400-700-9998
欧美大地 室内岩土试验
室内岩土试验
【论文】模拟异常地球物理事件:地震振动台
发布时间:2021-10-12 浏览次数:7557 来源:欧美大地


本文为ANCO公司撰写的在2021年10月11日至14日在埃及开罗举行的第七届阿拉伯天文学和地球物理学大会上(Arab Conference on Astronomy and Geophysics 7th Assembly)提交的振动台论文

保罗·依班那博士,paul@ancoengineers.com

博阿兹·诺顿,boaz@ancoengineers.com
ANCO工程师
美国科罗拉多州博尔德




1

介绍



地震是一种特殊的地球物理事件,由断层破裂后地壳的弹性反弹引起。破裂中释放的能量向外辐射数公里,并能在数千平方公里的范围内产生破坏性的振动。因此,土木结构和机械设备的设计必须能够在此类事件中保存下来,以最大限度地减少损坏和生命损失。大部分设计工作可以通过计算完成,但也有必要通过实验验证这些计算或新的独特设计是否正确有效。这需要在地震振动台上测试模型或全尺寸结构和部件。此类测试通常在对关键设施的性能至关重要的机械和电气部件上进行,如医院、消防和警察局、电信中心以及常规和核电厂。这些振动台通常用于大学和提供此类测试服务的商业实验室。本文是介绍性概述,描述了全球范围内各种功能的振动台。在过去的100年里,振动台已经被用于这样的研究。例如,1923年有一项蒸汽机驱动的振动台的日本专利申请。




2

小型教育振动台



小型经济型振动台用于大学教育目的,在教室和实验室教授振动理论、结构动力学和实验技术。这些振动台有时也可以用于科学研究。与以下章节中讨论的大型振动台类似,该振动台由基于个人电脑的数字控制器控制,能够产生地震运动、随机运动、脉冲运动和正弦扫描。地震运动可以是实际记录的地震时间历程或人工产生的具有特定频率能量分布的地震运动。图2.1显示了一个小型电动振动台,其规格如振动台2.1所示。所示的振动台是典型的,但是也存在这种类型的更大和更小的振动台。下面是显示该台面运行情况的短视频链接。这些小台面可以提供1、2或3自由度配置。


点击这里观看视频。


图2.1:教育用1自由度电动作动器器驱动台式振动台



表2.1典型小型教育振动台规格

台面尺寸

70 cm x 70 cm

标称最大测试项目质量

30 kg

峰值加速度

2 g

峰值位移

± 15 cm

工作频率范围

0-15 Hz

轴的数量

单轴:1水平(X)




3

中型单轴水平振动台



与伺服液压驱动振动台相比,电动作动振动台方便,维护和噪音低。然而,能够承受更高有效载荷(通常超过1吨或更多)的振动台通常采用伺服液压作动器。


图3.1中的照片显示了一个伺服液压致动器驱动的单轴水平振动台,其台面为2米x 2米,有效载荷能力高达5吨。该振动台正用于中国宁波一所大学的结构和土壤动力学研究。所示的振动台是典型的,但是也存在这种类型的更大和更小的振动台。尺寸高达6米x 6 m和50吨的台面也存在。下面是显示该台面运行情况的短视频链接。


点击这里观看视频。


图3:ANCO实验室宁波的振动台台面照片



表3.1典型水平单轴振动台规范

台面尺寸

2 m x 2 m

标称最大测试项目质量

5 tons

峰值加速度

1.5 g

峰值位移

± 10 cm

工作频率范围

0-40 Hz

轴的数量

单轴:水平单向



4

双轴水平振动台



当然,地震会引起独立的三个轴同步运动。因此,研究人员经常想要一个双轴或三轴振动台。


下图4.1中的照片显示了一个独立的同时双轴振动台,具有2米x 2米的台面和4吨的容量。美国内布拉斯加-林肯大学(University of Nebraska-Lincoln, USA)正在使用这张振动台来研究岩石堤坝和墙壁的稳定性。所示的振动台是典型的,但是也存在这种类型的更大和更小的振动台。下表给出了典型的振动台规格。


点击这里观看视频。



图4:UNL双轴振动台照片



表4.1典型水平(X,Y)双轴振动台规格

台面尺寸

2 m x 2 m

标称最大测试项目质量

4 tons

峰值加速度

2.5 g

峰值位移

± 15 cm

工作频率范围

0-40 Hz

轴的数量

2轴:2个水平(X,Y)




5

双轴水平/垂直振动台



一些使用双轴台面的研究人员更喜欢有一个水平轴和一个垂直轴。下面的图5.1显示了这种水平/垂直双轴工作台的图纸。图5.2显示了这种典型的水平/垂直振动台的照片。这张台面正被用于中国重庆的大学研究,它有一个1.5米x 1.5米的台面和2吨的有效载荷。



