黃福云，方子明，吳慶雄，陳遠(yuǎn)東

(1.福州大學(xué)土木工程學(xué)院，福建 福州 350116；2.浙江交通勘察設(shè)計(jì)有限公司，浙江 杭州 310005)

地震模擬振動(dòng)臺(tái)三臺(tái)陣反力基礎(chǔ)動(dòng)力特性試驗(yàn)

黃福云1，方子明2，吳慶雄1，陳遠(yuǎn)東1

(1.福州大學(xué)土木工程學(xué)院，福建 福州 350116；2.浙江交通勘察設(shè)計(jì)有限公司，浙江 杭州 310005)

簡(jiǎn)要概括地震模擬振動(dòng)臺(tái)反力基礎(chǔ)的研究現(xiàn)狀，通過(guò)輸入掃頻波和間斷正弦波對(duì)福州大學(xué)地震模擬振動(dòng)臺(tái)三臺(tái)陣系統(tǒng)反力基礎(chǔ)進(jìn)行動(dòng)力特性試驗(yàn)研究，分析該臺(tái)陣反力基礎(chǔ)的振動(dòng)反應(yīng)及其對(duì)試驗(yàn)大廳和周圍環(huán)境的影響.試驗(yàn)結(jié)果表明，反力基礎(chǔ)的振動(dòng)反應(yīng)具有多峰值現(xiàn)象，該臺(tái)陣系統(tǒng)引起的基礎(chǔ)振動(dòng)反應(yīng)幅值較小，同時(shí)，具有隔振溝的群樁基礎(chǔ)振動(dòng)臺(tái)可以有效減小振動(dòng)對(duì)周圍建筑的影響.該臺(tái)陣基礎(chǔ)可為地震模擬振動(dòng)臺(tái)陣反力基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)施工提供參考與借鑒.

地震模擬振動(dòng)臺(tái)臺(tái)陣；反力基礎(chǔ)；動(dòng)力特性；隔振

0 引言

地震模擬振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)可以真實(shí)地反映原型結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)，是結(jié)構(gòu)抗震研究領(lǐng)域的重要手段[1].地震模擬振動(dòng)臺(tái)主要由激振系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、臺(tái)面支承與導(dǎo)向系統(tǒng)等組成，具有推力大、工作頻率范圍寬等特點(diǎn)，在工作時(shí)相當(dāng)于一個(gè)大的震源，需通過(guò)質(zhì)量較大的反力基礎(chǔ)來(lái)減小振動(dòng)[2].一般情況下，反力基礎(chǔ)并非質(zhì)量無(wú)限大的剛體，其在為振動(dòng)臺(tái)(臺(tái)面)提供反力支承時(shí)，自身也會(huì)產(chǎn)生較大的振動(dòng)，并不可避免地會(huì)發(fā)生共振[3].因而，大型地震模擬振動(dòng)臺(tái)基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)計(jì)算十分重要，在建造振動(dòng)臺(tái)時(shí)，必須對(duì)基礎(chǔ)的振動(dòng)做出準(zhǔn)確的分析預(yù)測(cè)，控制危害的大小，保障建筑物的安全.如果振動(dòng)臺(tái)基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)與分析不合理，振動(dòng)臺(tái)在試驗(yàn)時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)會(huì)對(duì)臺(tái)面上部結(jié)構(gòu)模型、試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)工作人員、試驗(yàn)室的結(jié)構(gòu)安全及周邊環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重影響.

目前，對(duì)地震模擬振動(dòng)臺(tái)反力基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)計(jì)算已開展了一定研究[4-6].文[7]對(duì)地震模擬振動(dòng)臺(tái)基礎(chǔ)

