大型地震模擬振動(dòng)臺(tái)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)綜述

張同億，付仰強(qiáng)，趙宏訓(xùn)

(中國(guó)中元國(guó)際工程有限公司，北京 100089)

0 引言

地震模擬振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)可反映原型結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)，是工程結(jié)構(gòu)抗震研究的重要手段[1-2]，對(duì)開展地震工程相關(guān)研究發(fā)揮了重要作用。近年來，地震模擬振動(dòng)臺(tái)逐步向臺(tái)陣化、大型化發(fā)展，其中大型地震模擬振動(dòng)臺(tái)可進(jìn)行大比例甚至足尺模型試驗(yàn)，有效減小由于尺寸效應(yīng)和局部相似比不滿足帶來的試驗(yàn)誤差，更加準(zhǔn)確地模擬工程結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)和破壞機(jī)理。

大型地震模擬振動(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(其原理示意圖見圖1)，具有臺(tái)面尺寸大、試驗(yàn)負(fù)荷高、激振加速度大、運(yùn)動(dòng)位移及工作頻率范圍寬等特點(diǎn)。大型地震模擬振動(dòng)臺(tái)在工作時(shí)激振力很大，相當(dāng)于一個(gè)大的振源，一般通過大質(zhì)量基礎(chǔ)來減小振動(dòng)[3]，其基礎(chǔ)是一類特殊的動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)。由于振動(dòng)臺(tái)基礎(chǔ)并非質(zhì)量無限大的剛體，并且受地基剛度影響，基礎(chǔ)在提供振動(dòng)臺(tái)支承的同時(shí)，自身也會(huì)在反力作用下產(chǎn)生振動(dòng)，有時(shí)甚至發(fā)生共振[4-6]，從而對(duì)振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面控制精度、試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)工作人員健康、實(shí)驗(yàn)室結(jié)構(gòu)安全及周邊環(huán)境造成較大影響。因此，大型地震模擬振動(dòng)臺(tái)的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，尤其是振動(dòng)控制非常重要。

圖1 大型地震模擬振動(dòng)臺(tái)原理示意圖

1 大型地震模擬振動(dòng)臺(tái)發(fā)展及現(xiàn)狀

20世紀(jì)40年代，地震模擬振動(dòng)臺(tái)首次在土木結(jié)構(gòu)中應(yīng)用，20世紀(jì)60年代以后地震模擬振動(dòng)臺(tái)開始廣泛建設(shè)，截止到目前已建成數(shù)百座振動(dòng)臺(tái)[7-8]。早期振動(dòng)臺(tái)大多是單向振動(dòng)，僅能模擬一個(gè)方向的地震振動(dòng)，隨著科技的發(fā)展，多維多向地震模擬振動(dòng)臺(tái)逐步開始建立。經(jīng)過50多年的發(fā)展，地震模擬振動(dòng)臺(tái)已經(jīng)轉(zhuǎn)向多自由度、大尺寸、大承載力方向發(fā)展。

1.1 大型地震模擬振動(dòng)臺(tái)現(xiàn)狀

地震模擬試驗(yàn)臺(tái)的規(guī)?！按笮　蓖ǔ０凑张_(tái)面尺寸以及負(fù)載能力界定，尚沒有公認(rèn)的具體標(biāo)準(zhǔn)，并且隨時(shí)代發(fā)生變化。目前世界上已建成多個(gè)臺(tái)面尺寸大于6m×6m、載重超過100t的大型地震模擬振動(dòng)臺(tái)，以及臺(tái)面尺寸大于15m×15m、載重超過1 000t的超大型地震模擬振動(dòng)臺(tái)[9-12]。我國(guó)地震模擬振動(dòng)臺(tái)相關(guān)研究始于20世紀(jì)70年代，目前尚處在快速發(fā)展階段[13-15]，國(guó)內(nèi)已經(jīng)建成的最大振動(dòng)臺(tái)尺寸10m×8m，最大載荷1 600kN，最大位移600mm，最大加速度2.0g，在建的廣州大學(xué)振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面尺寸、最大載荷同上，最大位移800mm，最大加速度1.2g。

大型地震模擬振動(dòng)臺(tái) 表1

超大型地震模擬振動(dòng)臺(tái) 表2

表1給出了部分大型地震模擬振動(dòng)臺(tái)及其主要技術(shù)參數(shù)。從振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面尺寸、最大載荷、頻率范圍、運(yùn)動(dòng)方向及運(yùn)動(dòng)參數(shù)對(duì)比來看，振動(dòng)臺(tái)最大載荷與臺(tái)面尺寸及運(yùn)動(dòng)參數(shù)相關(guān)，大多數(shù)三向六自由度的大型振動(dòng)臺(tái)的最大載荷介于1 000～5 000kN，最大加速度達(dá)到1.5g～2.0g，工作頻率范圍一般為0.1～50Hz或0.1～30Hz，可以滿足原型地震波(足尺試驗(yàn))的頻譜包絡(luò)線0.25～10Hz的需求。

