地震是一種我們既熟悉又陌生的自然災(zāi)害，由于目前的科學(xué)技術(shù)手段還無(wú)法準(zhǔn)確預(yù)報(bào)地震發(fā)生的時(shí)間、地點(diǎn)和幅度，所以研究如何抵御地震就顯得非常重要了。

地震中所發(fā)生的傷亡很多是由于房屋倒塌所引起的，那么有沒(méi)有辦法避免房子等建筑物的倒塌呢？雖然建造一種在多大的地震中都不會(huì)倒的房子在技術(shù)上是可行的，但是從經(jīng)濟(jì)角度看卻不合算。所以研究房屋、橋梁、隧道、大壩、管道、渡槽、輸電線路的抗震性能，如何經(jīng)濟(jì)有效地降低地震所造成的損失就顯得非常重要了?？茖W(xué)家們也提出了各種各樣的減輕地震災(zāi)害的設(shè)想，比如給建筑物加上隔震墊、阻尼器等，讓建筑物變得更加結(jié)實(shí)耐震。

那么，怎樣知道這些減震方法是否有效，怎么才能知道建筑物能夠承受多大幅度的地震呢？這些問(wèn)題目前有兩種主要的解決手段：一種是計(jì)算的方法，另一種是試驗(yàn)的方法。

早在20世紀(jì)40年代，美國(guó)就通過(guò)強(qiáng)震儀（一種記錄地震振動(dòng)的儀器）記錄到了地震的運(yùn)動(dòng)波形，后來(lái)世界上安裝了很多的強(qiáng)震儀，獲得了更多地震的記錄。所以，如果想知道一棟建筑物能承受多大的地震，一種方法就是在計(jì)算機(jī)中建立這個(gè)建筑的數(shù)學(xué)模型，然后輸入各種幅度的震動(dòng)，通過(guò)計(jì)算得到這個(gè)建筑物的變形和受力情況，以此判斷建筑物是否會(huì)破壞或倒塌。這種計(jì)算方法需要知道建筑材料和幾何尺寸的準(zhǔn)確參數(shù)，也要保證計(jì)算方法可靠有效。

對(duì)于一些新型和復(fù)雜結(jié)構(gòu)，由于建筑物本身的參數(shù)可能還不清楚，或者受力特征太過(guò)復(fù)雜，這個(gè)時(shí)候用計(jì)算方法算出來(lái)的結(jié)果可能就不可信了，甚至根本無(wú)法計(jì)算。這時(shí)可以考慮通過(guò)試驗(yàn)的手段來(lái)模擬地震的影響。通過(guò)試驗(yàn)來(lái)研究建筑物的抗震能力也有很多種方法，比如通過(guò)靜力試驗(yàn)來(lái)測(cè)試構(gòu)件的承載力，還有偽靜力試驗(yàn)、擬動(dòng)力試驗(yàn)、子結(jié)構(gòu)混合試驗(yàn)等手段。不過(guò)試驗(yàn)效果最直觀、試驗(yàn)加載最方便的試驗(yàn)手段還是振動(dòng)臺(tái)的試驗(yàn)方法。

振動(dòng)臺(tái)的思路其實(shí)非常樸實(shí)，就是把建筑物或建筑模型放在能夠產(chǎn)生與真實(shí)地震非常類似的振動(dòng)試驗(yàn)機(jī)上，看看它們會(huì)不會(huì)產(chǎn)生破壞。

文獻(xiàn)記錄中最早的手搖式振動(dòng)臺(tái)

在1890年前后，一個(gè)英國(guó)人和日本學(xué)者合作研制了一種手搖的振動(dòng)機(jī)，這個(gè)振動(dòng)機(jī)看上去就像一架紡車，不過(guò)偏心輪連接到了一個(gè)軌道小車上，小的建筑模型放在軌道小車上進(jìn)行試驗(yàn)。這種手搖的振動(dòng)機(jī)也就是最簡(jiǎn)單的振動(dòng)臺(tái)，雖然也能產(chǎn)生簡(jiǎn)單的運(yùn)動(dòng)，但所產(chǎn)生的振動(dòng)畢竟跟真實(shí)的地震差別太大，因此人們開(kāi)始不斷研制更加先進(jìn)的設(shè)備用于模擬地震，而這種模擬地震的裝置就稱為地震模擬振動(dòng)臺(tái)。

