[发明专利]一种超重力竖向振动台

说明书

本发明公开了一种超重力竖向振动台。包括基础底板和安装在基础底板上的振动台面、带预载的竖向电液伺服激振系统、台面导向系统和蓄能器；所述台面导向系统包括套筒底座、台面导向轴、台面导向轴轴承，振动台面的底部固定设有台面导向轴，台面导向轴通过台面导向轴轴承套装在套筒底座，套筒底座底部固定于基础底板上。本发明保证离心机在静止或低速旋转过程中作动杆上的压力，以防止在离心机转速较低时无法跟随其振动而运动失效；实现超重力下竖向激振，分离静态和动态系统，极大降低了超重力方向的振动激励难度，提高了超重力竖向地震动模拟的控制精度。

技术领域

本发明属于离心机超重力实验领域的一种超重力模拟振动装置，尤其是涉及了一种超重力竖向振动台。

背景技术

土工建构筑物(高坝、高陡边坡、软弱地基、地铁车站、隧道、地下综合管廊、城市建筑群、核电站等)的抗震性能模拟是非常重要的一种土工物理模拟试验。为减少震害、研究土工建构筑物的抗震性能，通常会采用振动台来进行振动台试验，也就是将缩小尺寸的土工建构筑物模型放置在振动台上，然后输入一定的振动波形，观测该振动工况下土工建构筑物的地震响应，从而反推真实土工建构筑物的抗震性能。振动台试验分为常重力和超重力两种，也就是分为1g振动台试验和超重力离心机振动台试验。其中，1g表示常重力。

1g振动台因为更多的注意了面积而不是深度就存在比较大的缺陷，土体自重应力不正确，因而不能真实反映场地在地震动下的响应问题，隧道、核电站、高坝等的真实抗震特性也无法反映出来。常重力振动台通常是大型振动台(振动台台面尺寸比较大)，不使用离心机。

超重力离心机试验是通过离心机进行的一种模拟试验，将缩小尺寸的土工模型置于高速旋转的离心机中，让模型承受大于重力加速度的作用，补偿因模型缩尺带来的土工构筑物的自重损失。基于离心机提供的超重力场环境，振动台模型试验可以产生与原型相同的自重应力，真实反应原型在自然条件下的动力响应，再现地震作用下的土工结构变形与破坏机理。利用超重力的缩尺缩时效应，在离心机上搭载振动台可以模拟大尺度场地的动力响应，超重力动力实验研究将岩土地震工程推向新高峰。超重力离心试验所具备的优点是：可正确模拟岩土体应力随深度的变化；可实现土的选择、应力历史的设计、加载系统可控；费用和时间相对较省；可实时观测变形和破坏机理。目前，利用超重力单向振动台已经获取了水平单向剪切波在自由场地、倾斜场地和边坡中的放大规律，以及堤坝、边坡、挡土墙、桩基础等土工构筑物和场地的单向水平地震灾变机理。

但是，当前国际上超重力下的振动台只涉及水平向振动，而竖向振动台只在常重力下涉及。而近年来的大地震都观测到地震动具有显著的多向性，比如2008年汶川地震中什邡八角台站记录到显著的多向地震动，2008年日本Iwate地震中IWTH25地表台站记录的竖向加速度分量达3.8g，远超过水平加速度的峰值，由多向地震动产生的灾害效应非常突出：汶川地震中产生了严重的抛射型滑坡、神户地震中多向振动产生复杂的土-结相互作用引起大开车站柱子压屈破坏、基督城地震中竖向地震动的频率接近场地基频引起场地产生大量的液化。对于竖向地震动演变规律和岩土体致灾效应的研究目前在理论和数值方面均取得显著成果，但是尚未在物理模型试验中进行验证。

在常重力条件下，竖向振动台只需要平衡模型本身在常重力环境下的自重应力，且在施振过程中振动台竖向需要提供的平衡力变化不大，因而常重力竖向振动台可以在竖向采用与水平向相同的驱动方式，因此常重力竖向振动台的液压控制和结构设计难度相对较小。但从常重力装置向超重力装置过渡会产生如下问题：

(1)离心机运行时，水平方向上可动质量往返运动受力状态完全相同，故液压缸的输出力对称，且全部用于提供可动质量加速度；但在竖直方向，可动质量受到数十倍于自重的超重力离心力作用，导致可动质量往返运动受力状况不一致。若竖直方向采用与水平方向相同驱动方式，则液压缸活塞杆受力状况不对称且需要提供额外用于抵消离心力的输出力。为抵消离心机产生的离心力，需要大幅度增加液压缸的输出力。在供油压力不变的情况下，只能通过增大液压缸活塞面积来提高输出力。液压缸流量需求与活塞面积成正比，活塞面积越大，所需伺服阀供油流量越大，而伺服阀的频响特性与流量特性成负相关，进而导致系统高频性能越差。