“小小振动台演示系统”的设计与实现

常建军 卢滔 刘英华 赵海康

常建军，北京市防震减灾宣教中心新媒体部部长，中国地震学会普及工作委员会委员，主要从事防震减灾科普信息化建设、科普产品开发和新媒体运营管理等工作。先后主持中国地震局教师科研基金、地震科技星火计划等科研项目，承担中国地震局科普和新闻宣传、科技项目与成果管理、监测预报等任务性项目，以及多项北京市财政专项课题。先后发表论文10余篇，出版科普视频和读物10余部，其中《安全农居建设》荣获全国科普作品优秀奖，《地震避险之家庭篇》《敬畏自然》和《地动仪的前世今生》入围北京科技微视频大赛优秀作品。负责运维的“地震三点通”微信公众号、北京市地震局官方微博分别荣获科普中国“2015 年度最具潜力科普微信公众号”和新浪“最佳政务公开案例”。

引言

国内外大量地震灾害统计表明，地震中85%以上的人员伤亡是由建筑物倒塌造成的，在台湾集集地震中比例竟高达94%，建筑物倒塌是人员伤亡的主要原因。在同一次地震中，有的建筑轰然倒塌，造成大量人员伤亡或被埋压，而有的建筑则岿然屹立，被公众称为“楼坚强”。

为什么建筑物会存在如此大的差异呢？除了可能存在施工质量、场地条件等差异外，其根本原因是建筑抗震性能存在差异。

结构抗震试验是建筑抗震性能研究的重要技术手段，目前常用的实验室试验方法有拟静力试验、拟动力试验和地震模拟振动台试验，其中地震模拟振动台试验可以真实再现各种地震波，直观了解结构在地震作用下的破坏状况及其过程，是目前研究结构抗震性能最直接的常用试验方法（图1）。

但由于振动台是大型昂贵的科研设备，只有少数大学和科研院所拥有此设备，在校学生、普通公众很难有机会接触振动台。

为此，在中国地震局地震科技星火计划的资助下，依托“地震科普教育软硬件一体化交互式平台的研发与应用”项目，我们开发了便携式的振动台演示系统，旨在让振动台走进中小学的课堂，让普通公众能够直观了解减灾科技成果，不但可以学习防灾减灾知识，有益于培养中小学生的科学兴趣，增强同学们的动手能力，还可提升防震减灾科普宣传效果和公众防灾减灾素养。

图1 东方明珠振动台试验

地震模拟振动台简介

1.振动台基本原理

通过动力加载设备使振动台的实验台面再现各种类型地震波, 使固定在台面上的试验对象随之产生类似地震作用下的振动，并通过观测设备记录试验对象的运动参数和破坏过程，为工程抗震提供科学依据。

地震模拟振动台是一套复杂的大型实验设备，以电液伺服地震模拟振动台为例，系统主要由液压源系统、激振器、伺服模拟控制器、台面、计算机控制系统组成，其中伺服模拟控制器是以电液伺服阀为核心的模拟控制器，是整个控制系统的核心部分；液压源系统主要是提供动力，包括液压泵站、蓄能器组、冷却系统等。

2.振动台发展简史

根据文献记载，振动台的研究与应用已有100余年历史。早在1890年，日本就尝试开展地震对结构影响的研究，大森房吉（Fusakichi Omori）和英国学者John Milne共同研制出最早的地震台。该振动台通过一根钢筋和一个偏心轮连接，由人力驱动，实现振动台的实验台面反复运动，由一个在旋转筒上的笔记录实验台面的运动（图2）。

图2 日本早期研制的轨道振动台

20世纪早期，全球先后发生了美国旧金山大地震、日本关东大地震等一系列强震，摧毁了大量建筑，造成巨大的人员死亡和经济损失，使科学家们更加关注建筑的抗震性能，推动了抗震技术的发展。在此期间，美国、日本的学者先后研制了各种小型振动台，如斯坦福大学的Jacobsen博士研制出了摆锤振动台，日本学者研制了偏心振动器激发的振动台，这些成果为后来的振动台研发奠定了基础。

20世纪60年代，随着自动化控制技术的发展，液压伺服控制技术开始应用于振动台系统，日本和美国先后建立了地震模拟振动台,我国的国家地震局工程力学研究所（现改名为中国地震局工程力学研究所）于1960年建造的地震模拟振动台也是世界早期地震模拟振动台之一。

20世纪80年代，随着科学技术的进一步发展, 日本最早研制出三向地震模拟振动台，随后各国纷纷建立了三向地震模拟振动台。1983年，同济大学建立了4m×4m三向地震模拟振动台，国家地震局工程力学研究所建立的5m×5m三向地震模拟振动台是我国第一台自行研制开发的振动台。

此后伴随着液压、电子、自动化、传感器、信号处理、控制技术等领域的发展，地震模拟振动台实现了从模拟控制到数字控制、从位移控制到多参量控制的发展历程，同时逐步向大型化、台阵化、智能化、远程化和混合试验的方向发展。

地震模拟振动台除用于建筑结构抗震研究外，还被广泛应用于结构动力特性、设备抗震性能检测、结构抗震措施检验等的研究工作，在航天工程、原子能反应堆、水工结构、桥梁工程等的应用也是越来越广泛（图3）。