1.2 超大型地震模擬振動(dòng)臺(tái)現(xiàn)狀

目前世界上使用和在建的超大型地震模擬振動(dòng)臺(tái)及其主要參數(shù)見表2，早期建設(shè)的超大型地震模擬振動(dòng)臺(tái)，以單向或雙向振動(dòng)為主，最大荷載10 000kN，工作頻率0～30Hz。日本防災(zāi)科學(xué)技術(shù)研究所2004年建成的E-Defense(圖2)及在建的天津大學(xué)超大型地震模擬振動(dòng)臺(tái)(圖3)均是三向六自由度的超大型地震模擬研究設(shè)施。

圖2 E-Defense超大型地震模擬振動(dòng)臺(tái)

圖3 天津大學(xué)超大型地震模擬振動(dòng)臺(tái)示意圖

E-Defense超大型地震模擬振動(dòng)臺(tái)，又稱足尺三維振動(dòng)破壞實(shí)驗(yàn)設(shè)施，是目前建成的最大地震模擬振動(dòng)臺(tái)，臺(tái)面尺寸為20m×15m，最大載荷12 000kN，工作頻率0～50Hz，水平及豎向最大位移分別為1.0，0.7m，水平及豎向速度分別為0.2，0.07m/s，水平及豎向加速度分別為0.9g，1.5g。

在建的天津大學(xué)地震模擬振動(dòng)臺(tái)是國(guó)家“十三五”重大科技基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項(xiàng)目，其臺(tái)面尺寸為20m×16m，最大載荷13 500kN，三向六自由度，水平最大加速度1.5g、豎向最大加速度2.0g，就臺(tái)面尺寸、最大載荷及綜合能力考量，天津大學(xué)地震模擬振動(dòng)臺(tái)建成后，將超過已建成的E-Defense地震模擬試驗(yàn)臺(tái)，成為世界上規(guī)模最大的地震模擬研究設(shè)施。

2 典型大型地震模擬振動(dòng)臺(tái)基礎(chǔ)概況

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)地震模擬振動(dòng)臺(tái)的研究主要集中在電液伺服系統(tǒng)控制及振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)等方面，對(duì)大型地震模擬振動(dòng)臺(tái)基礎(chǔ)的系統(tǒng)性研究資料并不多，且多以經(jīng)驗(yàn)性分析為主，定量計(jì)算和分析較少[16-17]。振動(dòng)臺(tái)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，主要是控制基礎(chǔ)振動(dòng)及傳播，控制的主要途徑是增大基礎(chǔ)重量、設(shè)置隔振溝等。

2.1 E-Defense振動(dòng)臺(tái)基礎(chǔ)概況

E-Defense振動(dòng)臺(tái)基礎(chǔ)采用混凝土塊體基礎(chǔ)(圖4)，塊體基礎(chǔ)與振動(dòng)臺(tái)所在的實(shí)驗(yàn)樓基礎(chǔ)構(gòu)成復(fù)合整體基礎(chǔ)，整體基礎(chǔ)混凝土用量2×105m3，基礎(chǔ)總質(zhì)量約44萬t，基礎(chǔ)質(zhì)量與最大可動(dòng)質(zhì)量的比為223，基礎(chǔ)重量與振動(dòng)臺(tái)最大出力的比約為149。實(shí)驗(yàn)樓整體基礎(chǔ)底部為巖石地基[18]。

圖4 E-Defense振動(dòng)臺(tái)基礎(chǔ)

2.2 天津大學(xué)振動(dòng)臺(tái)基礎(chǔ)概況

天津大學(xué)振動(dòng)臺(tái)基礎(chǔ)結(jié)合功能性建筑地下室及整體建筑，利用振動(dòng)臺(tái)范圍外的結(jié)構(gòu)墻體、地下室底板與頂板，形成了核心實(shí)體剛性塊體與外圍墻板柱整體式聯(lián)合基礎(chǔ)(圖5)?；A(chǔ)平面尺寸為105m×95m，最大埋深為18m，混凝土基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)總質(zhì)量為19.8萬t，設(shè)計(jì)中利用地下室空腔內(nèi)填充素混凝土形成配重，增加整體基礎(chǔ)質(zhì)量，振動(dòng)臺(tái)基礎(chǔ)質(zhì)量與最大可動(dòng)質(zhì)量的比值約90，基礎(chǔ)重量與振動(dòng)臺(tái)最大出力的比值約45。另外，聯(lián)合基礎(chǔ)下部設(shè)有樁基，通過合理設(shè)計(jì)及相關(guān)技術(shù)措施，保證樁體與樁間土能與基礎(chǔ)底板共同參振。