進(jìn)行了系統(tǒng)介紹.文[8]認(rèn)為地震臺(tái)工作時(shí)相當(dāng)于一個(gè)推力大、工作頻率范圍寬的大振源，會(huì)不可避免地發(fā)生共振現(xiàn)象，一旦發(fā)生共振，其后果不堪設(shè)想，因此要求基礎(chǔ)頻率盡量高，并盡量避免與實(shí)驗(yàn)大廳結(jié)構(gòu)等的最低頻率產(chǎn)生共振.文[9]提出基礎(chǔ)側(cè)壁與底部的自振頻率應(yīng)大于最大工作頻率，并建議基礎(chǔ)的振動(dòng)要小于0.1g；同時(shí)，考慮到振動(dòng)對(duì)周圍環(huán)境的影響以及要使周圍的試驗(yàn)人員能長(zhǎng)期工作，限定距振動(dòng)臺(tái)基礎(chǔ)周邊10 m處的振動(dòng)小于0.01g.文[10]提出振動(dòng)臺(tái)低頻段激振力主要由土壤抵抗，20 Hz以上較高頻率的激振力則由基礎(chǔ)質(zhì)量起主要作用，且定性介紹了基礎(chǔ)越大、越重，振動(dòng)臺(tái)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)越小，并選取最大臺(tái)面質(zhì)量的20～50倍作為基礎(chǔ)的質(zhì)量.文[11-12]認(rèn)為基礎(chǔ)質(zhì)量一般要達(dá)到臺(tái)面和試驗(yàn)?zāi)Ｐ涂傎|(zhì)量的30倍以上，按保守設(shè)計(jì)50倍是比較安全的，而對(duì)于一些特定的土質(zhì)條件，通過(guò)合理的設(shè)計(jì)可以將基礎(chǔ)質(zhì)量減小，并通過(guò)設(shè)計(jì)計(jì)算來(lái)確定.文[13]提出基礎(chǔ)在承受動(dòng)力時(shí)，應(yīng)考慮基礎(chǔ)與土的相互作用，設(shè)計(jì)合理的基礎(chǔ)幾何形狀，以較小基礎(chǔ)的質(zhì)量比有效增加基礎(chǔ)振動(dòng)幅值阻尼，而不用無(wú)謂增加基礎(chǔ)質(zhì)量.

以上研究主要以單個(gè)固定臺(tái)為對(duì)象，應(yīng)用規(guī)范GB 50269-97[14]方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)設(shè)計(jì)計(jì)算方法研究還不多，其研究范圍也僅限于反力基礎(chǔ)自身的動(dòng)力特性[15]，研究結(jié)果大多是經(jīng)驗(yàn)性的結(jié)論，且缺乏試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證.此外，目前為止還沒(méi)有制定這種尺寸大、推力大、工作頻率范圍寬等特點(diǎn)的大型地震模擬振動(dòng)臺(tái)反力基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)規(guī)范.

反力基礎(chǔ)是一個(gè)不可忽視的振源，在振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)過(guò)程中，反力基礎(chǔ)與臺(tái)面的相互作用必然會(huì)影響到臺(tái)面上的試驗(yàn)?zāi)Ｐ?；反之，振?dòng)臺(tái)工作時(shí)也可能影響甚至使反力基礎(chǔ)損壞，使振動(dòng)臺(tái)不能正常工作.目前還未見(jiàn)有文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)反力基礎(chǔ)的振動(dòng)與臺(tái)面及模型的振動(dòng)相互作用的影響研究，目前通常忽略它們之間的相互影響[16].

對(duì)于地震模擬振動(dòng)臺(tái)多臺(tái)陣來(lái)說(shuō)，反力基礎(chǔ)的重心會(huì)隨著振動(dòng)臺(tái)移動(dòng)而變化.為盡量減少臺(tái)面移動(dòng)給振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)產(chǎn)生的影響，要求反力基礎(chǔ)具有較大的質(zhì)量、強(qiáng)度、剛度，還要求預(yù)埋導(dǎo)軌具有很高精度等，其設(shè)計(jì)與施工比單臺(tái)復(fù)雜得多.同時(shí)，各臺(tái)面位置不同，作用力與基礎(chǔ)重心發(fā)生變化，振動(dòng)特性和振動(dòng)反應(yīng)以及力學(xué)模型也不同，其動(dòng)力分析也比單臺(tái)的更復(fù)雜.對(duì)多臺(tái)陣反力基礎(chǔ)動(dòng)力特性的研究還未有文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)，單個(gè)固定臺(tái)的研究結(jié)果是否適用于多臺(tái)陣，還有待進(jìn)一步的研究.目前已有單位在地震模擬振動(dòng)臺(tái)多臺(tái)陣基礎(chǔ)施工時(shí)因加工和安裝預(yù)埋導(dǎo)軌的精度未達(dá)設(shè)計(jì)要求導(dǎo)致設(shè)備安裝困難，影響設(shè)備的使用性能.