图5.1:典型水平/垂直双轴振动台



图5.2:中国重庆双轴振动台照片



表5.1典型水平/垂直(X,Z)双轴振动台规格

台面尺寸

1.5 m x 1.5 m

标称最大测试项目质量

2 tons

峰值加速度

2 g

峰值位移

± 15 cm

工作频率范围

0-40 Hz

轴的数量

2个轴:1个水平轴和1个垂直轴(X,Z)




6

电机伺服三轴振动台



最真实的地震模拟需要在所有三个轴上同时独立运动,就像三轴振动台提供的运动。下图6.1显示了一个1.6 m x 1.6 m的电动三轴振动台。该振动台位于美国宾夕法尼亚州,用于美国核电站电气设备的抗震鉴定。以下链接显示了该振动台的运行情况。


点击这里观看视频。



图6.1:电动三轴振动台照片



表6.1典型电动三轴振动台规格

台面尺寸

1.6 x 1.6 m

标称最大测试项目质量

0.5-1 ton

峰值加速度

高达6 g

峰值位移

± 20 cm

工作频率范围

0-70 Hz

轴的数量

3个轴:2个水平轴,1个垂直轴(X,Y,Z)




7

伺服液压驱动三轴振动台



最大量程的三轴振动台是伺服液压的。下图7.1显示了一个3米x 3米的三轴台,容量为10吨。该振动位于美国弗吉尼亚州,用于美国核电站电气和机械设备的抗震鉴定。以下链接显示了该振动台的运行情况。请注意,虽然该振动台通常用于3自由度模式(X,Y,Z),适用于地震,但它配备了六个独立的作动器,因此也可以进行6自由度运动,包括俯仰、滚转和偏摆。


点击这里观看视频。



图7.1:伺服液压三轴振动台照片



表7.1典型伺服液压三轴振动台规格

台面尺寸

3 m x 3 m

标称最大测试项目质量

10 tons

峰值加速度

7 g

峰值位移

± 20 cm

工作频率范围

0-90 Hz

轴的数量

3个轴:2个水平,1个垂直(X,Y,Z),但也可以做俯仰,滚转和偏摆。




8

最大的振动台



作者估计全世界有3000多个地震振动台。美国最大的振动台在加州大学圣地亚哥分校(University of California San Diego),其照片如下图8.1所示。这个台面的尺寸是8米x 12米,最大载重量可达400吨。它最初是作为双轴台(水平、垂直)建造的,但目前正在升级为全三轴台,这将于2022年1月完成。这个振动台的独特之处在于它位于室外,因此可以测试高达约10层的钢结构、混凝土结构和木结构建筑。




图8.1:加州大学圣地亚哥分校大地震振动台


目前世界上最大的振动台是日本的E-Defense振动台。照片如下图8.2所示。这个三轴(X,Y,Z)工作台的尺寸为20米x 15米,可处理最大1200吨的有效载荷。它已被用于测试核电站的全尺寸结构和部件及结构。


有关此台面的视频和更多信息,请点击这里观看视频。



图8.2:日本的E-Defense 振动台




9

安装在离心机上的振动台



有很多特定地点震振动台。例如,振动台可以放在离心机内部。这允许对土壤和岩石中的线性和非线性结构模型进行地震测试,例如大坝、海上石油平台、桩和港口结构。有必要将振动台放在离心机内,以保留缩放模型中的材料属性。例如,如果使用比例模型为100的速度缩放,则有必要在离心机中施加100 g的静态加速度。这也要求振动台具有非常高的加速度和频率能力。另一方面,它只需要有较小的位移能力。下图9.1中的图显示了一个离心机筐型结构,其内部带有双轴(水平、垂直)振动台,放置在中国天津的一个500 g吨的离心机中。以下链接显示了运行中的离心机,其中包括振动台和测试部件:


点击这里观看视频。



图9.1天津筐型结构振动台示意图



表9.1 500 g-ton离心式振动台规范

台面尺寸

1 x 1 m

标称最大测试项目质量

1 ton

峰值加速度

40g水平206垂直

峰值位移

± 5 mm

工作频率范围

10-250 Hz

轴的数量

2个轴:1个水平轴,1个垂直轴(X,Z)




10

公共教育振动台



另一种专业振动台用于公共教育,允许人类乘坐在振动台上体验地震。这些振动台用于博物馆或流动卡车的地震科学和地震安全公共教育,也用于培训应急人员。它们通常可以容纳1到40名乘客,并配备了许多安全功能来保护乘客。图10.1是位于乌兹别克斯坦塔什干应急响应人员培训中心的三轴电动公共教育振动台的照片。以下是该振动台运行视频的链接:


点击这里观看视频。



图10.1塔什干振动台照片


请注意,台面配备了模拟房间,以增加乘客体验的真实感。


表10.1典型公共教育振动台规范

台面尺寸

3 m x 4 m

名义允许乘客人数

20名乘客

峰值加速度

0.5 g

峰值位移

± 20 cm

工作频率范围

0-15 Hz

轴的数量

3个轴:2个水平轴,1个垂直轴(X,Y,Z)




为您推荐