地震模擬振動臺基礎(chǔ)設(shè)計與建造技術(shù)綜述

紀(jì)金豹，武劍峰，李文月

(北京工業(yè)大學(xué)工程抗震與結(jié)構(gòu)診治北京市重點實驗室，北京 100124)

地震模擬振動臺作為研究結(jié)構(gòu)抗震性能和破壞機(jī)理的關(guān)鍵設(shè)備，被廣泛應(yīng)用于建筑橋梁抗震、文物保護(hù)、隔震支座研發(fā)等工作當(dāng)中，其中基礎(chǔ)是保障振動臺控制性能、減小振動對周圍環(huán)境和人員帶來損害的核心部件.目前，已經(jīng)有許多專家學(xué)者對振動臺運(yùn)行振動影響性分析進(jìn)行過研究.劉必?zé)舻萚1-2]對西南交通大學(xué)和防災(zāi)科技學(xué)院地震模擬振動臺進(jìn)行振動影響測試及分析，闡述了基礎(chǔ)振動測試分析方法；Luco等[3]分析NEES-UCSD大型戶外振動臺運(yùn)行對基礎(chǔ)的影響，試驗結(jié)果表明該振動臺基礎(chǔ)具有足夠的強(qiáng)度和穩(wěn)定性；侯興民等[4-5]、黃浩華[6]通過傳遞函數(shù)法對振動影響進(jìn)行理論計算，給出一種用于動力響應(yīng)分析的一般集中參數(shù)模型.本文為了系統(tǒng)總結(jié)地震模擬振動臺基礎(chǔ)的設(shè)計方法與施工建造工藝，主要圍繞振動臺基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)選型分析、關(guān)鍵參數(shù)影響、動力計算方法和施工環(huán)節(jié)中的混凝土裂縫防護(hù)、基坑支護(hù)技術(shù)、預(yù)埋件安裝精度控制等問題進(jìn)行全面的歸納與綜述.