針對(duì)上述問(wèn)題，以福州大學(xué)地震模擬振動(dòng)臺(tái)三臺(tái)陣反力基礎(chǔ)為工程背景，進(jìn)行可移動(dòng)的地震模擬振動(dòng)臺(tái)多臺(tái)陣系統(tǒng)基礎(chǔ)動(dòng)力特性和振動(dòng)反應(yīng)試驗(yàn)研究，研究該三臺(tái)陣系統(tǒng)在中間大臺(tái)單獨(dú)激振、三臺(tái)同步激振下的動(dòng)力特性，分析基礎(chǔ)在掃頻波、地震波等激勵(lì)作用下的振動(dòng)反應(yīng)，探討反力基礎(chǔ)振動(dòng)對(duì)實(shí)驗(yàn)大廳結(jié)構(gòu)及周圍環(huán)境的影響.

1 試驗(yàn)簡(jiǎn)介

1.1 工程背景

圖1 福州大學(xué)地震模擬振動(dòng)臺(tái)三臺(tái)陣系統(tǒng)Fig.1 The mass-reacted foundation of triple shaking tables of earthquake simulator in Fuzhou University

福州大學(xué)結(jié)合自身特點(diǎn)以及國(guó)內(nèi)外抗震研究發(fā)展情況，建成了地震模擬振動(dòng)臺(tái)三臺(tái)陣系統(tǒng).該系統(tǒng)是國(guó)內(nèi)外首套可移動(dòng)的三臺(tái)陣系統(tǒng)，如圖1所示.該振動(dòng)臺(tái)系統(tǒng)包括3個(gè)振動(dòng)臺(tái)，其中，中間為固定的4.1 m×4.1 m水平雙向振動(dòng)臺(tái)，兩邊各有一個(gè)2.5 m×2.5 m可移動(dòng)的水平雙向小振動(dòng)臺(tái).3個(gè)臺(tái)在30 m×10.8 m的基坑內(nèi)呈“一”字形布置，3個(gè)臺(tái)面與實(shí)驗(yàn)室地坪相平，小臺(tái)與大臺(tái)最小距離為1.35 m，最大距離為9.5 m.大臺(tái)最大承載力約為22 t，小臺(tái)最大承載力約為11 t.臺(tái)面最大加速度可達(dá)1.5g，工作頻率范圍為0.1～50 Hz.

福州大學(xué)地震模擬振動(dòng)臺(tái)三臺(tái)陣反力基礎(chǔ)采用帶隔振溝的反力基礎(chǔ)與樁基相組合的形式，如圖2所示.該反力基礎(chǔ)長(zhǎng)、寬、深尺寸設(shè)計(jì)為30 m×9.8 m×5.3 m，基礎(chǔ)總質(zhì)量達(dá)到3 600 t，約為負(fù)載的60倍.為了減小振動(dòng)對(duì)周圍環(huán)境的影響，反力基礎(chǔ)周邊設(shè)有深100 cm、寬10 cm的隔振溝，溝內(nèi)用隔振橡膠填充.同時(shí)，為了使其重心盡量與力作用線重合，在基礎(chǔ)一側(cè)的中部凸出長(zhǎng)約7.5 m、寬約1.0 m的質(zhì)量塊.群樁共計(jì)84根，呈梅花型布置，樁深均為28 m.反力基礎(chǔ)設(shè)計(jì)與施工方法及特點(diǎn)詳見(jiàn)文[17]所示.

1.2 傳感器布置

試驗(yàn)通過(guò)在振動(dòng)臺(tái)基礎(chǔ)、實(shí)驗(yàn)大廳地坪以及大廳立柱上布置加速度傳感器，來(lái)測(cè)試和分析不同激振頻率下反力基礎(chǔ)的動(dòng)力響應(yīng)，各測(cè)點(diǎn)傳感器的布置如圖2所示.加速度傳感器分別沿基礎(chǔ)X向、Y向及Z方向布置，其中:X向(長(zhǎng)邊方向)為兩端各布置1個(gè)，Y向(短邊方向)為沿中軸線兩端各布置1個(gè)，Z向?yàn)榉謩e在基礎(chǔ)短邊與長(zhǎng)邊的側(cè)壁上沿豎向布置5個(gè)，共計(jì)布置9個(gè)加速度傳感器.同時(shí)，在距離振動(dòng)臺(tái)基礎(chǔ)邊緣6 m并與大、小臺(tái)平行的試驗(yàn)大廳地坪上分別沿X向和Y向布置了4個(gè)傳感器.此外，試驗(yàn)大廳的牛腿立柱上也分別布置了X向和Y向各1個(gè)傳感器，傳感器距離試驗(yàn)大廳地坪高12 m.總計(jì)布置15個(gè)傳感器.