圖5 天津大學(xué)振動(dòng)臺(tái)基礎(chǔ)

2.3 西南交通大學(xué)振動(dòng)臺(tái)基礎(chǔ)概況

西南交通大學(xué)振動(dòng)臺(tái)基礎(chǔ)采用混凝土塊體基礎(chǔ)(圖6)，平面長(zhǎng)度50m，寬度11.5～24.06m，基礎(chǔ)高度6～10m，基礎(chǔ)總質(zhì)量約1.3萬t，基礎(chǔ)質(zhì)量與振動(dòng)臺(tái)最大可動(dòng)質(zhì)量的比值約為79，基礎(chǔ)重量與振動(dòng)臺(tái)最大出力的比值約為40。振動(dòng)臺(tái)基礎(chǔ)底部為砂卵石地基，基礎(chǔ)周圍設(shè)置了隔振空溝，以減小振動(dòng)臺(tái)運(yùn)行對(duì)周圍環(huán)境的影響[19]。

圖6 西南交通大學(xué)振動(dòng)臺(tái)基礎(chǔ)布置

3 大型地震模擬振動(dòng)臺(tái)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方法

目前針對(duì)大型地震模擬振動(dòng)臺(tái)基礎(chǔ)，常用的設(shè)計(jì)分析方法主要包括集總參數(shù)法及有限元數(shù)值模擬法。有限元數(shù)值模擬法的模擬精度取決于土體動(dòng)力參數(shù)、接觸單元特性及人工邊界參數(shù)取值，作為集總參數(shù)法的有效補(bǔ)充和驗(yàn)證，對(duì)于形狀復(fù)雜的復(fù)合基礎(chǔ)振動(dòng)計(jì)算分析具有較大優(yōu)勢(shì)。集總參數(shù)法基于振動(dòng)的經(jīng)典理論，主要模型有兩種：一是我國(guó)動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)中采用的質(zhì)量-彈簧-阻尼模型；二是美國(guó)、日本等采用的彈性半空間模型。

3.1 質(zhì)量-彈簧-阻尼模型設(shè)計(jì)方法

質(zhì)量-彈簧-阻尼模型將基礎(chǔ)視為剛性的單一質(zhì)量塊，忽略基礎(chǔ)本身的變形，彈簧模擬地基土體剛度，擾力作用下外力和地基的彈性變形近似成直線關(guān)系。

模擬地基的彈簧質(zhì)量取為零，振動(dòng)時(shí)基礎(chǔ)下部部分土體會(huì)隨著基礎(chǔ)振動(dòng)，參振土體的附加質(zhì)量會(huì)對(duì)基礎(chǔ)的振動(dòng)產(chǎn)生影響，但實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)為簡(jiǎn)化計(jì)算，忽略地基礎(chǔ)土的參振質(zhì)量。采用阻尼參數(shù)模擬振動(dòng)能量向無限遠(yuǎn)處擴(kuò)散及地基土內(nèi)摩擦引起的能量損失，該模型的地基剛度及阻尼均為測(cè)試數(shù)據(jù)或經(jīng)驗(yàn)常量。

3.2 彈性半空間模型設(shè)計(jì)方法

彈性半空間模型將地基等效為均勻、連續(xù)、各向同性的半無限彈性體，以彈性半空間為載體，剛性基礎(chǔ)置于半空間表面，通過嚴(yán)格的數(shù)學(xué)推導(dǎo)及力學(xué)分析進(jìn)行動(dòng)力求解。

本方法理論上剛度及阻尼參數(shù)均是隨頻率變化的變量。實(shí)際工程應(yīng)用中，考慮到隨頻率變化的剛度及阻尼使用不便，彈性半空間模型通常簡(jiǎn)化為更為實(shí)用的Lysmer比擬法[20]，該方法通過對(duì)質(zhì)量、剛度及阻尼參數(shù)的抽換，分頻段控制動(dòng)力參數(shù)，使動(dòng)力反應(yīng)曲線逼近真實(shí)反應(yīng)，是一種面向應(yīng)用的等效方法。

3.3 兩種設(shè)計(jì)方法差異

除了計(jì)算模型不同外，質(zhì)量-彈簧-阻尼模型與彈性半空間模型的主要區(qū)別在于模型剛度與阻尼的確定方法不同。質(zhì)量-彈簧-阻尼模型采用的剛度和阻尼是根據(jù)試驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)確定的常數(shù)，彈性半空間模型認(rèn)為剛度和阻尼是關(guān)于剪切模量、泊松比、剪切波速、密度以及外荷載頻率等的函數(shù)。