1 振動臺基礎(chǔ)設(shè)計

1.1 結(jié)構(gòu)選型

地震模擬振動臺基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)形式可分為：實體式基礎(chǔ)、樁基與基礎(chǔ)組合式基礎(chǔ)、帶隔震溝的實體式基礎(chǔ)、水平和垂直分離式基礎(chǔ)、反力底板與基礎(chǔ)組合式基礎(chǔ)和懸浮式基礎(chǔ)等[7-12].實體基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)形式簡單，剛度和質(zhì)量較大，可近似認(rèn)為是剛體，此類基礎(chǔ)的應(yīng)用最為廣泛，如2013年防災(zāi)科技學(xué)院建造的振動臺就采用該基礎(chǔ)形式，通過動力特性計算和測試可知，該振動臺基礎(chǔ)表面三向最大振動加速度為6g，而在國際標(biāo)準(zhǔn)中認(rèn)為距離基礎(chǔ)邊緣處10 m為測量范圍，振動加速度有效值需小于10g，故該振動臺基礎(chǔ)滿足實際使用需求[1].當(dāng)建造振動臺的試驗大廳土質(zhì)較差，天然地基無法滿足承載力和變形要求時，應(yīng)考慮在實體基礎(chǔ)上增加樁基.樁基可以穿過處于軟塑、流塑狀態(tài)的黏性軟弱土層，將荷載傳遞到更硬、更密實或壓縮性更小的持力層上，以降低振動傳播和地基沉降.設(shè)計樁基礎(chǔ)時，應(yīng)對其進(jìn)行承載能力和變形驗算，需注意的問題包括群樁效應(yīng)、持力層土體承載能力和樁的抗裂驗算等[12].河海大學(xué)三向六自由度水下振動臺基礎(chǔ)尺寸為15 m×16 m×6.9 m，為了增加天然地基的承載能力，采用大體積混凝土基礎(chǔ)與樁基組合的形式，基礎(chǔ)底部打入25根直徑0.9 m的混凝土樁，并將基礎(chǔ)主體與油源間相連接，增大反力基礎(chǔ)質(zhì)量，進(jìn)一步保證自身控制性能，如圖1[13]所示.通過測試分析可知，各個方向的振動加速度有效值均小于10g，隔振效果符合要求[12].對于大型地震模擬振動臺，為了解決其基礎(chǔ)振動較大的問題，可在周圍設(shè)置隔振溝，隔振效果一般與寬度無關(guān)，隨深度增加而提升，深度常取0.6倍波長[14].帶隔振溝的實體式基礎(chǔ)可以有效減弱低頻振動向遠(yuǎn)處傳播的作用，降低振動對周圍人員及建筑物的影響.西南交通大學(xué)8 m×10 m地震模擬振動臺因場地條件限制，隔振溝深度無法達(dá)到預(yù)設(shè)要求，進(jìn)行基礎(chǔ)振動影響測試及振動衰減規(guī)律分析后得出結(jié)論，振動加速度有效值不會高于6.6g，不對周圍環(huán)境造成振動污染[4].水平和垂直分離型基礎(chǔ)適用于主要做水平運(yùn)動的振動臺，由于水平激振力作用線與基礎(chǔ)重心重合，減小了因偏心導(dǎo)致過大的傾覆力矩，從而降低基礎(chǔ)振動[15].當(dāng)擬建振動臺所在實驗室具有擬動力、擬靜力試驗地板時，可考慮通過合理的布局，將振動臺基礎(chǔ)與地板相結(jié)合，這樣不僅可以達(dá)到減小基礎(chǔ)振動的目的，還可以一定程度減少造價.東南大學(xué)自行組裝的4 m×6 m單向地震模擬振動臺就是將實驗室的整個地板作為振動臺基礎(chǔ)，有成本低、性能好的優(yōu)點[16].懸浮式基礎(chǔ)分為內(nèi)基礎(chǔ)和外基礎(chǔ)兩部分，振動臺被內(nèi)基礎(chǔ)承托著，外基礎(chǔ)直接與地基相連，內(nèi)外基礎(chǔ)之間通常采用隔震減震裝置連接，如橡膠墊、空氣彈簧等.這種基礎(chǔ)的優(yōu)點在于振動可被隔震裝置有效地消耗掉，但是占地面積較大，造價、維護(hù)費(fèi)用較高，目前尚未被推廣[10].此外，還有一些基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式較為獨特的振動臺，如意大利建造的EU Center大型單自由度振動臺，臺面尺寸4 m×7 m，質(zhì)量32.68 t[17].為了適當(dāng)分布執(zhí)行機(jī)構(gòu)帶來的巨大應(yīng)力，在振動臺基礎(chǔ)內(nèi)部增設(shè)若干蜂巢狀鋼隔膜板網(wǎng)絡(luò)，如圖2所示，所有內(nèi)部鋼板均穿孔，穿孔直徑從90 mm到200 mm不等，避免由于機(jī)械噪聲而產(chǎn)生的同向振動[18].

圖1 河海大學(xué)水下振動臺[13]

圖2 EU Center振動臺內(nèi)部結(jié)構(gòu)[17-18]

振動臺基礎(chǔ)的幾何形狀一般為規(guī)則的對稱結(jié)構(gòu)，為了避免基礎(chǔ)自身產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)，基礎(chǔ)的主軸方向應(yīng)與振動臺臺面主軸一致，基礎(chǔ)的質(zhì)心應(yīng)與振動臺臺面中心重合，這也稱為“形心對中原則”和“質(zhì)量矩平衡原則”[7].當(dāng)振動臺各方向最大負(fù)載不相同或建設(shè)場地受到限制時，可以采用較為復(fù)雜的基礎(chǔ)形狀.例如，受實驗室預(yù)留空間限制，同濟(jì)大學(xué)4 m×4 m地震模擬振動臺基礎(chǔ)采用T型的淺埋式基礎(chǔ)，如圖3所示.基礎(chǔ)外殼質(zhì)量為289 t，東側(cè)為質(zhì)量467 t的抗側(cè)力臺，為了防止在振動過程中出現(xiàn)偏心的情況，設(shè)計者在西側(cè)放置了平衡質(zhì)量塊，這樣即可同時解決最大質(zhì)量比和振動臺偏心的問題[19].福州大學(xué)振動臺三臺陣系統(tǒng)反力基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)形式如圖4所示，為了使重心盡量與力作用線重合，設(shè)計者在基礎(chǔ)中部凸出了一塊7.5 m×1.0 m的矩形質(zhì)量塊[20-21].