圖2 振動(dòng)臺(tái)三臺(tái)陣反力基礎(chǔ)傳感器布置圖Fig.2 Layout of transducers on foundation of triple shaking table

1.3 試驗(yàn)工況

表1 臺(tái)陣試驗(yàn)工況Tab.1 Case of testing

試驗(yàn)工況主要以正弦波掃頻激勵(lì)，輸入方向主要是X向和Y向，并分別進(jìn)行了大臺(tái)單獨(dú)激勵(lì)和三臺(tái)同步激勵(lì)試驗(yàn).由反力基礎(chǔ)形狀可知，弱軸向?yàn)閅向.因此試驗(yàn)工況主要以Y向?yàn)橹?，試?yàn)工況詳見(jiàn)表1所示，總計(jì)21個(gè).

大臺(tái)單獨(dú)激勵(lì)下的工況1～工況11以及三臺(tái)同步激勵(lì)下的工況12～工況15采用正弦波線性掃頻的方式進(jìn)行激勵(lì)，線性頻率為每秒增加1 Hz，頻率范圍為2～40 Hz；其余工況采用間斷頻率進(jìn)行激勵(lì).所謂間斷頻率激勵(lì)是指激勵(lì)時(shí)的頻率保持不變，激勵(lì)結(jié)束后頻率增加2 Hz并繼續(xù)激勵(lì)，直至該間斷頻率工況結(jié)束.間斷頻率為每次增加2 Hz，即一個(gè)工況從2、4、6 Hz依此增加到最大激勵(lì)40 Hz，不過(guò)激勵(lì)加速度為1.2g(工況21)的最大激勵(lì)至35 Hz.由于受振動(dòng)臺(tái)陣機(jī)械設(shè)備性能限制，X向的剛度相對(duì)不足，試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)X向進(jìn)行掃頻激勵(lì)時(shí)未能滿足試驗(yàn)要求，從而使得X向的激勵(lì)加速度幅值較小.

2 試驗(yàn)結(jié)果

表2給出本次試驗(yàn)中主要控制點(diǎn)的峰值加速度振動(dòng)反應(yīng)結(jié)果.由表2可知，振動(dòng)臺(tái)運(yùn)動(dòng)引起的基礎(chǔ)振動(dòng)反應(yīng)加速度峰值并不大，最大僅為0.023 3g，遠(yuǎn)小于文[9]規(guī)定的控制值0.1g，該控制值偏大.對(duì)于基礎(chǔ)振動(dòng)對(duì)周圍環(huán)境的影響，如試驗(yàn)大廳地坪和立柱，其峰值加速度略大于文[8]規(guī)定的0.01g，但相差并不大，該值是合理的.限于篇幅，以下介紹的試驗(yàn)結(jié)果只選取具有代表性的控制點(diǎn)進(jìn)行較詳細(xì)地介紹，即分別選取了反力基礎(chǔ)X向的3號(hào)控制點(diǎn)和Y向的1號(hào)控制點(diǎn)的試驗(yàn)結(jié)果.

表2 各主要測(cè)點(diǎn)峰值加速度匯總Tab.2 Peak response acceleration on key locations

2.1 大臺(tái)單獨(dú)激勵(lì)

2.1.1 大臺(tái)單獨(dú)作X向激勵(lì)

大臺(tái)單獨(dú)作X向激勵(lì)的工況共計(jì)有4個(gè)，激勵(lì)的加速度由0.1g到0.6g，頻率均為從1至40 Hz進(jìn)行掃頻激勵(lì).限于篇幅，圖3僅給出X向的其中一個(gè)測(cè)點(diǎn)3在0.1g和0.4g的激勵(lì)下(表1的工況1和工況3)，基礎(chǔ)長(zhǎng)邊X向的振動(dòng)反應(yīng)曲線.