图3 桥梁工程振动台试验

振动台教具设计思路与实现

根据地震模拟振动台的技术特点和互动式科普展教具缺乏的现状，项目组提出一套具有内容科学、展示技术先进、教学手段多样软硬件一体化交互式平台解决方案，设计了一个可模拟地震作用下的结构反应的“小小振动台”，希望将“小小振动台”带进课堂，让学生可以动手操作，参与演示性的科学实验，加深学生对科学原理的理解，提升防震减灾科学素养。

1.小小振动台演示系统简介

本振动台演示系统集成在一个长方形的铝合金箱内，箱子外观尺寸长宽高分别为120cm、80cm和50cm，重量约23kg。箱体外的右侧安装有提手，左侧安装有轮子，便于振动台箱体的移动和搬运（图4）。此外，箱体也可作为演示的台架使用，做到一物两用。

整个系统由硬件部分、软件部分组成，硬件部分可实现地震波模拟输入和不同建筑模型在地震动作用下振动试验；软件部分可实现试验信息录入、实验模型运动轨迹摄录、水平向竖向位移时程提取和试验结果展示。

2.硬件部分与功能实现

硬件部分主要由振动输入部分、振动台面部分、建筑模型部分和数据采集等四分部分组成。

振动输入模块也就是振动激发部分，在这个模块可激发一个模拟地震，激振震源选用可以精确控制力大小的弹簧，可以通过更换不同刚度弹簧或改变弹簧拉伸长度，来改变地震动弹簧作用力的大小，从而模拟不同大小的地震动（图5）。

振动台面是下可连接激振源，上固定有建筑物模型，通过台面下部弹簧拉伸，带动台面的单向运动，从而带动结构模型发生自由振动，实现模拟建筑物在地震动作用下振动状态。

建筑模型部分是由若干不同弹性的钢片和若干不同大小钢板组成，选择不同组合可自由组配成不同结构类型、不同高度的建筑模型。

数据采集部分，主要是由摄像头和自由摇臂组成，调节魔术手臂将摄像头置于模拟振动台的上前方，使设定好的标记图形正对摄像头，打开软件部分然后就可以进行数据采集（图6）。

图4 小小振动台演示系统实物图

图5 激振震源结构图

图6 数据采集摄像头摇臂结构图

3.软件部分与功能实现

软件部分主要由基本信息输入模块、时程数据采集和处理模块、试验结果展示输出模块三部分组成。

基本信息输入模块主要功能是采集体验者基本信息，如学校、班级、姓名等，依据采集所得基本信息，系统会自动新建一个体验者专属文件夹，文件夹以体验者录入的“学校+班级+姓名”命名，专属文件夹的作用主要是存储体验者本人的试验成果数据和图件。

时程数据采集和处理模块是整个软件的核心，其采用摄影测量和图形识别算法实现动态位移时程的非接触式测量，当试验开始时，左侧视频显示控件将实时显示简单结构振动过程，并将建筑物不同高度（比如楼层）水平和竖向位移进行实时记录，根据摄像头像大小，本系统可设置4个楼层标示点，试验者可根据振动记录对比分析不同楼层的水平和竖向位移时程变化特征（图7）。

试验结果展示输出模块,主要功能可展示输出在试验过程中记录的位移时程图件和振动台简单模型照片，这些试验结果资料会自动存储在专属文件夹中，便于体验者拷贝和打印。

图7 采集动态位移时程数据

小小振动台的研发特色

1.与中学课程内容可以有机结合，提高学生的科学兴趣

振动台本身就是一种物理教具，通过振动台数据采集，提取相关数据分析，计算振动台平台移动的加速度、结构水平位移等，其中涉及大量的初高中物理相关知识，如胡克定律、弹力、弹性势能、弹力做功等。另外，与高中通用技术课程融合，有助于中学课程《通用技术》的教学，振动台包含的科学知识涉及《结构设计》《结构强度》《结构稳定性》等相关内容，可有助于加深相关教学内容的理解。

2.激振震源创新，提升教具的科技水平

“小小振动台”摒弃了传统教具多使用人工触发的方式，采用可以精确控制作用力大小的弹簧进行控制，以弹簧运动带动振动台台面的单向运动，带动台面上的简单结构模型发生自由振动，具有较强的科技感。

3.可控自振频率，模拟不同频率的振动

通过采用调整弹片刚度和质量，控制系统自振频率，可以实现模拟不同频率的振动，有别于简单结构的固定自振频率。

4.实验对象的多样性，激发学生科学兴趣

本系统的实验对象具有可扩展性，可以模拟多种建筑，如一般建筑物、有过抗震加固的建筑物、采取减隔震技术的建筑物、不同结构类型的建筑物等，还可以加工成不同外形的著名建筑物，以吸引学生兴趣，激发学生科学兴趣。

结束语

“小小振动台演示系统”的研发将地震科学知识与中学教学内容有机结合，丰富了中小学生科学实践器材，拓展了防震减灾科普实践进校园方式，宣传了防震减灾科研成果，为提升青少年学生和社会公众的防震减灾科学素质进行了一次有益的探索和尝试。