因此，在對振動臺基礎(chǔ)設(shè)計選型時首先應(yīng)考慮場地條件，對基礎(chǔ)尺寸進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，防止實際施工時出現(xiàn)空間不足的情況；其次要滿足形心對中原則和質(zhì)量矩平衡原則，不允許在振動試驗中出現(xiàn)偏心的情況；最后要盡可能避免振動臺試驗時對周圍建筑物和人員造成不利影響，對于大型地震模擬振動臺，需采取相應(yīng)措施(如設(shè)置隔振溝、調(diào)整基礎(chǔ)質(zhì)量比)以減小振動影響.

1.2 關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)

地震模擬振動臺在設(shè)計時應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度、穩(wěn)定性和耐久性.其使用性能主要受到基礎(chǔ)的固有屬性和外在因素的影響.基礎(chǔ)固有屬性主要包括基礎(chǔ)的質(zhì)量、剛度、阻尼比和等效半徑；外在因素主要包括地基土的剛度、阻尼比、基礎(chǔ)埋深等.這些技術(shù)參數(shù)的合理選擇，對振動臺基礎(chǔ)的振動幅度和振動臺臺體的波形失真度具有關(guān)鍵性影響.

基礎(chǔ)質(zhì)量是影響地震模擬振動臺控制性能的核心參數(shù).有學(xué)者提出，振動臺基礎(chǔ)質(zhì)量不應(yīng)小于50倍的振動臺臺面和試件總質(zhì)量，以滿足振動控制要求[22]；還有學(xué)者認(rèn)為基礎(chǔ)質(zhì)量宜取振動臺系統(tǒng)可動部分質(zhì)量的10～20倍[23].目前世界上尺寸最大、負(fù)載最強(qiáng)的地震模擬振動臺E-Defense在水平X和Y方向上的推力為2 300 t，垂直Z方向上的推力為8 200 t，為了確保其性能，基礎(chǔ)質(zhì)量必須達(dá)到200 000 t左右[24].但是，無意義地增大基礎(chǔ)質(zhì)量對于地震模擬振動臺的性能是沒有幫助的.

圖5 NEES-UCSD大型高性能室外振動臺基礎(chǔ)形式[28]

地震模擬振動臺基礎(chǔ)剛度和阻尼對基礎(chǔ)振幅有重要影響.王亞勇[29]提出當(dāng)基礎(chǔ)處于共振前和共振時情況下，增大基礎(chǔ)剛度和阻尼可以有效降低基礎(chǔ)振幅，只有在共振反應(yīng)發(fā)生后，基礎(chǔ)質(zhì)量才起到?jīng)Q定性作用，地震模擬振動臺適宜采用輕而剛的基礎(chǔ)形式.張自平等[30]通過質(zhì)量-彈簧-阻尼模型，對某振動臺基礎(chǔ)進(jìn)行了動力分析計算，表示基礎(chǔ)設(shè)計應(yīng)當(dāng)充分提高基礎(chǔ)剛度，以改善振動臺低頻特性.潘景龍[23]認(rèn)為基礎(chǔ)在共振區(qū)的振幅很大程度取決于基礎(chǔ)阻尼，形式淺而大的基礎(chǔ)將有利于增大幾何阻尼.

此外，為保證地震模擬振動臺的頻率特性，減少對周圍建筑物和設(shè)備的影響，對地基土的剛度和阻尼比等參數(shù)的設(shè)計同樣應(yīng)給予足夠的重視.加州伯克利大學(xué)分校對其地震模擬振動臺基礎(chǔ)研究表明，振動臺20 Hz以上的較高頻激振力主要由基礎(chǔ)的質(zhì)量起作用，地基土起到抵抗低頻段激振力的主要作用[31].即振動臺在高頻段工作時，基礎(chǔ)質(zhì)量對于振動影響起決定性作用；在低頻段工作時，地基剛度和阻尼比是降低振動幅值的關(guān)鍵[30].我國研究人員通過對不同地震模擬振動臺基礎(chǔ)進(jìn)行模擬仿真后得出結(jié)論，隨著地基土的剛度和阻尼比的增大，基礎(chǔ)振幅迅速減小[24]，并且振動臺基礎(chǔ)動力響應(yīng)與地基剪切模量呈線性關(guān)系[10].