圖3 大臺(tái)X向激勵(lì)下基礎(chǔ)X向的振動(dòng)反應(yīng)時(shí)程曲線Fig.3 Time history curves of foundation by the excitation of large table in X-direction

圖4 大臺(tái)X向激勵(lì)與基礎(chǔ)振動(dòng)反應(yīng)峰值加速度關(guān)系圖Fig.4 The curve between excitation and peak response acceleration of large table in X-direction

由圖3(a)可知，大臺(tái)X向0.1g激勵(lì)下反力基礎(chǔ)的振動(dòng)反應(yīng)非常小，基本都在0.003g以下(圖中只給出了X向的，Y向的更小)；不過(guò)，當(dāng)為0.4g時(shí)(圖3(b))，反力基礎(chǔ)的振動(dòng)有了一定的增大，最大峰值加速度達(dá)到了0.010g，但仍遠(yuǎn)小于文[9]規(guī)定的0.1g.由圖3還可知，當(dāng)激勵(lì)加速度保持不變時(shí)，隨著激振頻率增加，時(shí)程曲線會(huì)呈現(xiàn)多峰值現(xiàn)象.這是因?yàn)閽哳l波作用下激起了結(jié)構(gòu)的各階固有頻率，即當(dāng)激勵(lì)頻率接近結(jié)構(gòu)的固有頻率時(shí)，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了共振，這也與文[8]的有限元分析結(jié)果相一致，不過(guò)共振現(xiàn)象不明顯.分析表明，各峰值對(duì)應(yīng)的頻率分別是7.5、10、14、19、34、42 Hz.

圖4給出了隨大臺(tái)X向加速度激勵(lì)逐漸增加，基礎(chǔ)的峰值加速度振動(dòng)反應(yīng)變化關(guān)系曲線.由圖4可知，隨著激勵(lì)增大，反力基礎(chǔ)的加速度振動(dòng)響應(yīng)也逐漸增大，當(dāng)激勵(lì)不大時(shí)，其增長(zhǎng)趨勢(shì)基本呈線性增加，如激勵(lì)從0.1g到0.2g時(shí)，振動(dòng)反應(yīng)增加了約2.0倍，到0.4g時(shí)，振動(dòng)反應(yīng)約增加到4.0倍；但當(dāng)激勵(lì)增加到0.6g時(shí)，振動(dòng)反應(yīng)僅增加到了約5.0倍，而非6.0倍.也即隨著激勵(lì)加速度增大，反應(yīng)曲線有趨于平緩的趨勢(shì).不過(guò)，由于工況偏少，該曲線的變化規(guī)律還不夠明確.

圖5(a)和(b)分別為大臺(tái)X向激勵(lì)下試驗(yàn)大廳地坪和立柱的加速度振動(dòng)反應(yīng)時(shí)程曲線.根據(jù)文[9]規(guī)定，距離振動(dòng)臺(tái)基礎(chǔ)邊緣10 m之外的周圍場(chǎng)地土的振動(dòng)要小于0.01g.由圖5可知，本次試驗(yàn)測(cè)得的最大峰值加速度分別為0.007g和0.008 2g，說(shuō)明其對(duì)周圍環(huán)境的影響滿足要求，立柱的振動(dòng)反應(yīng)要稍大于大廳地坪的.

圖5 大臺(tái)X向0.6g激勵(lì)下大廳地坪和柱子反應(yīng)時(shí)程曲線Fig.5 Time history curves of the hall floor and pillars under 0.6g excitation of large table in X-direction

2.1.2 大臺(tái)單獨(dú)作Y向激勵(lì)

大臺(tái)單獨(dú)作Y向激勵(lì)的工況為工況5～工況11，激勵(lì)的加速度由0.1g逐漸增加到1.2g，頻率從2至40 Hz進(jìn)行掃頻激勵(lì).同樣，僅給出Y向的其中一個(gè)測(cè)點(diǎn)1在0.1g和 0.6g激勵(lì)下(表1的工況5和工況8)得到的試驗(yàn)結(jié)果，如圖6所示.其中:圖6(a)為0.1g激勵(lì)下測(cè)點(diǎn)1的振動(dòng)反應(yīng)曲線，圖6(b)為0.6g激勵(lì)下的測(cè)點(diǎn)1的振動(dòng)反應(yīng)曲線.此外，為了說(shuō)明從0.1g增大到至1.2g時(shí)反力基礎(chǔ)的振動(dòng)反應(yīng)規(guī)律，圖7給出了大臺(tái)Y向激勵(lì)與基礎(chǔ)振動(dòng)反應(yīng)峰值加速度關(guān)系曲線.

