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歐美大地 室內巖土試驗
室內巖土試驗
【論文】模擬異常地球物理事件:地震振動臺
發布時間:2021-10-12 瀏覽次數:33522 來源:歐美大地


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和地球物理學大會上(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




1

介紹



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公里,并能在數千平方公里的范圍內產生破壞性的振動。因此,土木結構和機械設備的設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構和部件。此類測試通常在對關鍵設施的性能至關重要的機械和電氣部件上進行,如醫院、消防和警察局、電信中心以及常規和核電廠。這些振動臺通常用于大學和提供此類測試服務的商業實驗室。本文是介紹性概述,描述了全球范圍內各種功能的振動臺。在過去的100年里,振動臺已經被用于這樣的研究。例如,1923年有一項蒸汽機驅動的振動臺的日本專利申請。




2

小型教育振動臺



小型經濟型振動臺用于大學教育目的,在教室和實驗室教授振動理論、結構動力學和實驗技術。這些振動臺有時也可以用于科學研究。與以下章節中討論的大型振動臺類似,該振動臺由基于個人電腦的數字控制器控制,能夠產生地震運動、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動臺式振動臺



表2.1典型小型教育振動臺規格

臺面尺寸

70 cm x 70 cm

標稱最大測試項目質量

30 kg

峰值加速度

2 g

峰值位移

± 15 cm

工作頻率范圍

0-15 Hz

軸的數量

單軸:1水平(X)




3

中型單軸水平振動臺



與伺服液壓驅動振動臺相比,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的結構和土壤動力學研究。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。


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圖3:ANCO實驗室寧波的振動臺臺面照片



表3.1典型水平單軸振動臺規范

臺面尺寸

2 m x 2 m

標稱最大測試項目質量

5 tons

峰值加速度

1.5 g

峰值位移

± 10 cm

工作頻率范圍

0-40 Hz

軸的數量

單軸:水平單向



4

雙軸水平振動臺



當然,地震會引起獨立的三個軸同步運動。因此,研究人員經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。美國內布拉斯加-林肯大學(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格。


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圖4:UNL雙軸振動臺照片



表4.1典型水平(X,Y)雙軸振動臺規格

臺面尺寸

2 m x 2 m

標稱最大測試項目質量

4 tons

峰值加速度

2.5 g

峰值位移

± 15 cm

工作頻率范圍

0-40 Hz

軸的數量

2軸:2個水平(X,Y)




5

雙軸水平/垂直振動臺



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研究,它有一個1.5米x 1.5米的臺面和2噸的有效載荷。



圖5.1:典型水平/垂直雙軸振動臺



圖5.2:中國重慶雙軸振動臺照片



表5.1典型水平/垂直(X,Z)雙軸振動臺規格

臺面尺寸

1.5 m x 1.5 m

標稱最大測試項目質量

2 tons

峰值加速度

2 g

峰值位移

± 15 cm

工作頻率范圍

0-40 Hz

軸的數量

2個軸:1個水平軸和1個垂直軸(X,Z)




6

電機伺服三軸振動臺



最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備的抗震鑒定。以下鏈接顯示了該振動臺的運行情況。


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圖6.1:電動三軸振動臺照片



表6.1典型電動三軸振動臺規格

臺面尺寸

1.6 x 1.6 m

標稱最大測試項目質量

0.5-1 ton

峰值加速度

高達6 g

峰值位移

± 20 cm

工作頻率范圍

0-70 Hz

軸的數量

3個軸:2個水平軸,1個垂直軸(X,Y,Z)




7

伺服液壓驅動三軸振動臺



最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、滾轉和偏擺。


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圖7.1:伺服液壓三軸振動臺照片



表7.1典型伺服液壓三軸振動臺規格

臺面尺寸

3 m x 3 m

標稱最大測試項目質量

10 tons

峰值加速度

7 g

峰值位移

± 20 cm

工作頻率范圍

0-90 Hz

軸的數量

3個軸:2個水平,1個垂直(X,Y,Z),但也可以做俯仰,滾轉和偏擺。




8

最大的振動臺



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層的鋼結構、混凝土結構和木結構建筑。




圖8.1:加州大學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構和部件及結構。


有關此臺面的視頻和更多信息,請點擊這里觀看視頻。



圖8.2:日本的E-Defense 振動臺




9

安裝在離心機上的振動臺



有很多特定地點震振動臺。例如,振動臺可以放在離心機內部。這允許對土壤和巖石中的線性和非線性結構模型進行地震測試,例如大壩、海上石油平臺、樁和港口結構。有必要將振動臺放在離心機內,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的靜態加速度。這也要求振動臺具有非常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構,其內部帶有雙軸(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:


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圖9.1天津筐型結構振動臺示意圖



表9.1 500 g-ton離心式振動臺規范

臺面尺寸

1 x 1 m

標稱最大測試項目質量

1 ton

峰值加速度

40g水平206垂直

峰值位移

± 5 mm

工作頻率范圍

10-250 Hz

軸的數量

2個軸:1個水平軸,1個垂直軸(X,Z)




10

公共教育振動臺



另一種專業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和地震安全公共教育,也用于培訓應急人員。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急響應人員培訓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:


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圖10.1塔什干振動臺照片


請注意,臺面配備了模擬房間,以增加乘客體驗的真實感。


表10.1典型公共教育振動臺規范

臺面尺寸

3 m x 4 m

名義允許乘客人數

20名乘客

峰值加速度

0.5 g

峰值位移

± 20 cm

工作頻率范圍

0-15 Hz

軸的數量

3個軸:2個水平軸,1個垂直軸(X,Y,Z)




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