在對日本國立防災(zāi)中心15 m×15 m地震模擬振動臺研究中，日本學(xué)者田治見宏表示基礎(chǔ)振幅與臺面振幅之比大于臺面負(fù)載與基礎(chǔ)質(zhì)量之比時，基礎(chǔ)振動將影響振動臺性能[29,32].我國研究者根據(jù)理論研究和實測結(jié)果，提出距離動力基礎(chǔ)中心rj(m)處地面的豎向(水平)振幅[33]計算公式

(1)

表1 工作人員的容許振動值[31]

1.3 分析與設(shè)計方法

典型的地震模擬振動臺動力分析理論有2種，分別為質(zhì)量-彈簧-阻尼理論和彈性半空間理論.二者均采用集總參數(shù)體系[35].集總參數(shù)體系的核心思想是將阻礙基礎(chǔ)振動的地基土反力等效為基礎(chǔ)6個自由度上的彈簧-阻尼器系統(tǒng)[9]，其目標(biāo)在于確定等效彈簧-阻尼器系統(tǒng)中的剛度、阻尼等參數(shù).基于這2個理論發(fā)展了若干種動力基礎(chǔ)計算方法，其中包括我國《動力機(jī)器基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》(GB50040—96)(以下簡稱《動規(guī)》)[31]中提到的方法、美國《基礎(chǔ)工程手冊》(以下簡稱《手冊》)[36]中的方法以及Lysmer比擬法[37].

質(zhì)量-彈簧-阻尼模式又稱為理想集總參數(shù)模式，以振動理論為基礎(chǔ)，基于質(zhì)量-彈簧模式發(fā)展而來的.日本清水建筑研究所山原浩首先提出質(zhì)量-彈簧-阻尼模式，假定基礎(chǔ)視為有質(zhì)量的剛體，地基視為空間6個自由度上的無質(zhì)量的彈簧，并且忽略參土的質(zhì)量，地基土的阻滯作用視為阻尼器的阻尼[9].在該模式下，地基土的剛度和阻尼均可以看成通過經(jīng)驗或試驗來確定的常數(shù).質(zhì)量-彈簧-阻尼模式具有方便、簡單、直觀及實用等特點，目前《動規(guī)》方法[33]就是采用此計算模式.

彈性半空間模式又稱為等效集總參數(shù)模式，最初由Lamb提出[38].它假定地基土體為勻質(zhì)、各向同性、線性變形的彈性半無限體[39]，剛性基礎(chǔ)放置在彈性板空間體的表面，通過彈性波動理論進(jìn)行分析.該理論認(rèn)為：在所有情況下基礎(chǔ)的剛度和阻尼均可通過地基土的剪切模量、泊松比和剪切波速進(jìn)行計算[40].彈性半空間理論在數(shù)理上是嚴(yán)密的，精度上高于質(zhì)彈阻理論，可適用于各種類型的地基和各種形狀的基礎(chǔ)，且該理論所提出的“質(zhì)量附加系數(shù)”以及“慣性阻抗”的概念澄清了關(guān)于“同位相質(zhì)量”和“參振質(zhì)量”的爭論[40].《手冊》方法[36]以及Lysmer比擬法[37]均采用彈性半空間理論為基礎(chǔ).

《動規(guī)》中規(guī)定了明置基礎(chǔ)地基剛度和阻尼比計算方法[30].對于埋置基礎(chǔ)，地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值小于350 kPa，且基礎(chǔ)四周回填土與地基土的密度比不小于0.85時，其豎向靜剛度可乘以提高系數(shù)?z，水平向、搖擺向和扭轉(zhuǎn)向靜剛度可分別乘以提高系數(shù)?xφ[33]，計算公式分別為

?z=(1+0.4δb)2

(2)

?xφ=(1+1.2δb)2

(3)

(4)

