地震是人类生存的地球上最严重的自然灾害之一，造成的人员伤亡和经济损失是巨大的。人类虽然无法阻止并难以预防地震的到来，但是可以尽量减少地震带来的损害。 我国是一个多地震的国家，处在全球两个特大地震带，即环太平洋地震带和喜马拉雅—地中海地震带上，全国有41%国土，一半以上城市位于地震基本裂度 7度以上地区。地震工程研究是地震工作中的重要组成部分，也是一门应用科学，振动台试验在这门学科里占有及其重要的地位。 在有准确记载的20世纪里，平均每年发生18次7.0-7.9级的大地震，每年发生1次超过8.0级的特大地震。进入21世纪之后，大地震似乎更加频繁了。
从手摇振动台到电液伺服振动台 在1890年前后，一个英国人和日本学者合作研制了一种手摇的振动机，这个振动机看上去就像一架纺车，不过偏心轮连接到了一个轨道小车上，小的建筑模型放在轨道小车上进行试验。这种手摇的振动机也就是最简单的振动台，虽然也能产生简单的运动，但所产生的振动毕竟跟真实的地震差别太大，因此人们开始不断研制更加先进的设备用于模拟地震，而这种模拟地震的装置就称为地震模拟振动台。
利用试验机来模拟地震，仅仅能够产生运动显然是不够的，人们研究的目标是一种能够与实际地震的动力效应基本相同的振动台。通常的振动台需要一个刚性台面来放置建筑模型，然后设法使台面运动起来以模拟地震的影响。 在液压伺服和计算机控制技术得到充分利用之前，人们采用了各种手段来使台面运动起来，比如前面提到的偏心轮，还有利用摆锤和弹簧产生机械运动的方法，我国的研究人员也曾利用汽车发动机来为振动台台面提供动力，这种振动台一般只能产生周期性衰减振动或者周期性往复运动（也称为简谐振动），而无法产生和真实地震接近的复杂振动。 最早的地震模拟振动台都是单方向振动的振动台，随后出现了水平双向振动台和三向六自由度振动台（这种振动台既可以水平向运动，也可以产生竖向振动，并且可以产生不同方向的转动）。振动台的控制器也从二极管、三极管组成的模拟电路发展成为嵌入式集成芯片和计算机控制相结合的数字控制系统。
地震模拟振动台主要用于建筑结构抗震试验研究。利用该系统进行地震模拟振动台试验，可再现各种形式的地震波，模拟地震过程，从而研究试验结构的动力特性以及抗震性能。 结构抗震性能试验是结构工程研究的重要组成部分，地震模拟振动台是集激振系统、测试系统和分析系统于一体的现代振动试验系统。地震模拟振动台试验台面上可以真实地再现各种形式的地震波，结构在地震作用下的破坏机理也可以直观的被了解，是目前研究结构抗震性能最直接也是较准确的试验方法。地震模拟振动台试验是把结构在振动作用下的反应和地震破坏机理从地震现场搬到实验室来进行，以缩短获取数据的周期。除了对现有建筑可进行抗震性能鉴定外，对正在设计的建筑可以通过试验校核其抗震性能是否满足要求，还可以进行抗震措施、减震或者避震措施的研究。 结构抗震试验研究是结构抗震研究的重要手段。在各种结构模型（或足尺结构）的抗振试验和重要设备的抗震性能考核中，振动台可以按照人们的需要，或者模拟地震的再现，或者进行某种特定的振动，而被试验的结构和设备的反应，经相似换算后，可以作为原型在真实地震下的反应。 地震模拟振动台系统是地震工程研究工作的重要实验设备之一。由于能够真实地模拟各种试验环境,随着振动试验的开展，因此在抗震、航天、交通、能源和科学研究等各个领域得到了越来越广泛的应用。
大家知道地震中所发生的伤亡很多是由于房屋倒塌所引起的，那么有没有办法避免房子等建筑物的倒塌呢？虽然建造一种在多大的地震中都不会倒的房子在技术上是可行的，但是从经济角度看却不合算。所以研究房屋、桥梁、隧道、大坝、管道、渡槽、输电线路的抗震性能，如何经济有效地降低地震所造成的损失就显得非常重要了。科学家们也提出了各种各样的减轻地震灾害的设想，比如给建筑物加上隔震垫、阻尼器等，让建筑物变得更加结实耐震。 那么怎样知道这些减震方法是否有效，怎么才能知道建筑物能够承受多大幅度的地震呢？这些问题目前有两种主要的解决手段：一种是计算的方法，另一种是试验的方法。目前实验室内常用的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。 地震最特殊的也是最透的地方就在于目前无法像天气预报那样预测地震，所以必须人工模拟地震作用，那我给大家介绍一下我们平时是怎么在实验室里再现地震对结构的影响的。 既然要做抗震试验，那么一个很关键的问题：怎么让结构在实验室里动起来？早期对地震的认识里，大家对于地震的直接印象就是大地在运动，一旦开始运动就会有加速度，根据牛顿第二定律F=M*a，大部分结构相比静止状态只受重力(注：严格讲还有很多其他荷载)，就多出了一个水平向的力,我们称其为惯性力。 根据大地运动、水平力（惯性力）这两个特点，有了人工模拟地震作用的思路：我做个结构的模型试件，把模型放在一个运动的平台上不就可以了吗？是的，按照这样试验实现出来就是今天的地震模拟振动台试验。 早在20世纪40年代，美国就通过强震仪（一种记录地震振动的仪器）记录到了地震的运动波形，后来世界上安装了很多的强震仪，获得了更多地震的记录。所以，如果想知道一栋建筑物能承受多大的地震，一种方法就是在计算机中建立这个建筑的数学模型，然后输入各种幅度的震动，通过计算得到这个建筑物的变形和受力情况，以此判断建筑物是否会破坏或倒塌。这种计算方法需要知道建筑材料和几何尺寸的准确参数，也要保证计算方法可靠有效。 