圖6 大臺(tái)Y向激勵(lì)下基礎(chǔ)Y向的振動(dòng)反應(yīng)時(shí)程曲線Fig.6 Time history curves of foundation reaction under the activation of large table in Y-direction

由圖6(a)可知，大臺(tái)單獨(dú)作Y向0.1g激勵(lì)時(shí)，反力基礎(chǔ)的振動(dòng)反應(yīng)(加速度)隨著時(shí)間的增加(即頻率的增大)而增大，但總的來(lái)說(shuō)反應(yīng)都非常小，基本都在0.005g以下(圖6中只給出了Y向的，X向的更小)；當(dāng)激勵(lì)為0.6g時(shí)(圖6(b))，反力基礎(chǔ)的振動(dòng)有了一定的增大，最大峰值加速度達(dá)到了0.03g，即激勵(lì)與反應(yīng)的比值基本相同，或者說(shuō)兩者成線性關(guān)系.同時(shí)，由圖6可知，反力基礎(chǔ)在掃頻波激勵(lì)下也會(huì)出現(xiàn)多峰值現(xiàn)象，最大峰值加速度約為X向的2倍.

圖7 大臺(tái)Y向激勵(lì)與基礎(chǔ)振動(dòng)反應(yīng)峰值加速度關(guān)系圖Fig.7 Curve between excitation and peak response acceleration of large table in Y-direction

由圖7可知，隨著激勵(lì)的增大，反力基礎(chǔ)的加速度振動(dòng)響應(yīng)為先增大后減小，最大反應(yīng)發(fā)生在激勵(lì)為0.8g.當(dāng)激勵(lì)從0.1g到0.8g時(shí)，振動(dòng)反應(yīng)從0.005g增加到0.038g；當(dāng)激勵(lì)從0.8g增大到1.2g時(shí)，振動(dòng)反應(yīng)由0.038g減小到0.01g.由于Y向工況較多，振動(dòng)反應(yīng)規(guī)律更為明顯，即曲線為先增加后趨緩并達(dá)到最大后反而下降了.

究其原因, 是該反力基礎(chǔ)為設(shè)置隔振橡膠的隔振溝群樁基礎(chǔ)，當(dāng)激勵(lì)增大到一定值時(shí)，隔振橡膠開始發(fā)揮作用，反而降低了反力基礎(chǔ)的反應(yīng).因此，設(shè)置隔振橡膠對(duì)減少或降低地震模擬振動(dòng)臺(tái)反力基礎(chǔ)的振動(dòng)反應(yīng)作用較為明顯.

由于大臺(tái)Y向作0.8g激勵(lì)下引起反力基礎(chǔ)的振動(dòng)反應(yīng)最大，因此，以下僅給出該激勵(lì)工況下試驗(yàn)大廳地坪和立柱的加速度反應(yīng)曲線，如圖8所示.其中，圖8(a)為地坪的加速度振動(dòng)反應(yīng)時(shí)程曲線, 圖8(b)為立柱的加速度振動(dòng)反應(yīng)時(shí)程曲線.

由圖8可知，本試驗(yàn)測(cè)得的地坪最大峰值加速度為0.010g，其值在文[9]規(guī)定的0.01g范圍內(nèi)，滿足場(chǎng)地土對(duì)周圍環(huán)境的影響要求；立柱最大峰值加速度為0.012g，其值稍大于0.01g，但未超過(guò)規(guī)范[18]規(guī)定的對(duì)于建筑結(jié)構(gòu)的安全要求.因此，該反力基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)是合理的.

2.2 三臺(tái)同步激勵(lì)

2.2.1 三臺(tái)同步作X向激勵(lì)

除進(jìn)行大臺(tái)單獨(dú)激勵(lì)外，本試驗(yàn)還進(jìn)行三臺(tái)同步激勵(lì)試驗(yàn).其中:工況12～工況14為X向激勵(lì)、工況15～工況21為Y向激勵(lì).限于篇幅并為了與大臺(tái)單獨(dú)激勵(lì)結(jié)果進(jìn)行比較，給出測(cè)點(diǎn)3在0.1g和0.4g激勵(lì)下(表1的工況12和工況14)的試驗(yàn)結(jié)果，如圖9(a)和(b)所示.為了說(shuō)明從0.1g增大至0.4g時(shí)反力基礎(chǔ)的振動(dòng)反應(yīng)規(guī)律，圖10給出三臺(tái)同步X向激勵(lì)與基礎(chǔ)振動(dòng)反應(yīng)峰值加速度關(guān)系曲線.

