水运工程水下振动台的应用研究与进展

郑子龙，郑昕阳

（1.交通部天津水运工程科学研究所工程泥沙交通行业重点实验室，天津 300456；2.中交股份国投曹妃甸港口项目经理部，唐山 063205）

地震对港口码头危害相当严重，据统计全世界每年约发生五百万次地震，其中绝大部分是不为人感觉只有灵敏的地震仪才能记录到的小地震。强烈地震一旦发生在沿海地区，必将造成严重的后果。仅20世纪后期，世界各地就发生了数百次严重的破坏性地震（表1）。震害较多国家的相关行业都制定有抗震设计规范。我国电力行业标准规定“设计烈度为8、9度时，工程抗震设防类别为甲类的水工建筑物，应进行动力试验验证”［1］。交通运输部《水运工程抗震设计规范》［2］中规定，设计烈度小于6度不进行抗震计算，高于9度应进行专门的研究论证，并明确了采用《中国地震烈度区划图》（1990）作为设计烈度。从该图中可知，大多沿海地区地震烈度高于6度。目前，在水运工程设计中，抗震分析一般采用计算分析的方法，相关研究工作开展得很少，尚不具备开展实验研究所需的技术手段及大型设备。因此，建设水下振动台，对提高水运工程抗震减灾的理论研究及实验技术是非常必要的。

1 振动台实验技术的发展现状与趋势

1.1 振动台的研究与发展现状

在一些国家，振动台作为一个重要的研究方向，已经形成规模和产业。许多著名大学和研究机构与专业制造公司合作，在前沿技术和应用技术方面的研究和开发都取得了重要成果。国外主要制造公司有美国MTS公司、德国Shenck公司，英国ServoTest公司以及日本的三菱公司等。

美国是研制振动台最早的国家之一，20世纪60年代就已经开始了对多向振动台的研制，20世纪70年代，已成功地开发出具有较高频率、较小失真度等特性的多向振动系统［3-4］。20世纪80年代，美国和日本进行合作，利用计算机完成了驱动信号生成、在线控制以及历史数据记录等功能。时至今日，美国MTS公司在振动台领域仍处于国际领先水平。

日本研制振动台相对较早。日本三菱公司于1970年研制出世界上最大的单向大型振动台：15 m×15 m水平或垂直单方向工作的振动台［5］。

德国在振动台方面的研究起步虽较晚，但技术水平却很高，其代表性公司Schenck开发的第一台振动台是为中国水利水电科学研究院研制的，规模为5 m×5 m，振动方向为三向六自由度。该振动台引入了德国西门子公司的技术，大大提高了系统可靠性。

表1 世界各国地震对港工建筑物破坏程度一览表Tab.1 Earthquake damage to port structures all over the world

国内高性能振动试验台的研究起步较晚，除引进了一些国外先进的高性能振动台以满足试验研究的需要外，还自行研制各类振动台，中国国家地震局工程力学研究所采用国产设备自行研制了双向振动台，于1985年安装完毕并同时进行了鉴定，于1997年升级成三向六自由度振动台，该振动台基础外形尺寸为15 m×15 m，重约2 400 t，最大基础面加速度小于0.1 g，可以进行9 m高的模型试验；同济大学最初的地震模拟振动台于1983年7月投入使用，初步建设为X、Y两向，并为第三向的设置预留了余地，20世纪90年代改造为三向六自由度运动；中国建筑科学研究院的地震模拟振动台台面尺寸为6 m×6 m，由美国MTS公司总承包；中国水利水电科学研究院从德国引进全套振动台，于1985年建成，该振动台的工作频率上限达到了120 Hz，由德国Schenck公司总承包建设；1978年9月国家地震局工程力学研究所加入联合研制组参与5 m×5 m三向地震模拟振动台的研制，联合研制组于1980年进行了方案论证，考虑到技术复杂性，决定研制3 m×3 m单向水平向地震模拟振动台作为中间试验项目，该项目于1983年完成并作为产品提供给机械工业部抗震研究室。目前上海正在建设国内最大的地震振动台，整个实验室预计在2011年竣工。届时桥梁等大型建筑的模型都可放置在实验台上，接受模拟地震波的检验。该实验室将落户嘉定，总投资约1亿元。

近年来，各大学和科研院所进行了很多振动台试验，涉及土木工程、电气设备、机械设备、矿山建筑等多个领域，其中在土木工程领域内应用最为广泛，主要应用于高层建筑、超高层建筑和高耸结构如电视塔等的抗震分析，为建筑物的抗震设计和结构控制设计提供重要依据。