基于質(zhì)量-彈簧-阻尼模型的集總參數(shù)法的振動(dòng)臺(tái)基礎(chǔ)的動(dòng)力分析結(jié)果隨剛度和阻尼參數(shù)的取值的不同差異較大，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取值的常值剛度與阻尼與實(shí)測(cè)結(jié)果有時(shí)相差較多，可能影響基礎(chǔ)分析計(jì)算?；趶椥园肟臻g模型的集總參數(shù)法的剛度與阻尼的取值基于理論假定條件，尤其阻尼取值明顯偏大。

3.4 振動(dòng)臺(tái)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)關(guān)鍵參數(shù)

振動(dòng)臺(tái)基礎(chǔ)工程設(shè)計(jì)中，基礎(chǔ)質(zhì)量、激振力、地基動(dòng)力特性參數(shù)及振動(dòng)控制指標(biāo)對(duì)工程設(shè)計(jì)影響較大。

振動(dòng)臺(tái)基礎(chǔ)質(zhì)量直接影響到基礎(chǔ)自身的振動(dòng)加速度響應(yīng)。美國(guó)伯克利地震模擬振動(dòng)臺(tái)的基礎(chǔ)研究表明，基礎(chǔ)質(zhì)量取10～20倍振動(dòng)系統(tǒng)的可動(dòng)質(zhì)量，可有效控制基礎(chǔ)振動(dòng)[21];文獻(xiàn)[22]建議，振動(dòng)臺(tái)基礎(chǔ)質(zhì)量達(dá)到試驗(yàn)質(zhì)量和平臺(tái)質(zhì)量之和的30倍以上，可使基礎(chǔ)振動(dòng)減少到容許范圍；文獻(xiàn)[23]指出，振動(dòng)臺(tái)基礎(chǔ)質(zhì)量控制為平臺(tái)質(zhì)量和試件最大質(zhì)量之和的50倍是偏于安全的，可根據(jù)土質(zhì)條件合理設(shè)計(jì)，適當(dāng)減小質(zhì)量比。但上述研究及建議均基于靜態(tài)質(zhì)量比，建議值差異較大是因?yàn)楹雎粤苏駝?dòng)臺(tái)最大加速度、地基剛度等關(guān)鍵指標(biāo)。

振動(dòng)臺(tái)激振力具有頻帶寬、激勵(lì)大的特點(diǎn)，低于基礎(chǔ)自振頻率的低頻激振力主要由地基剛度抵抗，高于基礎(chǔ)自振頻率的高頻激振力主要由振動(dòng)臺(tái)基礎(chǔ)質(zhì)量抵抗。設(shè)計(jì)中，激勵(lì)荷載需要考慮振動(dòng)臺(tái)運(yùn)行不同的荷載工況，同時(shí)結(jié)合激振器的力譜曲線進(jìn)行激振力施加。

地基動(dòng)力特性參數(shù)直接關(guān)系到振動(dòng)臺(tái)基礎(chǔ)的動(dòng)力分析結(jié)果可靠性，我國(guó)規(guī)范中基于集總參數(shù)的設(shè)計(jì)分析方法，采用基于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)及工程經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)的地基剛度及阻尼，其參數(shù)取值直接影響到振動(dòng)臺(tái)基礎(chǔ)的動(dòng)力分析精度。

振動(dòng)臺(tái)基礎(chǔ)的動(dòng)力控制指標(biāo)包括基礎(chǔ)自身振動(dòng)、環(huán)境振動(dòng)兩個(gè)部分，控制指標(biāo)的合理性直接影響振動(dòng)臺(tái)基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)及投資，需結(jié)合振動(dòng)臺(tái)設(shè)備運(yùn)行精度要求及現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境振動(dòng)需求綜合評(píng)判控制指標(biāo)。

4 大型地震模擬振動(dòng)臺(tái)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

國(guó)內(nèi)外對(duì)地震模擬振動(dòng)臺(tái)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)相關(guān)的系統(tǒng)性研究不多[24]。保證振動(dòng)臺(tái)設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)、工作人員健康、鄰近結(jié)構(gòu)安全，同時(shí)對(duì)周邊環(huán)境不造成振動(dòng)污染，是振動(dòng)臺(tái)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的重要標(biāo)準(zhǔn)。目前，專門針對(duì)振動(dòng)臺(tái)基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)較少，各國(guó)對(duì)于振動(dòng)臺(tái)基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)并不統(tǒng)一，目前主要標(biāo)準(zhǔn)概況如下。

4.1 動(dòng)力參數(shù)取值

(1)我國(guó)《動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50040—2020)[25]明確了設(shè)計(jì)中地基剛度(式(1)～(9))與阻尼比(式(10)～(11))的取值方法。其中土體彈簧剛度、阻尼參數(shù)根據(jù)基礎(chǔ)動(dòng)力反應(yīng)曲線反算得到，同時(shí)考慮埋置深度的修正。