圖9 三臺(tái)同步X向激勵(lì)下基礎(chǔ)X向的振動(dòng)反應(yīng)曲線Fig.9 Vibrated response curves of foundation by the excitation of triple tables in X-direction

圖10 三臺(tái)同步X向激勵(lì)與基礎(chǔ)振動(dòng)峰值加速度關(guān)系圖Fig.10 Curve between excitation and peak response acceleration of triple tables in X-direction

由圖9(a)可知，三臺(tái)同步X向0.1g激勵(lì)下反力基礎(chǔ)的振動(dòng)反應(yīng)非常小，基本都在0.004g以下(單臺(tái)的為0.003g)；當(dāng)為0.4g時(shí)(圖9(b))，反力基礎(chǔ)的振動(dòng)響應(yīng)有一定的增大，最大峰值加速度達(dá)到0.011g，但仍遠(yuǎn)小于通常規(guī)定的0.1g，以該值作為控制值有所偏大.同時(shí)，從圖9(a)可知，該時(shí)程曲線同樣會(huì)呈現(xiàn)多峰值現(xiàn)象.

此外，由圖10可知，隨著激勵(lì)的增大，反力基礎(chǔ)的加速度振動(dòng)響應(yīng)逐漸增大，不過(guò)反應(yīng)曲線有逐漸減緩的趨勢(shì)，其與大臺(tái)單獨(dú)激勵(lì)的反應(yīng)規(guī)律相類似.圖11(a)和(b)分別為三臺(tái)同步X向激勵(lì)下試驗(yàn)大廳地坪和立柱的峰值加速度振動(dòng)反應(yīng)曲線.由圖可知，試驗(yàn)測(cè)得的地坪和立柱最大峰值加速度均約為0.006g，也小于相關(guān)規(guī)定，說(shuō)明其對(duì)周圍環(huán)境的影響滿足要求.

圖11 三臺(tái)同步X向0.4g激勵(lì)下大廳地坪和柱子X(jué)向的振動(dòng)反應(yīng)曲線Fig.11 Vibrated response curves of the hall floor and pillars by 0.4g excitation of triple tables in X-direction

2.2.2 三臺(tái)同步作Y向激勵(lì)

三臺(tái)同步作Y向激勵(lì)的工況共有7個(gè)，激勵(lì)的加速度由0.1g逐漸增加到1.2g，對(duì)于0.1g激勵(lì)(工況15)，頻率從2～40 Hz進(jìn)行掃頻激勵(lì)；工況16～工況21則采用間斷頻率進(jìn)行激勵(lì).同樣的，僅給出測(cè)點(diǎn)1在0.1g和0.6g激勵(lì)下的試驗(yàn)結(jié)果，頻譜曲線分別如圖12(a)至圖12(c)所示.由圖12(a)可知，三臺(tái)同步Y(jié)向0.1g激勵(lì)下反力基礎(chǔ)的振動(dòng)反應(yīng)非常小，基本都在0.003g以下；當(dāng)為0.6g時(shí)(圖12(b))，反力基礎(chǔ)的振動(dòng)有一定增大，最大峰值加速度達(dá)到0.014g(1.2g時(shí)為 0 .023g)，小于文[9]規(guī)定的0.1g，說(shuō)明對(duì)于福州大學(xué)地震模擬振動(dòng)臺(tái)陣反力基礎(chǔ)來(lái)說(shuō)，該規(guī)定值偏大.而由圖12(c)的頻譜曲線可知，最大響應(yīng)對(duì)應(yīng)的頻率約為50.5 Hz，因而使得圖12(b)仍處于上升狀態(tài).

圖12 三臺(tái)同步Y(jié)向激勵(lì)下基礎(chǔ)Y向振動(dòng)反應(yīng)曲線Fig.12 Vibrated response curves of foundation by the excitation of triple tables in Y-direction

圖13 三臺(tái)同步Y(jié)向激勵(lì)與基礎(chǔ)振動(dòng)峰值加速度關(guān)系圖Fig.13 Curve between excitation and peak acceleration response of triple tables in Y-direction

此外，為了說(shuō)明從0.1g增大至1.2g激勵(lì)下反力基礎(chǔ)的振動(dòng)反應(yīng)規(guī)律，圖13給出了三臺(tái)同步Y(jié)向激勵(lì)與基礎(chǔ)振動(dòng)反應(yīng)峰值加速度關(guān)系曲線.由圖13可知，隨著激勵(lì)的增大，反力基礎(chǔ)的加速度振動(dòng)響應(yīng)逐漸增大，在達(dá)到0.8g后變小，不過(guò)當(dāng)為1.2g時(shí)，振動(dòng)響應(yīng)又有所增大，這與大臺(tái)單獨(dú)激勵(lì)的規(guī)律稍有不同.