式中：δb為基礎(chǔ)埋深比，當(dāng)δb>0.6時，取0.6；ht為基礎(chǔ)埋置深度.埋置基礎(chǔ)的天然地基阻尼比，為明置基礎(chǔ)的阻尼比分別乘以基礎(chǔ)埋深作用對于豎向阻尼比的提高系數(shù)βz、地基水平搖擺向和扭轉(zhuǎn)向阻尼比提高系數(shù)βxφ[33]，計算公式分別為

βz=1+δb

(5)

βxφ=1+2δb

(6)

《手冊》中給出不同情況下地基剛度和阻尼系數(shù)隨無因次頻率項a0的變化曲線，可讓動力基礎(chǔ)設(shè)計者根據(jù)不同基礎(chǔ)形式、不同地基土層剖面以及不同的埋置情況合理選擇和設(shè)計.該方法將阻尼分成了2個部分，分別為內(nèi)部阻尼和輻射阻尼.內(nèi)部阻尼用來描述土介質(zhì)在發(fā)生振動變形時的內(nèi)摩擦損失，輻射阻尼系數(shù)用于描述向無限地基域中能量的消散[40].

Lysmer比擬法實際上是一種參數(shù)抽換法，將復(fù)雜的半空間問題轉(zhuǎn)化為簡單的質(zhì)量-彈簧-阻尼問題來計算.對變參數(shù)等效集總方法的3個主參數(shù)m(或I)、C和K采用“兩定一選”原則，即通過定m(或I)和K以選C，得到的最終動力反應(yīng)曲線與真實反應(yīng)大體相吻合[37].與變參數(shù)等效集總法不同，定參數(shù)等效集總體系對理想集總的一切方法全部適用，從這個意義上來說，它是一種實用性的近似方法[37].但是由于比擬法采用“兩定一選”，因此僅有一個C可供調(diào)節(jié)，沒有充分的回旋余地，所以在與半空間理論的擬合效果上不免要差一些，文獻(xiàn)[36]提供了明置、埋置基礎(chǔ)不同形式地基的剛度、阻尼比計算方法.

以上3種均為動力機(jī)器基礎(chǔ)設(shè)計方法，但是對于大尺寸、大推力、高頻寬的地震模擬振動臺基礎(chǔ)是否依舊適用，一些學(xué)者做了相關(guān)研究.尹謙鈞等[35]以某6 m×6 m地震模擬振動臺作為實例，運(yùn)用上述3種方法進(jìn)行了基礎(chǔ)動力分析，并表示如果按照共振區(qū)最大動力反應(yīng)設(shè)計振動臺基礎(chǔ)，《動規(guī)》方法計算結(jié)果比實測值偏大，比擬法偏小，《手冊》方法中提出的變參數(shù)剛度和阻尼曲線，可以更加理想地描述真實動力反應(yīng)；方子明[20]同樣利用3種方法對福州大學(xué)地震模擬振動臺三臺陣系統(tǒng)進(jìn)行動力反應(yīng)計算，并利用有限元模擬和試驗測試進(jìn)行結(jié)果驗證，研究表明：1)《動規(guī)》方法計算的固有頻率和水平位移最小，Lysmer比擬法最大，《手冊》方法處于兩者之間；2)《動規(guī)》方法所得結(jié)果與有限元分析模擬和試驗測試結(jié)果最接近.王磊[10]對蘇州科技學(xué)院6 m×8 m振動臺基礎(chǔ)分別采用《動規(guī)》方法和Lysmer比擬法進(jìn)行動力響應(yīng)分析，結(jié)果顯示《動規(guī)》方法計算出的地基剛度值偏大，阻尼比偏小，加速度幅值偏大.

結(jié)合3種振動臺基礎(chǔ)動力計算方法的比較以及前人研究成果的分析，可以得知這些方法均適用于地震模擬振動臺基礎(chǔ)的動力分析與設(shè)計.Lysmer比擬法安全系數(shù)相對較低，《手冊》方法比較接近真實動力反應(yīng)，《動規(guī)》方法更加保守和安全，設(shè)計時，可按實際情況進(jìn)行方案選擇.