為準(zhǔn)確評(píng)價(jià)地基土體的動(dòng)力參數(shù)，獲得地基三向平動(dòng)、回轉(zhuǎn)剛度及對(duì)應(yīng)阻尼，《地基動(dòng)力特性測(cè)試規(guī)范》(GB/T 50269—2015)[26]對(duì)基礎(chǔ)動(dòng)力參數(shù)的測(cè)試方法及要求做了明確規(guī)定，統(tǒng)一了工程中地基剛度的取值。

(1)

式中:Cz為抗壓剛度系數(shù)；Czi為第i層土的抗壓剛度系數(shù)；hi，hi-1分別為從基礎(chǔ)底至第i，i-1層土底面的深度；hd為基礎(chǔ)埋深。

地基抗彎剛度系數(shù)C?：C?=2.15Cz

(2)

地基抗剪系數(shù)Cx：Cx=0.70Cz

(3)

地基抗扭系數(shù)Cφ：Cφ=1.05Cz

(4)

地基抗壓剛度Kz：Kz=CzA

(5)

地基抗剪剛度Kx：Kx=CxA

(6)

地基抗扭剛度Kφ：Kφ=CφA

(7)

地基抗彎剛度K?：K?=C?A

(8)

(9)

地基水平回轉(zhuǎn)耦合阻尼比εh：εh=0.5εz

(10)

地基扭轉(zhuǎn)向阻尼比εφ：εφ=εh

(11)

另外，《液壓振動(dòng)臺(tái)基礎(chǔ)技術(shù)規(guī)范》(GB 50699—2011)[27]，針對(duì)地基動(dòng)力特征參數(shù)測(cè)試、地基動(dòng)力計(jì)算、基礎(chǔ)構(gòu)造及施工等方面，提出了具體要求，尤其振動(dòng)臺(tái)基礎(chǔ)的地基阻尼比取值偏高值得關(guān)注。

(2)美國(guó)基礎(chǔ)工程手冊(cè)[28]中，分別給出了不同基礎(chǔ)埋置條件的剛度及阻尼參數(shù)的圖表(表3及圖7、圖8)，其中阻尼分成輻射阻尼和內(nèi)部阻尼兩部分，內(nèi)部阻尼取值0.05，剛度及輻射阻尼系數(shù)考慮了基礎(chǔ)形狀、地基土層、埋置條件的不同情況。

明置基礎(chǔ)地基剛度及阻尼系數(shù)計(jì)算公式 表3

圖7 明置基礎(chǔ)地基剛度修正曲線

圖8 明置基礎(chǔ)地基阻尼修正曲線

(3)日本以振動(dòng)臺(tái)基礎(chǔ)與臺(tái)面振幅比為依據(jù)，提出了振動(dòng)臺(tái)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)(式(12))，由于基礎(chǔ)阻尼比對(duì)共振區(qū)附近基礎(chǔ)振動(dòng)幅值影響較大，按照日本標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算的基礎(chǔ)，僅滿足重量比，不一定能達(dá)到振動(dòng)臺(tái)實(shí)際需求，需考慮阻尼比的影響。

(12)

式中：δ1為振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面振幅；δ2為基礎(chǔ)振幅；ω為激振頻率；ωn為基礎(chǔ)自振頻率；D為阻尼比。

4.2 基礎(chǔ)振動(dòng)控制指標(biāo)

(1)關(guān)于振動(dòng)臺(tái)基礎(chǔ)的動(dòng)力響應(yīng)控制，我國(guó)相應(yīng)規(guī)范中提出了明確的限值要求。《液壓振動(dòng)臺(tái)》(GB/T 21116—2007)[29]基于振動(dòng)臺(tái)安裝運(yùn)行需求，要求振動(dòng)臺(tái)基礎(chǔ)振動(dòng)的加速度與振動(dòng)臺(tái)主振方向的額定加速度之比不大于5%。

《建筑工程容許振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50868—2013)[30]基于振動(dòng)臺(tái)自身振動(dòng)控制及環(huán)境振動(dòng)影響，分別給出了基礎(chǔ)振動(dòng)限值及環(huán)境振動(dòng)評(píng)價(jià)指標(biāo)，其中基礎(chǔ)自身振動(dòng)控制基礎(chǔ)頂面角點(diǎn)及振動(dòng)臺(tái)激振器位置處的動(dòng)力響應(yīng)，考慮了振動(dòng)臺(tái)設(shè)備運(yùn)行要求及振動(dòng)傳播控制要求；在環(huán)境振動(dòng)評(píng)價(jià)指標(biāo)方面，基于不同建筑功能區(qū)的人體舒適性，給出了容許振動(dòng)計(jì)權(quán)加速度級(jí)。