圖14為三臺(tái)同步Y(jié)向1.2g激勵(lì)下試驗(yàn)大廳地坪和立柱的峰值加速度振動(dòng)反應(yīng)曲線及頻譜曲線.由圖可知，試驗(yàn)測(cè)得的地坪和立柱最大峰值加速度均約為0.012g，略大于文[9]規(guī)定的0.01g，基本滿足要求.同時(shí)，最大加速度響應(yīng)對(duì)應(yīng)的頻率約為34 Hz.

圖14 三臺(tái)同步Y(jié)向1.2g激勵(lì)下大廳地坪和柱子Y向振動(dòng)反應(yīng)曲線Fig.14 Vibrated response curves of the hall floor and pillars by 1.2g excitation of triple tables in Y-direction

3 結(jié)語(yǔ)

試驗(yàn)表明，福州大學(xué)地震模擬振動(dòng)臺(tái)三臺(tái)陣反力基礎(chǔ)剛度較大，系統(tǒng)工作時(shí)自身振動(dòng)反應(yīng)較小，共振現(xiàn)象不明顯，對(duì)周圍環(huán)境的影響也較小，因此，該三臺(tái)陣反力基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)是合理的，可為今后地震模擬振動(dòng)臺(tái)基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)提供一定的參考.同時(shí)還可得到以下結(jié)論：

1) 反力基礎(chǔ)振動(dòng)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生多峰值現(xiàn)象，并使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生共振，不過(guò)共振現(xiàn)象不明顯.

2) 大臺(tái)單獨(dú)激勵(lì)或三臺(tái)同步激勵(lì)引起的基礎(chǔ)振動(dòng)反應(yīng)小于通常要求的控制值0.1g，該控制值有所偏大；同時(shí)，以0.01g作為對(duì)周圍環(huán)境影響的控制值是合理的.

3) 三臺(tái)同步激勵(lì)產(chǎn)生的振動(dòng)反應(yīng)要大于大臺(tái)的，不過(guò)相差不大；Y向激勵(lì)引起的峰值加速度振動(dòng)反應(yīng)要大于X向的.

4) 試驗(yàn)還表明，激勵(lì)越大，反力基礎(chǔ)的峰值加速度振動(dòng)反應(yīng)不一定越大，隨著激勵(lì)的增加，其增加的趨勢(shì)會(huì)減緩，甚至達(dá)到最大值后有所減小.

5) 具有減隔振的隔振溝與群樁組合型反力基礎(chǔ)可以有效地減小基礎(chǔ)振動(dòng)對(duì)周圍環(huán)境的影響.

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(責(zé)任編輯：沈蕓 )

The dynamic behavior experiment on reacted foundation for shaking tables array of earthquake simulation

HUANG Fuyun1, FANG Ziming2, WU Qingxiong1, CHEN Yuandong1

(1.College of Civil Engineering, Fuzhou University, Fuzhou, Fujian 350116, China;2.Zhejiang Communications Survey & Design Co LTD, Hangzhou, Zhejiang 310005，China)

The state-of-the-art of foundation of shaking tables was briefly summarized.Based on the triple-shake tables of earthquake simulator in Fuzhou University, the vibration characteristic test of the mass-reacted foundation were introduced, and the effect on the Lab and facilities were considered.Testing results show that the acceleration response of the foundation has multi-peak phenomena, and the foundation of group piles with isolated trench can effectively weaken its own vibration, so the amplitude of response and the influence on ambience is not significant.It is expected that the introduction will benefit to the design and construction of the multiple shaking tables facilities.

earthquake simulation shaking table array; reaction mass; vibration characteristic; isolation foundation

2014-11-26

黃福云(1979-), 博士，副研究員，主要從事橋梁抗震試驗(yàn)技術(shù)研究，Huangfuyun@fzu.edu.cn

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51578161, 51208111)；福建省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2013J05071)；福建省教育廳科技資助項(xiàng)目(JA11023)

10.7631/issn.1000-2243.2016.04.0450

1000-2243(2016)04-0450-09

TU398

A