简易单向专用地震模拟振动台的研制

世 界 地 震 工 程

WORLDEARTHQUAKEENGINEERING

Vo.l23,No.4

Dec.,2007

文章编号:1007-6069(2007)04-0079-05

简易单向专用地震模拟振动台的研制

黄春霞 张鸿儒 隋志龙

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(1.南京工业大学土木工程学院,江苏南京210009;2.北京交通大学土木建筑工程学院,北京100044)

摘要:振动台实验方法是目前抗震研究中的重要手段之一。作者在碎石桩加固液化地基效果的试验研究中,利用从美国MTS公司引进的电液伺服加载试验系统,建成了一个简易单向专用振动台。主要介绍在振动台设计方面遇到的技术难题及其解决途径。主要包括振动台基础、台面和作动器连接部件、台面支撑系统和侧面导向系统材料的正确选择、设计和制作等。文中所采用的技术措施对试验成功起到了保障作用,研制出的振动台试验系统还可以应用于其它岩土地震问题的试验研究。关键词:液化地基;MTS电液伺服加载试验系统;振动台;研制中图分类号:P315

文献标识码:A

Developmentofsimpleunidirectionalearthquake

simulationshakingtableforspecialuse

HUANGChun-xia,ZHANGHong-ru,SUIZh-ilong

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(1.CollegeofCivilEngineering,NanjingUniversityofTechnology,Nanjing210009,China;2.Schoolof

CivilEngineeringandArchitecture,BeijingJiaotongUniversity,Beijing100044,China)

Abstract:Shakingtabletestisanimportantmethodtostudyaseismicabilityofengineeringstructures.Asimpleu-nidirectionalshakingtablehasbeendevelopedbymakinguseofexistingMTSelectrohydraulicservoloadtestingsystemintheexperimentalresearchoneffectivenessofreinforcingliquefiablegroundwithstonecolumns.Thispa-permainlydescribesthedifficultiesandthesolvingwayoftheshakingtabledesign,includingproperselectionofmateria,ldesignandfabricationoftheshakingtablefoundation,jointofplatformandactuator,supportingsystemofplatformandsideguidesystem.Themeasuresmentionedhavelaidafirmfoundationforthesuccessofthetestandtheshakingtabletestingsystem,whichcanalsobeadoptedinothertestsforseismicgeotechnicalproblems.

Keywords:liquefiedfoundation;MTSelectrohydraulicservoloadtestingsystem;shakingtable;development

1 引言

地震模拟振动台不仅可以产生各种频率、振幅的规则振动,而且可以很好地再现地震波,因此它是抗震研究的重要设备

[1]

。振动台始建于19世纪60年代末,首先是美国Berkeley加州大学建成了6.1m@6.1m

[2~4]

的水平和垂直两向振动台,随后日本国立防灾科学技术中心建成了世界上最大的15m@15m水平或垂直单独工作的振动台。到目前为止,据有关资料的不完全统计,国际上已经建成了近百座振动台。

然而,振动台构造复杂,集精密机械加工、电液伺服控制技术和计算机技术于一体,因此价格昂贵,一般高等学校和科研院所很难建造。我们在完成国家自然科学基金资助项目/碎石桩加固液化地基效果的试验

收稿日期:2007-04-25; 修订日期:2007-09-21

基金项目:国家自然科学基金资助项目(50278003);铁道部科技研究开发计划项目(2003G06) 作者简介:黄春霞(1974-),女,博士,主要从事岩土工程教学和科研工作.80 世 界 地 震 工 程 23卷

研究0的过程中,利用北京交通大学土建学院结构工程实验室从美国MTS公司引进的电液伺服加载试验系统,建成了一个简易单向专用振动台。试验结果表明,本次试验所研制的单向专用振动台是合理可行的,为取得可信的试验结果打下了坚实的基础。同时,该设备还可以进行其它岩土结构振动台模型试验,为今后岩土抗震研究奠定了试验基础。

2 振动台试验系统组成及研制内容

地震模拟振动台作为一个复杂的系统主要由如下几个部分组成:台面和基础、高压油源和管路系统、作动器、模拟控制系统、计算机控制系统和响应的数据采集处理系统。由于MTS电液伺服加载试验系统中已配备有高压油源和管路系统、作动器、模拟控制系统、计算机控制系统和响应的数据采集处理系统。因此,本次试验所需单向振动台的研制主要包括以下内容:¹振动台台面和基础;º将台面和作动器连接,使作动器的激振力作用于振动台台面(即模型地基底部);»台面支承系统;¼侧面导向系统。

MTS电液伺服加载试验系统包含以下五个部分:¹244.41电液伺服作动器(图1),最大出力为490kN,最大幅值为?250mm;º244.51电液伺服作动器,最大出力为980kN,最大幅值为?250mm;»505.180液压源;¼FlexTest11m控制器,四通道AD输入,四通道DA输出;½相关系统控制和应用软件。