(2)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織機(jī)械振動(dòng)和沖擊技術(shù)委員會(huì)(ISO/TC108)基于大量的人體振動(dòng)測(cè)試，制定了ISO2631(整個(gè)人體受振動(dòng)時(shí)的計(jì)算指南)，ISO2631基于不同頻率和振幅的地面振動(dòng)對(duì)人體的影響，給出了機(jī)器基礎(chǔ)振動(dòng)界限值[31-32](圖9)。

圖9 振動(dòng)對(duì)人(站立)和結(jié)構(gòu)的一般界限

(3)其他國(guó)外振動(dòng)臺(tái)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)要求，均針對(duì)振動(dòng)臺(tái)基礎(chǔ)振動(dòng)提出了控制指標(biāo)。德國(guó)建議基礎(chǔ)振動(dòng)速度值小于4.5mm/s；蘇聯(lián)的標(biāo)準(zhǔn)是基礎(chǔ)振動(dòng)位移幅值小于0.25mm。

(4)另外，主要振動(dòng)臺(tái)設(shè)備供應(yīng)商同樣對(duì)基礎(chǔ)振動(dòng)提出控制要求：美國(guó)MTS公司基于環(huán)境振動(dòng)控制與振動(dòng)臺(tái)激振器的控制精度需求，提出基礎(chǔ)振動(dòng)控制指標(biāo)為最大振動(dòng)加速度0.1g、最大振動(dòng)速度12.7mm/s、最大振動(dòng)線位移0.13mm。英國(guó)Servotest公司要求振動(dòng)臺(tái)基礎(chǔ)的振動(dòng)加速度最大值不超過0.1g，振動(dòng)線位移最大值不超過0.1mm，對(duì)于振動(dòng)臺(tái)基礎(chǔ)的振動(dòng)速度無明確要求。

4.3 環(huán)境振動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)

(1)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO4866-1中，對(duì)機(jī)械振動(dòng)引起的結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)，將機(jī)械振動(dòng)引起的構(gòu)件振動(dòng)位移、速度和加速度峰值換算成動(dòng)應(yīng)力，式(13)規(guī)定了結(jié)構(gòu)安全應(yīng)力水平對(duì)應(yīng)的振動(dòng)峰值。該峰值可作為振動(dòng)臺(tái)對(duì)環(huán)境振動(dòng)影響的控制指標(biāo)，進(jìn)而指導(dǎo)振動(dòng)臺(tái)基礎(chǔ)的分析設(shè)計(jì)。

(13)

(2)美國(guó)給出了基礎(chǔ)振動(dòng)對(duì)人、結(jié)構(gòu)物影響的定量分區(qū)曲線(圖10)，建議基礎(chǔ)的最小重量不小于振動(dòng)臺(tái)系統(tǒng)最大激振力的15倍，基礎(chǔ)重量取10～20倍振動(dòng)臺(tái)中可動(dòng)部分重量。

圖10 振動(dòng)房屋、人的定量影響圖

(3)德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)DIN4150-3中，規(guī)定不同類別的建筑物，在外部動(dòng)力荷載作用下基礎(chǔ)處的振動(dòng)速度限值，對(duì)于振動(dòng)臺(tái)實(shí)驗(yàn)室等工業(yè)建筑，建筑基礎(chǔ)處的振動(dòng)速度限值為20～50mm/s。

(4)考慮到基礎(chǔ)振動(dòng)對(duì)周圍環(huán)境的影響，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中限定距離振動(dòng)臺(tái)基礎(chǔ)邊10m遠(yuǎn)處的加速度有效值應(yīng)小于0.01g[33]。

5 大型地震模擬振動(dòng)臺(tái)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)建議

大型地震模擬振動(dòng)臺(tái)基礎(chǔ)，尤其對(duì)于負(fù)載千噸級(jí)的超大型振動(dòng)臺(tái)，基礎(chǔ)振動(dòng)影響及基礎(chǔ)設(shè)計(jì)需進(jìn)行專題分析研究，研究?jī)?nèi)容及工程設(shè)計(jì)建議如下。

5.1 基礎(chǔ)選型

基礎(chǔ)選型是大型地震模擬振動(dòng)臺(tái)工程設(shè)計(jì)的重要方面。目前多采用塊體基礎(chǔ)形狀，主要包括整體式開口箱形基礎(chǔ)、與地下室或樁基組合的聯(lián)合基礎(chǔ)、帶隔振溝的塊體基礎(chǔ)[34-35]。

振動(dòng)臺(tái)基礎(chǔ)合理的幾何形狀可提高基礎(chǔ)的阻尼性能，在質(zhì)量一定的情況下，基礎(chǔ)底面積越大，基礎(chǔ)的幾何阻尼越大，有利于基礎(chǔ)自振頻段的振幅控制；基礎(chǔ)重心應(yīng)盡量與激振力作用線重合，減小偏心造成的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)；基礎(chǔ)埋深對(duì)于振動(dòng)控制有一定影響，一般根據(jù)設(shè)備構(gòu)造要求及工作性能，振動(dòng)臺(tái)基礎(chǔ)高寬比宜0.2～0.5。