2 振動臺基礎(chǔ)建造

2.1 基坑支護(hù)技術(shù)

一些地震模擬振動臺基礎(chǔ)基坑的深度可達(dá)4～10 m，應(yīng)屬于深基坑的范疇，其支護(hù)結(jié)構(gòu)對整個施工過程的安全性起著重要作用[41].基坑支護(hù)可以平衡地基土的側(cè)壓力，使基坑周邊邊坡保持穩(wěn)定，達(dá)到保證基坑開挖及基礎(chǔ)施工過程安全的目的[1].在進(jìn)行基坑工程設(shè)計時，應(yīng)遵循“安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理、技術(shù)可行”的原則[42].目前常見的基坑支護(hù)形式主要有放坡開挖及簡易支護(hù)、加固邊坡土體形成自立式支護(hù)結(jié)構(gòu)(如土釘墻)、擋墻式支護(hù)結(jié)構(gòu)(如地下連續(xù)墻支護(hù))以及其他一些支護(hù)結(jié)構(gòu)(如門架式支護(hù))等[42].

放坡是指在一定的地址、場地條件下，采用合理的基坑邊坡坡度，使基坑開挖后的土體在沒有支擋的情況下，依靠自身強(qiáng)度，在新的平衡狀態(tài)下保持基坑邊坡的溫度.它涉及到的主要施工措施為土方開挖，通常易于組織實施.放坡開挖工程施工首先應(yīng)確定開挖的坡度，并對基坑開挖各階段的土坡穩(wěn)定性進(jìn)行驗算，確定地面及基坑的排水組織，確定土坡面的防護(hù)方法及土方開挖程序等工作[42].鄒榮[43]針對某4 m×4 m單向地震模擬振動臺進(jìn)行深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計，該振動臺基礎(chǔ)為實體式基礎(chǔ)，基礎(chǔ)底面積125 m2，高度5.13 m，因此基坑深度至少為5.13 m.由于環(huán)境的限制，基坑坡面為垂直坡面，結(jié)合地下水文特性和場地的因素，最終選擇采用放坡開挖為主，輔以噴錨網(wǎng)加固的支護(hù)形式，噴錨網(wǎng)主要用于提高邊坡表層土體的穩(wěn)定性.基坑開挖后，要特別注意集水井中的積水，防止造成坑外土體的流變.

土釘墻由被加固土體、土釘和混凝土面板組成，形成一個類似重力式擋土墻的實體，以抵抗墻厚傳來的土壓力，從而使開挖坡面穩(wěn)定.土釘墻支護(hù)結(jié)構(gòu)適用于地下水位以上或經(jīng)人工降水后的人工填土、弱膠結(jié)砂和黏性土的基坑或邊坡支護(hù).具有柔性大、抗震性好、施工設(shè)備簡單及不占用場地等優(yōu)點[42].

地下連續(xù)墻支護(hù)結(jié)構(gòu)造價昂貴，一般運(yùn)用在深度大、土質(zhì)差、場地空間有限、對防水抗?jié)B有一定要求的基坑類型.張德武[7]對某4 m×4 m三維六自由度振動臺支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行選型設(shè)計，該振動臺基坑占地面積162.5 m2，高度7.55 m，場地狹隘，且地面到持力層頂之間經(jīng)過黃土層，該層具有中等濕陷性.綜上情況考慮，選擇了地下連續(xù)墻的支護(hù)形式，該支護(hù)形式具有剛度大、強(qiáng)度高、耐久性和抗?jié)B性能好等優(yōu)點.馬平舟[44]對蘇州科技大學(xué)振動臺基礎(chǔ)深基坑工程進(jìn)行了研究，該振動臺基坑同樣采用地下連續(xù)墻支護(hù)結(jié)構(gòu).使用支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件進(jìn)行了設(shè)計及對比選型，并通過有限元數(shù)值模擬分析，研究了不同設(shè)計參數(shù)對支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響.得出結(jié)論：1)基坑開挖過程中，為了減少地下連續(xù)墻的水平位移，改變連續(xù)墻體的受彎形式，可加入水平支撐；2)增加支撐個數(shù)可減小支護(hù)結(jié)構(gòu)的最大水平位移、最大彎矩值和地表沉降量；3)墻體剛度隨地下連續(xù)墻厚度的減小而降低，最大水平位移和地表沉降量隨連續(xù)墻厚度的減小而提升.