3 振动台基础

作动器要想在控制系统指令下推动台面完成预定的运动,必须有反力装置。目前,结构实验室已建有反力墙,并且可以通过加工好的作动器底座将作动器固定在反力墙上,如图1所示。但需要注意的一点是,反力墙和作动器上的安装孔位是固定的,如果要利用它们形成振动台系统,振动台的高度就要受到严格限制;否则就需要自行设计加工一个反力台架或作动器底座。

为了简化设计过程和降低试验成本,决定利用原有的反力墙和作动器底座形成单向振动台系统。这样,作动器固定在反力墙上的位置(距离底面高度)就被确定了下来。振动台的设计要求作动器力的作用线通过台面结构的质量中心,因此在选定台面结构和台面支承系统之后,振动台基础高度也就同时被确定了。为灵活地选择满足要求的基础高度,选用现浇混凝土基础。设计时要受到实验室吊车能力的限制(最大15t)。

振动台基础采用为了保证试验安全正常进行,试验时需要将振动台基础固定在实验室地板上。因此,设计时需要考虑实验室地板上已有的地脚螺栓孔位(直径100mm,孔的中心距为1m),实现在基础的相应位置采用螺栓把基础固定在地板上这一目的。

与此同时,现有的试验条件、研究内容和目的也对振动台基础的尺寸提出了具体要求。如前所述,选定了台面支承系统和台面结构后,基础的高度被确定为0.74m。为了利用基础自身来固定侧向导向图2 混凝土基础设计图(单位:mm)图1 安装在反力墙上的244.41作动器

4期黄春霞等:简易单向专用地震模拟振动台的研制81

系统,设计基础的宽度与模型箱外部宽度相同;基础长度比模型箱略大一些。基础尺寸确定为长3.5m,宽1.7m,高0.74m,自重11,t具体的设计如图2所示。

图2中1、3是按照台面支承系统和侧面导向系统的设计需要,在混凝土基础上浇筑的滚珠凹槽和预留固定侧向导向系统框架的圆孔(详见4)。为不影响振动台台面的运动,固定基础所用的螺栓不能高出基础底面。因此,在设计时,将直径为100mm圆孔的上部扩大为一个210mm@210mm的方孔,这样螺母可以放置在基础内部。

由于要吊装,所以基础还需要进行配筋。起吊时,基础是典型的受弯构件,因此,可将其视为混凝土板按照规范

[5]

进行配筋计算。基础设计采用的材

料为:C40商品混凝土和Ñ级钢筋。按照单筋矩形截面受弯构件正截面承载力进行配筋设计,选配16<14

2

@100(As=2462mm),钢筋配制在基础的底部。吊环设计中,将其中四根钢筋换为<25,由于基础上预留孔洞,因此实际配筋为11<14,4<25@100,则As=3656mm。分布钢筋选18<14@200,由于有预留孔位,最后对钢筋间距作了调整,如图3所示。

吊环应设置在承受弯矩最小或便于吊装的部位,使构件起吊平稳均匀,荷重对称。由于基础顶面不能设置吊环,所以采用把受力钢筋中的四根伸出基础之外,形成吊环的设计方案(图3所示)。为确保起吊安全,将作为吊环的四根钢筋设计为<25的Ñ级钢筋,并进行了强度、抗拔力和局部承压方面的验算

[6]

2

,均达到要求。

图3 混凝土基础配筋图(单位:mm)

4 振动台台身设计

电液伺服作动器在控制系统的指令下,推动台面作单向水平运动。因此,台面应被支承在能使其自由运动的装置上,在非运动方向又必须有限制台面侧移和转动的装置。所以振动台的台身部分由台面、台面支承系统和侧面导向系统三大部分组成。4.1 台面支承系统

支承系统应使台面在振动台的振动方向自由运动。我们把由于支承系统的原因而产生的阻力叫扰力,毫无疑问,扰力应小,以减少能耗。此外支承系统应有足够的强度和刚度,不仅能承受台面和试件的总重量,而且应使台面有足够的抗动态倾覆能力。

目前能见到的支承系统有美国Berkeley大学6m@6m振动台的气浮式支承,日本大林组株式会社6m×4m振动台的滚珠轴承式支承,中国建筑科学研究院抗震所3m@3m振动台的静压导轨支承以及国内最常见的四立柱万向球座支承,如大连理工大学3m@3m的振动台等。这些支承系统的制造需要精密机械加工,或需备配油压源、空气压缩机等辅助系统,需要一定的投资

[7]