設(shè)置隔振溝的基礎(chǔ)可減小周邊環(huán)境振動(dòng)，但隔振溝影響基礎(chǔ)整體剛度、機(jī)組阻尼及參振質(zhì)量，振動(dòng)臺(tái)基礎(chǔ)自身振動(dòng)一般比直接埋置型基礎(chǔ)大。另外，隔振溝尺寸的確定，尤其是深度的確定非常關(guān)鍵，甚至直接決定了隔振效果；隔振溝溝體是否空腔以及填充材料的選擇應(yīng)結(jié)合主控頻段設(shè)計(jì)。

隔振雙層基礎(chǔ)包括內(nèi)基礎(chǔ)和外基礎(chǔ)。內(nèi)基礎(chǔ)安裝振動(dòng)臺(tái)，外基礎(chǔ)埋置于地基土體，內(nèi)、外基礎(chǔ)之間增設(shè)隔振裝置，比如鋼彈簧隔振支座、空氣彈簧隔振支座。該型基礎(chǔ)體系自身的自振頻率較低，對(duì)于用來進(jìn)行大比例試驗(yàn)或足尺試驗(yàn)的大型地震模擬振動(dòng)臺(tái)，工作頻率范圍以低頻為主，應(yīng)通過增加基礎(chǔ)阻尼減小隔振后自振頻段的振動(dòng)。

5.2 基礎(chǔ)質(zhì)量取值建議及工程措施

振動(dòng)臺(tái)基礎(chǔ)質(zhì)量直接關(guān)系到振動(dòng)臺(tái)基礎(chǔ)振動(dòng)量值大小，一般而言基礎(chǔ)質(zhì)量越大，基礎(chǔ)振動(dòng)幅值越小。早期工程中，振動(dòng)臺(tái)加速度多小于1.0g，設(shè)計(jì)時(shí)采用“質(zhì)量比”控制是安全的，但對(duì)于加速度較小的振動(dòng)臺(tái)基礎(chǔ)可能偏于保守，致使工程造價(jià)偏高。

對(duì)于最大加速度大于1.0g的大型振動(dòng)臺(tái)，設(shè)計(jì)時(shí)簡(jiǎn)單采用“質(zhì)量比”控制是不妥當(dāng)?shù)?。而是?yīng)該控制振動(dòng)臺(tái)基礎(chǔ)重量與激振器最大出力的比值，進(jìn)而得到基礎(chǔ)質(zhì)量設(shè)計(jì)值。建議基礎(chǔ)質(zhì)量取值公式如下：

M=μF/g

(14)

F=(m0+m1+m2)a

(15)

式中：M為振動(dòng)臺(tái)基礎(chǔ)質(zhì)量；μ為振動(dòng)臺(tái)基礎(chǔ)重量出力比，建議不小于30；F為激振力；m0為振動(dòng)臺(tái)運(yùn)動(dòng)部分有效質(zhì)量；m1為振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面質(zhì)量；m2為試件質(zhì)量；a為振動(dòng)臺(tái)設(shè)計(jì)最大加速度。

另外，大型及超大型振動(dòng)臺(tái)基礎(chǔ)質(zhì)量尚可采取以下綜合措施配重：

(1)結(jié)合功能性建筑地下室及整體建筑，利用振動(dòng)臺(tái)范圍外的結(jié)構(gòu)墻體、地下室底板與頂板，形成核心實(shí)體剛性與外圍墻板柱整體式聯(lián)合基礎(chǔ)，利用地下室空腔填充素混凝土形成配重，增加基礎(chǔ)質(zhì)量。本項(xiàng)措施設(shè)計(jì)關(guān)鍵是要保證足夠的整體剛度，以確保參振質(zhì)量有效。

(2)軟土地基采用樁基時(shí)，通過合理設(shè)計(jì)樁體，保證樁與樁間土能夠與基礎(chǔ)底板共同參振，控制基礎(chǔ)不均勻沉降及后期振陷的同時(shí)，進(jìn)一步增加振動(dòng)臺(tái)基礎(chǔ)的參振質(zhì)量，可有效減小基礎(chǔ)振動(dòng)。

5.3 振動(dòng)臺(tái)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

振動(dòng)臺(tái)基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)應(yīng)同時(shí)滿足如下要求：基礎(chǔ)應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度、穩(wěn)定性和耐久性；沉降和基礎(chǔ)傾斜滿足振動(dòng)臺(tái)正常工作的要求；基礎(chǔ)振動(dòng)不超過規(guī)定限值，保證基礎(chǔ)振動(dòng)對(duì)振動(dòng)臺(tái)工作、環(huán)境振動(dòng)及周邊建筑不致產(chǎn)生過大影響；滿足振動(dòng)臺(tái)設(shè)備安裝、使用及維修的要求。

