)臺(tái)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(gè)臺(tái)面的尺寸是8米x 12米，最大載重量可達(dá)400噸。它最初是作為雙軸臺(tái)(水平、垂直)建造的，但目前正在升級(jí)為全三軸臺(tái)，這將于2022年1月完成。這個(gè)振動(dòng)臺(tái)的獨(dú)特之處在于它位于室外，因此可以測(cè)試高達(dá)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(dòng)臺(tái)
目前世界上最大的振動(dòng)臺(tái)是日本的E-Defense振動(dòng)臺(tái)。照片如下圖8.2所示。這個(gè)三軸(X，Y，Z)工作臺(tái)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(cè)試核電站的全尺寸結(jié)構(gòu)和部件及結(jié)構(gòu)。
有關(guān)此臺(tái)面的視頻和更多信息，請(qǐng)點(diǎn)擊這里觀看視頻。
圖8.2:日本的E-Defense 振動(dòng)臺(tái)
安裝在離心機(jī)上的振動(dòng)臺(tái)
有很多特定地點(diǎn)震振動(dòng)臺(tái)。例如，振動(dòng)臺(tái)可以放在離心機(jī)內(nèi)部。這允許對(duì)土壤和巖石中的線性和非線性結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行地震測(cè)試，例如大壩、海上石油平臺(tái)、樁和港口結(jié)構(gòu)。有必要將振動(dòng)臺(tái)放在離心機(jī)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(jī)中施加100 g的靜態(tài)加速度。這也要求振動(dòng)臺(tái)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(gè)離心機(jī)筐型結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部帶有雙軸(水平、垂直)振動(dòng)臺(tái)，放置在中國(guó)天津的一個(gè)500 g噸的離心機(jī)中。以下鏈接顯示了運(yùn)行中的離心機(jī)，其中包括振動(dòng)臺(tái)和測(cè)試部件:
圖9.1天津筐型結(jié)構(gòu)振動(dòng)臺(tái)示意圖
表9.1 500 g-ton離心式振動(dòng)臺(tái)規(guī)范
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標(biāo)稱最大測(cè)試項(xiàng)目質(zhì)量
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2個(gè)軸:1個(gè)水平軸，1個(gè)垂直軸(X，Z)
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另一種專業(yè)振動(dòng)臺(tái)用于公共教育，允許人類乘坐在振動(dòng)臺(tái)上體驗(yàn)地震。這些振動(dòng)臺(tái)用于博物館或流動(dòng)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。它們通常可以容納1到40名乘客，并配備了許多安全功能來保護(hù)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(dòng)公共教育振動(dòng)臺(tái)的照片。以下是該振動(dòng)臺(tái)運(yùn)行視頻的鏈接:
請(qǐng)注意，臺(tái)面配備了模擬房間，以增加乘客體驗(yàn)的真實(shí)感。
表10.1典型公共教育振動(dòng)臺(tái)規(guī)范
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3個(gè)軸:2個(gè)水平軸，1個(gè)垂直軸(X，Y，Z)
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