利用試驗(yàn)機(jī)來(lái)模擬地震，僅僅能夠產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)顯然是不夠的，人們研究的目標(biāo)是一種能夠與實(shí)際地震的動(dòng)力效應(yīng)基本相同的振動(dòng)臺(tái)。通常的振動(dòng)臺(tái)需要一個(gè)剛性臺(tái)面來(lái)放置建筑模型，然后設(shè)法使臺(tái)面運(yùn)動(dòng)起來(lái)以模擬地震的影響。

在液壓伺服和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)得到充分利用之前，人們采用了各種手段來(lái)使臺(tái)面運(yùn)動(dòng)起來(lái)，比如前面提到的偏心輪，還有利用擺錘和彈簧產(chǎn)生機(jī)械運(yùn)動(dòng)的方法，我國(guó)的研究人員也曾利用汽車發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)為振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面提供動(dòng)力，這種振動(dòng)臺(tái)一般只能產(chǎn)生周期性衰減振動(dòng)或者周期性往復(fù)運(yùn)動(dòng)（也稱為簡(jiǎn)諧振動(dòng)），而無(wú)法產(chǎn)生和真實(shí)地震接近的復(fù)雜振動(dòng)。

目前的地震模擬振動(dòng)臺(tái)主要有兩種驅(qū)動(dòng)方式：液壓伺服驅(qū)動(dòng)和電磁驅(qū)動(dòng)，液壓伺服驅(qū)動(dòng)是利用液壓缸來(lái)推動(dòng)振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，電磁驅(qū)動(dòng)的原理類似于電機(jī)和喇叭，通過(guò)電磁線圈產(chǎn)生電磁力來(lái)推動(dòng)振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面運(yùn)動(dòng)?？上攵?，電磁驅(qū)動(dòng)振動(dòng)臺(tái)的推力一般較小，運(yùn)動(dòng)幅度一般也比較小，因此用于抗震研究的振動(dòng)臺(tái)基本上都是液壓伺服式振動(dòng)臺(tái)。

液壓缸又叫做電液伺服作動(dòng)器，是利用液壓源來(lái)產(chǎn)生動(dòng)力，通過(guò)液壓伺服閥來(lái)控制液壓缸的運(yùn)動(dòng)方向和速度，由于液壓伺服閥運(yùn)動(dòng)非常靈敏，在接收控制器的控制信號(hào)后可以產(chǎn)生快速的動(dòng)作，因此液壓伺服驅(qū)動(dòng)的振動(dòng)臺(tái)可以產(chǎn)生各種復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)，也能夠很好地再現(xiàn)真實(shí)地震的振動(dòng)。

最早的地震模擬振動(dòng)臺(tái)都是單方向振動(dòng)的振動(dòng)臺(tái)，隨后出現(xiàn)了水平雙向振動(dòng)臺(tái)和三向六自由度振動(dòng)臺(tái)（這種振動(dòng)臺(tái)既可以水平向運(yùn)動(dòng)，也可以產(chǎn)生豎向振動(dòng)，并且可以產(chǎn)生不同方向的轉(zhuǎn)動(dòng)）。振動(dòng)臺(tái)的控制器也從二極管、三極管組成的模擬電路發(fā)展成為嵌入式集成芯片和計(jì)算機(jī)控制相結(jié)合的數(shù)字控制系統(tǒng)。

北京工業(yè)大學(xué)工程結(jié)構(gòu)試驗(yàn)中心地震模擬振動(dòng)臺(tái)九子臺(tái)陣系統(tǒng)

地震產(chǎn)生的振動(dòng)像水波一樣，是從震源向四周擴(kuò)散的。比如像蘇通大橋這種主跨達(dá)到1千米以上的橋梁，兩個(gè)橋墩的地震振動(dòng)可能就不一樣。地震波隨著空間分布所產(chǎn)生的差異對(duì)結(jié)構(gòu)物是有影響的，那怎么通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證這種影響呢？這時(shí)就出現(xiàn)了振動(dòng)臺(tái)臺(tái)陣系統(tǒng)。