大型振動(dòng)臺(tái)基礎(chǔ)采用實(shí)體鋼筋混凝土基礎(chǔ)，強(qiáng)度、穩(wěn)定性及耐久性容易滿足要求。對(duì)于軟土地基，應(yīng)采用樁基，必要時(shí)可采用斜樁承擔(dān)水平激振力。

地基動(dòng)力特性參數(shù)直接影響到基礎(chǔ)動(dòng)力響應(yīng)及基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，大型振動(dòng)臺(tái)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)，地基動(dòng)力特性參數(shù)取值應(yīng)以場(chǎng)地實(shí)測(cè)動(dòng)力特性參數(shù)為準(zhǔn)。當(dāng)場(chǎng)地不具備測(cè)試條件時(shí)，應(yīng)結(jié)合當(dāng)?shù)毓こ探?jīng)驗(yàn)及有限元模擬結(jié)果，綜合選定地基動(dòng)力特性參數(shù)，并在設(shè)計(jì)中留有余量，尤其阻尼參數(shù)對(duì)于共振振幅的影響較大，有時(shí)會(huì)成為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的控制因素，應(yīng)合理取值。

6 大型振動(dòng)臺(tái)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)研究方向

地震模擬振動(dòng)臺(tái)朝著大型化、臺(tái)陣化方向發(fā)展，大型振動(dòng)臺(tái)基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)愈加重要。除了結(jié)合實(shí)際工程需求，從強(qiáng)度、穩(wěn)定性、動(dòng)力響應(yīng)及經(jīng)濟(jì)性等綜合指標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)控制外，對(duì)大型振動(dòng)臺(tái)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的研究方向建議如下：

(1)對(duì)于集總參數(shù)設(shè)計(jì)方法，針對(duì)質(zhì)量-彈簧-阻尼模型，應(yīng)進(jìn)一步研究地基參振質(zhì)量取值方法，尤其樁基礎(chǔ)及樁間土體的參振質(zhì)量的取值方法。

(2)鑒于大型振動(dòng)臺(tái)基礎(chǔ)尺度越來越大，建議我國(guó)相關(guān)規(guī)范修編時(shí)，設(shè)計(jì)方法宜補(bǔ)充彈性半空間模型，并同步推薦基于激振設(shè)備+臺(tái)面系統(tǒng)+基礎(chǔ)+地基的全系統(tǒng)模型的數(shù)值分析；進(jìn)一步開展地基阻尼、剛度等動(dòng)參數(shù)取值的深入研究，包括動(dòng)參數(shù)在不同強(qiáng)度振動(dòng)作用下的變化研究。

(3)目前振動(dòng)臺(tái)基礎(chǔ)振動(dòng)控制指標(biāo)是結(jié)合以往激振力較小工程經(jīng)驗(yàn)制定的，并且相關(guān)規(guī)范中控制指標(biāo)差異較大。建議開展大型振動(dòng)臺(tái)的基礎(chǔ)振動(dòng)控制、評(píng)價(jià)指標(biāo)系統(tǒng)研究，提升我國(guó)大型地震模擬振動(dòng)臺(tái)設(shè)計(jì)質(zhì)量和水平。

(4)對(duì)于大型及超大型地震模擬振動(dòng)臺(tái)基礎(chǔ)，目前尚未見到隔振設(shè)計(jì)的應(yīng)用，建議結(jié)合實(shí)際工程，開展雙層隔振基礎(chǔ)的應(yīng)用研究；另外，大型振動(dòng)臺(tái)隔振溝的工程設(shè)計(jì)及應(yīng)用、以及隔振溝對(duì)于非平穩(wěn)振動(dòng)的隔振性能也應(yīng)進(jìn)一步深入研究。

(5)大型振動(dòng)臺(tái)基礎(chǔ)的工作狀態(tài)直接影響到地震模擬設(shè)施的可靠性，意義重大。目前尚未見到針對(duì)大型振動(dòng)臺(tái)基礎(chǔ)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，未來應(yīng)結(jié)合現(xiàn)有的大型地震模擬設(shè)施，開展大型振動(dòng)臺(tái)工作狀態(tài)下的振動(dòng)臺(tái)基礎(chǔ)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)，并建立相關(guān)大數(shù)據(jù)信息庫(kù)，為大型地震模擬研究設(shè)施保駕護(hù)航的同時(shí)，供今后類似的振動(dòng)臺(tái)基礎(chǔ)工程設(shè)計(jì)參考借鑒。