对于一些新型和复杂结构，由于建筑物本身的参数可能还不清楚，或者受力特征太过复杂，这个时候用计算方法算出来的结果可能就不可信了，甚至根本无法计算。这时可以考虑通过试验的手段来模拟地震的影响。通过试验来研究建筑物的抗震能力也有很多种方法，比如通过静力试验来测试构件的承载力，还有伪静力试验、拟动力试验、子结构混合试验等手段。不过试验效果最直观、试验加载最方便的试验手段还是振动台的试验方法。 地震的强度实际上是用加速度来表示的，地震强度波形即是加速度曲线。输入信号是随时间任意变化的，且变化速度快，而受控对象及执行机构因惯性等各种因素影响使其跟踪特性难尽人意。通常要用振动台来模拟所要求的地震波形，用来测试感震的性能指标。加速度是刚体所受合力的直接反映，振动台的输出加速度与其驱动力间的关系往往受到复杂的内部及外部条件的影响。而加速度的变化、负载的改变等都对振动台的输出有相当大的影响，而其间关系复杂，具有较强的非线性。 振动台的思路其实非常朴实，就是把建筑物或建筑模型放在能够产生与真实地震非常类似的振动试验机上，看看它们会不会产生破坏。这种试验思路容易想到，而且加载时候输入的激励更接近真实地震，比较不足的一点就是结构往往是放置在刚性的平台上，所以地基基础这块并不真实，总的来说已经是目前最接近真实地震的加载方式了。 振动台试验是这个样子，下面是一个破坏比较明显的试验的视频
将试验对象放在一个足够刚性的台面上，通过动力加载设备使台面再现各种类型地震波,并使试验对象随之产生类似地震作用下的振动，这就是地震模拟振动台试验的基本原理。 以目前普遍使用的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、伺服控制器、台面、计算机控制系统组成。其中伺服控制器是以电液伺服阀为核心的控制器，其性能的好坏对整个系统起着决定性作用，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,液压泵的流量是根据地震波的最大速度值来设计的，为了节省能源，目前都是设置大容量的蓄能器组来提供作动器瞬时的巨大能量。另外为了保证油液的温度，系统设有冷却器。地震模拟振动台台面是试验的平台，台面的基本要求是要有足够的刚度，承载能力要求足够大。目前地震模拟振动台的台面采用的材质可分为三大类，钢筋混凝土结构台面、钢焊结构台面、铝合金或镁铝合金铸造结构台面。
这张图就是实验室里一个振动台，大小是4mx6m。这样一个大家伙是用钢板焊成的，所以体重很重，一个质量有50t左右，上面放的模型质量可以达到70t。所以这样一堆东西没有足够力气是没法让他动起来的，这个大家伙动力源就是图片左侧居中位置，有很多管道连接的黑色圆柱体-作动器。依靠油泵泵送高压油驱动作动器的活塞杆来回动作，就可以推动这样的大块头了。现在，通过控制以及电子技术的进步，在振动台性能允许范围内，可以很准确的做到让振动台按照预想的各种位移、加速度的时程运动，再现地震时地面运动情况。
目前的地震模拟振动台主要有两种驱动方式，根据驱动方式的不同，振动台可以分为两类：作动器驱动和电磁驱动，作动器驱动包括电动缸和液压伺服缸两种形式。 电磁驱动的原理类似于电机和喇叭，通过电磁线圈产生电磁力来推动振动台台面运动。可想而知，电磁驱动振动台的推力一般较小，运动幅度一般也比较小，因此用于抗震研究的振动台基本上都是液压伺服式振动台。 液压伺服缸又叫做电液伺服作动器，是利用液压源来产生动力，通过液压伺服阀来控制液压缸的运动方向和速度，由于液压伺服阀运动非常灵敏，在接收控制器的控制信号后可以产生快速的动作，因此液压伺服驱动的振动台可以产生各种复杂的运动，也能够很好地再现真实地震的振动。电液伺服方式具有低频时推力大，位移大，频率低。 电磁式振动台 70年代开始出现电磁驱动方式的振动台,由振动台台面、电磁线圈、功率放大器、电控系统组成。我国清华大学和大连工学院也自行开发研制过小型电磁振动台。与机械驱动振动台相比,电磁振动台的突出优点是可以进行随意控制,波形失真小,可达到最高频率有3000Hz之高,但是要进行大位移试验难度较大,最大位移只能是±25mm,大出力需要设备庞大,最大出力±200kN,因而只能用作小型地震模拟振动台。 电液伺服地震模拟振动台 电液伺服控制基本原理是以液压组件为执行机构，根据负反馈原理,使系统的输出能快速、准确地跟踪给定的命令信号，运用此技术的地震模拟振动台具有出力大、行程大、响应快等优点。例如日本科学技术厅(STA)和国立防灾科学技术研究所(NIED) 建造的地震模拟振动台最大位移可达±1000mm,最大出力超过6000kN。另外运用电液伺服控制后的振动台不仅可以模拟正弦波,也可以模拟其他规则波和地震波,可称作是真正意义上的地震模拟振动台。目前绝大部分地震模拟振动台都是采用电液伺服控制技术。
未完待续...... 作者介绍： 王刚：主要从事系统集成，运动控制应用二次开发，非标设备应用开发。熟悉EtherCat和Powerlink通讯及相关伺服系统控制应用。目前主要从事于伺服电动缸应用产品开发，主要产品有六自由度并联机器人、地震模拟振动台、振动台、道路模拟试验设备、疲劳或加载试验设备等.
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来自： 阿明哥哥资料区 > 《97.科学.科普.科技书》