。在选定钢筋混凝土结构制

作振动台基础的方案后,决定采用钢滚珠形成台面支承系统,如图4所示。这种设计方案的突出优点是把精密机械加工简化为普通钢结构制造,且运行过程中无需特殊保养,从而大幅度地降低了造价和维护费用。图4 滚珠支承系统82 世 界 地 震 工 程 23卷

采用钢滚珠支承,必须为其设计滚动所用的凹槽。在混凝土基础上设置钢珠滚动凹槽需满足以下几点要求:¹内部必须光滑,钢珠在其内部可以自由滚动;º自身的刚度和硬度要大,保证一定的使用寿命;»必须完全固定在振动台基础上,不能因其与基础发生相对位移而影响台面的正常运动;¼便于加工制作。寻找能够满足上述条件的材料还真费了一番功夫,最后,确定了如下的设计方案:首先采用线切割技术将无缝钢管沿中轴线剖开形成两根半圆形凹槽,在预制基础时把凹槽筑入混凝土中,凹槽的切割面与基础顶面齐平。为尽量减小台面的弯曲变形,设计了4排滚动凹槽,平面布置如图2(a)所示。为使凹槽完全固定在基础上,在振动过程中不致发生松动,在凹槽的外表面沿长度方向每隔30cm就焊接两根螺纹钢筋,钢筋呈/八0字形布置。以此增大凹槽和混凝土之间的握裹力。4.2 台面

振动台的台面需要有足够的刚度和承载力。从材料方面来考虑,振动台的台面应当重量轻、刚度大,铝材因其密度小、局部刚度也很高而成为最合适的材料。但从经济性来考虑,钢结构台面是最广泛应用的。目前已建成的振动台,通常采用焊接钢结构,个别采用预应力混凝土和铝焊制品制成。考虑到模型箱采用钢材制作,为使台面和模型箱之间可以直接采用焊接方式来保证台面和模型箱的刚性连接,台面采用16mm厚钢板制成。对于本试验采用的支承系统,台面呈多跨连续板工作,在上部荷载作用下,计算出钢板的最大挠曲变形为0.121mm,认为满足刚度要求。台面和作动器通过一块焊接在台面中部的厚钢板用高强度螺栓相联,如图5所示。4.3 侧面导向系统

由于振动台的制造和安装误差,作动器的力作用线不通过台面结构的质心,或者台面上的试件质心和台面中心不重合,在惯性力作用下,就会使台面产生转动和侧向运动,它们是导致产生非主振方向的水平加速度及主振方向加速度不均匀性的主要原因。因此,单向振动台需设置可靠的侧面导向装置,尤其是采用一个作动器推动台面工作的情况。目前侧面导向系统大都采用静压导轨,它的优点是有较高的承载力,刚度大。但这种导向系统不仅要求有较高的加工精度,而且要考虑能消除安装误差、振动台基础变形、温度变化等影响的措施,又需要增添辅助油源,这在提高了成本的同时还对运行时的保养技术提出了较高的要求。国内有些振动台因静压导

[7]

轨漏油严重而不能正常工作就是一个例证。

在本次试验研究中,由于台面宽度与模型箱宽度一致,基本上保证台面和模型的质量中心重合。但考虑到台面和作动器联接板的制作误差以及安装误差,在台面的两个侧面各设置了四个轴承来限制台面的转动和侧向移动(图6)。直接利用设置模型箱层间轴承的8根槽钢,在其相应于台面的位置上开孔,按照选用的轴承计算开孔尺寸,使轴承最凸点比槽钢平面多3mm,这样就可以限制台面的扭转和侧移,使台面形成单向运动。

图5 台面和作动器连接

5 振动台主要性能参数

本次试验所研制的简易单向振动台是采用电液伺服驱动方式,主要的性能参数如表1所示。

图6 安装侧面导向装置4期黄春霞等:简易单向专用地震模拟振动台的研制83

6 结语

振动台在抗震研究中是一个很重要的设备,通过振动台模型试验我们不仅可以获得第一手的试验资料进行深入研究,同时还可以用试验所获得的结果去验证已有的理论模型的合理性。但是,鉴于振动台昂贵的价格,很多单位都是望尘莫及。我们在完成了国内外岩土结构地震问题振动台试验相关文献全面调查的基础上,利用MTS电液伺服加载试验系统研制了一个简易单向专用振动台,并成功完成了碎石桩加固液化地基效果试验研究,取得了满意的结果。

表1 振动台主要性能参数

项目

振动台台面尺寸(m)最大承载力(t)频率范围(Hz)最大出力(kN)最大位移(mm)最大加速度(g)

波形驱动方式驱动方向

性能参数3.2@1.7

250~100490?100mm0.6g规则波或地震波

电液伺服

X

参考文献:

[1][2][3][4][5][6][7]

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