2.2 大體積混凝土裂縫防治

為了減輕基礎(chǔ)動力響應(yīng)和保證振動臺系統(tǒng)的波形控制性能，地震模擬振動臺的基礎(chǔ)往往采用的是大體積重質(zhì)量的混凝土基礎(chǔ).大體積混凝土施工階段由于存在溫度梯度產(chǎn)生溫度內(nèi)應(yīng)力的問題[45]，容易產(chǎn)生裂縫影響基礎(chǔ)實際剛度，因此裂縫控制技術(shù)在振動臺基礎(chǔ)建造過程中尤為重要.

防裂縫首先要從混凝土原材料選擇上把關(guān)，一方面可以通過選用低水化熱水泥和摻合料降低絕熱溫升，另一方面可以通過采用良好的顆粒級配提高混凝土強(qiáng)度[46-47].日本E-Defense大型三向六自由度地震模擬振動臺為了控制溫度裂縫，保證基礎(chǔ)的整體性，采用低熱硅酸鹽水泥、低含水量的骨料，并添加石灰石粉以補(bǔ)償由于單位水泥含量降低造成和易性的損失.在夏季施工時，由于溫度常常達(dá)到40 ℃左右，施工人員使用了幾種不同類型的減水劑和引氣劑以保證混凝土塊間接縫的完整性[24,48-49].位于北京通州區(qū)由中國科學(xué)研究院新工程抗震試驗室引進(jìn)的6 m×6 m三向六自由度振動臺，采用了PS32.5礦渣水泥，并摻入一定比例的外加劑和粉煤灰，以降低水化熱并提高和易性.同時減少10%左右的拌和水，節(jié)約水泥用量，推遲水化熱釋放的速度[50].

此外，合理的施工措施，也是保證大體積混凝裂縫開展的重要因素.西安建筑科技大學(xué)三向六自由度振動臺基礎(chǔ)底面積19 m×17 m，厚度6 m.根據(jù)振動臺的實際情況，采用分層澆筑、分層搗實的施工工藝.為了提高混凝土的整體性，對上下層混凝土澆筑時應(yīng)進(jìn)行如下處理：1)放置豎向鋼筋于正在澆筑的下層混凝土中，使得上下層混凝土銜接更牢固；2)下層混凝土澆筑完成時，在初凝前進(jìn)行搓毛處理，增大接觸面粗糙程度，利于上下層混凝土緊密結(jié)合.溫度控制措施主要包括：1)采用地下水拌制混凝土，降低混凝土拌和物的溫度；2)在基礎(chǔ)突變和轉(zhuǎn)折處、空洞轉(zhuǎn)角及周邊增加斜向構(gòu)造鋼筋，以改變應(yīng)力集中，增強(qiáng)抵抗溫度應(yīng)力的能力；3)采用表面隔熱保護(hù)的方法，以防表面失水，降溫過大，起到了減少內(nèi)外溫差并防止混凝土出現(xiàn)裂縫的作用；4)在基礎(chǔ)混凝土內(nèi)部布置循環(huán)冷卻水管[51-52].蘇州科技學(xué)院三向六自由度地震模擬振動臺，利用ANSYS有限元軟件進(jìn)行仿真分析，研究增加冷卻水管、分層澆筑及配置鋼筋作用等情況下振動臺基礎(chǔ)的溫度場與應(yīng)力場的分布和變化情況，得到如下結(jié)論：1)冷卻水管應(yīng)不至于振動臺基礎(chǔ)的不同位置處，可減小基礎(chǔ)內(nèi)部的溫度峰值，使內(nèi)部溫度的分布比較趨近；在基礎(chǔ)合適位置增加冷卻水管可以有效降低內(nèi)部的溫度的峰值，并均勻分布混凝土內(nèi)部溫度.2)采用分層澆筑的施工方法可以降低基礎(chǔ)內(nèi)部溫度峰值以及結(jié)構(gòu)的最高溫度.3)降溫期間，結(jié)構(gòu)的溫度應(yīng)力隨基礎(chǔ)的配筋率增加而減小，抗裂性能隨配筋率的增加而提升[53].