所謂振動(dòng)臺(tái)臺(tái)陣，就是多個(gè)振動(dòng)臺(tái)同時(shí)工作，每個(gè)振動(dòng)臺(tái)可以產(chǎn)生特定的地震波形，這樣就可以模擬地震在大地中的傳播效應(yīng)了。目前世界上建造了很多的振動(dòng)臺(tái)臺(tái)陣，國(guó)內(nèi)也有很多單位已經(jīng)建設(shè)和正在建造振動(dòng)臺(tái)臺(tái)陣系統(tǒng)。不過(guò)國(guó)內(nèi)這些地震模擬振動(dòng)臺(tái)臺(tái)陣系統(tǒng)清一色都是進(jìn)口的，而北京工業(yè)大學(xué)工程結(jié)構(gòu)試驗(yàn)中心建成的地震模擬振動(dòng)臺(tái)九子臺(tái)陣系統(tǒng)是完全國(guó)產(chǎn)的，該系統(tǒng)是目前世界上單臺(tái)數(shù)量最多的振動(dòng)臺(tái)臺(tái)陣系統(tǒng)，而且前期建設(shè)投資僅花費(fèi)1000多萬(wàn)元。

對(duì)于多個(gè)振動(dòng)臺(tái)組成的振動(dòng)臺(tái)臺(tái)陣來(lái)講，怎樣比較地震波形與臺(tái)面實(shí)際波形的差異？怎樣避免振動(dòng)臺(tái)產(chǎn)生自激振動(dòng)（也就是亂動(dòng)）？怎樣協(xié)調(diào)各個(gè)振動(dòng)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)？怎樣提高振動(dòng)臺(tái)臺(tái)陣的波形控制精度？怎樣設(shè)計(jì)更好用的振動(dòng)臺(tái)臺(tái)陣系統(tǒng)？要想建造中國(guó)自己的地震模擬振動(dòng)臺(tái)臺(tái)陣系統(tǒng)，這些都是值得進(jìn)一步研究的問(wèn)題。

據(jù)資料顯示，這次我國(guó)由天津大學(xué)牽頭建設(shè)的大型地震工程模擬研究設(shè)施將由：地震工程模擬試驗(yàn)系統(tǒng)、高性能計(jì)算與仿真系統(tǒng)、試驗(yàn)配套與共享系統(tǒng)三大系統(tǒng)組成。主要建設(shè)內(nèi)容包括：

• 大型地震模擬振動(dòng)臺(tái)，三向六自由度，臺(tái)面尺寸20×16米，載重1350噸；
• 水下雙子臺(tái)可移動(dòng)振動(dòng)臺(tái)臺(tái)陣，三向六自由度，臺(tái)面尺寸6×6米，移動(dòng)范圍45米；
• 試驗(yàn)水池，最大水深3米，可模擬波浪、海流（河流）等復(fù)雜水動(dòng)力環(huán)境；
• 混合模擬設(shè)備與測(cè)試、計(jì)算、仿真設(shè)備?？偨ㄖ娣e7.7萬(wàn)平方米，建設(shè)周期5年，總投資預(yù)計(jì)超過(guò)15億元人民幣。

這套地震模擬裝置建成以后，將成為目前世界規(guī)模最大、功能最強(qiáng)的重大工程抗震模擬研究設(shè)施，必將有利于全面提升抵御自然災(zāi)害的綜合防范能力。

由于日本是一個(gè)多地震的國(guó)家，因此日本建造的地震模擬振動(dòng)臺(tái)最多，日本除了擁有幾十個(gè)中小型地震模擬振動(dòng)臺(tái)以外，還建造了目前世界上最大的振動(dòng)臺(tái)E-Defense，名字的意思就是地震防御的意思。

E-Defense振動(dòng)臺(tái)的臺(tái)面尺寸15米×20米，可以承載1200噸，因此按照建筑物的實(shí)際尺寸建造試驗(yàn)?zāi)Ｐ停ó?dāng)然試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷钠矫娉叽缫膊荒艹^(guò)振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面的大?。@樣可以更真實(shí)地再現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)的抗震能力和破壞特征，有助于科學(xué)家們研發(fā)更有效的減震技術(shù)。

不過(guò)這個(gè)振動(dòng)臺(tái)的建設(shè)和運(yùn)行費(fèi)用也非常高昂，它的建造花費(fèi)了3億美元，每小時(shí)運(yùn)行費(fèi)用就需要5萬(wàn)元人民幣。所以大型的地震模擬振動(dòng)臺(tái)雖然很有用處，卻也是非常昂貴的試驗(yàn)設(shè)備。