目前，大型振动台设备的研发和应用受到了很多学者和专家的关注，国际上很多国家都致力于研究承载力大、频域宽的多功能振动台系统，但由于原型与模型结构的相似问题还没有完全解决，原型与模型的定量换算存在问题，因此，大承载力振动台实现宽频域的地震波的激励使结构反应更加接近实际，能极大提高试验的精度和准确度，同时考虑到结构地上地下以及水下和强风等不同的外界条件，设计多功能振动台设备可以为工程提供更可靠的依据。总的来说，振动台地震模拟系统试验在科研与实际领域都有很大的意义，是分析和评价结构抗震问题的重要手段。

1.2 水下振动台的研究与应用现状

抗震研究工作包括计算分析和试验研究两方面，试验研究在整个研究工作中占有极为重要的地位。目前，陆上抗震试验包括野外原型试验、地震模拟振动台试验、伪动力试验、伪静力试验、模型动力特性试验、材料动力特性试验、土动力试验和故障诊断试验等［9］。而针对水下结构物的试验手段则相对较少。

日本是研制水下振动台较早的国家。1984年三菱公司成功研制了6 m×6 m的三向六自由度大型水下振动台，采用三参量控制方法实现了振动台的加速度控制，并在理论上首次解决了六自由度独立控制问题。目前，已成功应用于日本港湾空港技术研究所构造振动研究室的抗震实验研究，是世界上最大的水下振动台，解决了很多水下结构的抗震设计问题。

大连理工大学抗震研究室是目前我国唯一拥有水下振动台模拟系统（两向三自由度）、可以进行水下结构模型试验的实验室。水下振动台位于长14 m，宽5 m，高1 m的水池中，在与激励方向垂直的池壁两端均安装有吸波装置，能较好地消去池壁反射波对试验的影响，模拟无限远波浪辐射边界条件。近年来，先后完成了水工、海工、港工、水利、核电以及工民建等方面的诸多项目（课题），其中包括：（1）核电站港池外防波堤的抗震研究与安全性评价；（2）海洋工程的海上平台以及海底管线在地震作用下的破坏机理及健康诊断研究；（3）近岸工程中的码头、防波堤的抗震减灾研究；（4）水利工程中的大坝抗震研究以及水电站可行性研究；（5）大桥的安全评价和加固设计、大厦的抗震安全性分析。

综上所述，通过振动台对水工结构进行抗震物理模型试验，对抗震减灾的理论研究和工程项目建设提供了较强的技术支撑。

2 建设水下振动台的技术难点与应用前景

工程结构抗震试验是研究结构抗震性能的一个重要方面，主要分为结构抗震静力试验和结构抗震动力试验两大类。抗震动力试验主要以非周期性动力试验为主，其主要特点是可以考虑一定的应变速率。由于计算方法和计算技术的发展，对水上结构进行非线性分析，了解其在地震、爆炸等各种动力荷载作用下的响应与破坏形态已不十分困难［10］。非线性动力分析软件大量产生。但是，由于没有解决材料的本构模型和本构参数等问题，对其在强震作用下发生震害的裂缝部位、裂缝走向以及裂缝的扩展范围等，不同学者通过非线性分析得出的结果仍然千差万别，这就使得数模计算方法的应用受到限制，远未达到“万能”的阶段。特别是水下结构物的抗震计算就更难实现。因此，物理模型和试验的方法仍然是我们研究工程问题的有力工具。研究水下结构抗震性能最准确的试验方法是振动台试验。振动台试验可以很好地再现地震过程并进行人工地震波试验，是进行结构-水-地基相互作用动力特性、地震反应和破坏机理等实验室研究一种重要的方法。

2.1 技术难点

相对于陆上振动台，由于振动台要在水下工作，必与水耦合而产生参振附加质量，这个附加质量是流体与结构耦合所特有的，随振动位移、速度、加速度的变化而变化。这就使水下振动台的研究存在如下难点：（l）流固耦合状态下，耦合前后振动台的工作频率范围变化［11］；（2）台面在水下工作，由于存在水的附加质量，水中的振级较空气中的振级低，因此驱动力要有一定程度的提高；（3）振动台的密封问题。水下振动台的台面多为圆形或椭圆形，在密封情况下，由于密封部分与台面连接，在振动台工作时也会参与振动。因此，密封问题对振动台的正常工作会产生很大的影响；（4）在水中运动，由于非线性、干扰因素（如颠覆力矩、阻尼等）存在，会对物理模型的振动波形有一定影响，这样对波形失真控制提出了要求［12］。