2.3 預(yù)埋件安裝精度控制

預(yù)埋件即結(jié)構(gòu)澆筑時預(yù)先安裝在隱蔽工程內(nèi)的構(gòu)件，用來連接上部結(jié)構(gòu).預(yù)埋件的構(gòu)造應(yīng)根據(jù)其受力性能和施工條件確定，盡量做到構(gòu)造簡單、傳力直接、易于施工和保證質(zhì)量.在地震模擬振動臺基礎(chǔ)施工過程中，由于混凝土截面大，配筋基礎(chǔ)內(nèi)預(yù)埋件眾多，功能各異，并且對精度要求很高，因此需要對其安裝方法進(jìn)行研究分析.

同濟(jì)大學(xué)4 m×4 m地震模擬振動臺基礎(chǔ)中有12個預(yù)埋件，每個預(yù)埋件由面板、底板和螺桿構(gòu)成，安裝誤差精度要求小于1 mm.為了多次測設(shè)它們的位置，需要建立高程控制網(wǎng).施工人員在工地上設(shè)置了一個水準(zhǔn)點，該水準(zhǔn)點位于所有預(yù)埋件所在的軸線上，從它出發(fā)放樣所有預(yù)埋件的高程.放樣過程中用到了一種可以精確微調(diào)的強(qiáng)制對中裝置，用于精密測量.最后提出幾個施工過程中的關(guān)鍵點：1)要避免望遠(yuǎn)鏡調(diào)焦誤差對側(cè)角結(jié)果的影響；2)精密側(cè)角時宜采用圓柱形目標(biāo)而不是覘牌，因為覘牌很難保證對中精度[54].福州大學(xué)的地震模擬振動臺三臺陣系統(tǒng)，基礎(chǔ)的長×寬×高分別為30 m×9.8 m×5.3 m，該振動臺基礎(chǔ)具有很高預(yù)埋件加工、安裝及定位精度要求.振動臺基礎(chǔ)內(nèi)部的預(yù)埋件主要可分成2類：第1類主要負(fù)責(zé)支承和定位，需要完全埋入混凝土內(nèi)部；第2類上部連接設(shè)備底座，下部同樣埋入混凝土內(nèi)部，并與第1類預(yù)埋件相連接.為了防止混凝土澆筑過程中預(yù)埋件的變形或變位，對于第1類的預(yù)埋件，設(shè)置了精度較高的找平鋼板并按實際位置精確定位，再將預(yù)埋支架等構(gòu)件定位安裝在找平底板上.對于第2類的預(yù)埋件，因為是直接與振動臺執(zhí)行器等設(shè)備連接的，精度要求更高，故設(shè)計了一種三維調(diào)節(jié)裝置，根據(jù)螺栓方向的改變，完成對預(yù)埋件的三維微調(diào)[20-21].

3 結(jié)論

通過對地震模擬振動臺設(shè)計與建造技術(shù)的歸納總結(jié)和分析，得出主要結(jié)論如下：

1)振動臺基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)選型應(yīng)充分考慮場地條件和基礎(chǔ)尺寸的影響，滿足形心對中原則和質(zhì)量矩平衡原則，對于大型地震模擬振動臺，應(yīng)適當(dāng)增加基礎(chǔ)質(zhì)量以盡可能避免振動臺試驗時對周圍建筑物和人員造成不利影響.

2)單純增大振動臺基礎(chǔ)質(zhì)量可能無法達(dá)到理想的減振效果，應(yīng)綜合考慮基礎(chǔ)的幾何形狀、基礎(chǔ)和地基的剛度和阻尼等因參數(shù)確定振動臺基礎(chǔ)的合理尺寸.

3)《動規(guī)》《手冊》中給出的方法以及Lysmer比擬法均適用于常規(guī)振動臺基礎(chǔ)動力分析，《手冊》方法比較接近真實動力反應(yīng)，《動規(guī)》方法更加保守和安全.

4)振動臺基礎(chǔ)施工過程中，應(yīng)采取合適的原材料和合理的施工措施防控混凝土溫度裂縫；此外，需根據(jù)工程特點和不同支護(hù)方式的適用性選擇合適的基坑支護(hù)方式；對于振動臺預(yù)埋件的定位精度，應(yīng)通過科學(xué)的測量和合理的微調(diào)裝置予以控制.