2.2 应用前景

近十几年来，我国开展了大规模水运工程建设，很多工程都处在7度以上烈度区。今后几十年，我国水运工程建设将持续发展，特别是一些超大型水运工程的设计使用期超过100 a，如正在建设中的港珠澳跨海通道工程、即将建设的琼州海峡跨海通道工程，对水工建筑物的安全性与耐久性提出了更高的要求，抗震安全会得到高度重视，水下振动台实验设备将有广阔的应用前景。可开展以下振动实验研究工作：（1）研究码头、防波堤、跨海桥隧等结构最基本的动力特性自振频率和相应的振型，各振型的能量耗散或阻尼值。在各种特定动力荷载作用下的动力反应，如应力和位移等。特定的动力荷载如地震荷载等引起的振动荷载等。（2）研究水工结构的地震破坏机理和破坏模式，对水工结构抗震能力的安全性评价。（3）研究水工结构中地震作用力的分布，为检验结构的抗震分析方法提供依据，寻找结构中可能存在的薄弱环节，为采取有效的抗震措施提供依据。（4）研究各种介质物（地基-结构-水-地震波）之间的相互作用问题，同时考虑风、浪、流的综合影响，为新的结构抗震设计理论提供技术支撑。（5）同时开展相关领域水工建筑物的地震破坏试验研究。

除针对水工结构建筑物的相关研究外，还可进行一些扩展性研究：（1）核电厂、高层建筑、生命线等重大工程问题；（2）混凝土与土石材料的动力特性与本构关系；（3）混凝土材料、岩土材料的静动态本构关系；（4）智能材料与结构振动控制；（5）岩土工程建筑物、边坡、地基的地震稳定；（6）地下结构的抗震分析；（7）结构动态性能识别与健康监测；（8）工程结构防灾减灾理论的研究。

3 结论

研究水工结构物抗震性能和预防措施，减少地震灾害，保证水运工程的安全畅通是工程设计与管理的首要任务之一。

地震模拟振动台试验已逐渐成为各高校和科研院所研究复杂工程设计中广泛采用的方法，该方法可以很好地输入实测及人工地震波，再现地震全过程，可以直观地观察模型的动力特性和破坏过程，发现结构的薄弱部位，探询结构的破坏机制，为结构设计中采取合理的抗震措施提供依据，是在试验室中研究结构地震反应和破坏机理的最直接方法。因此，在交通行业建设大型水下振动台模拟实验系统尤为重要，具有广泛应用前景。

通过应用水下地震模拟振动台系统，可为水运行业抗震设计、规范标准的制定等提供丰富的实验技术手段与强有力的科学依据。

［1］DL5073-2000，水工建筑物抗震设计规范［S］.

［2］JTJ225-98，水运工程抗震设计规范［S］.

［3］日本土木工程学会，日本地震工程委员会.土木工程结构抗震设计［M］.上海：同济大学出版社，1994.

［4］姚熊亮，戴绍仕.港口工程结构物抗震［M］.哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2004.

［5］刘汉龙，周健.大地震作用下构造物、地基与流体协同变形分析［J］.水利学报，1999（9）：51-56.

LIUHL，ZHOUJ.Analysis on deformations due to soil structure water interaction during the strong earthquake［J］.Journal of Hydraulic Engineering，1999（9）：51-56.

［6］张建政.六维并联冗余振动台控制规划与实验关键技术研究［D］.天津：河北工业大学，2006.

［7］关广丰.液压驱动六自由度振动试验系统控制策略研究［D］.哈尔滨：哈尔滨工业大学，2007.

［8］姚建均.电液伺服振动台加速度谐波抑制研究［D］.哈尔滨：哈尔滨工业大学，2007.

［9］黄浩华.地震模拟振动台的设计与应用技术［M］.北京：地震出版社，2008.

［10］隆文非.高坝动水压力及气幕隔震机理研究［D］.成都：四川大学，2005.

［11］吴昌聚.水下电磁振动台动态特性研究［D］.杭州：浙江大学，2003.

［12］曾台英.水下振动试验环境测控系统的研究［D］.杭州：浙江大学，2003.