实验室里的"地震"（1） 2333Raindragon，如有不周还请见谅，如有错误还请斧正 封面图片是我们实验室——同济大学嘉定校区地震工馆的照片，我稍微 PS 了一下，做成我很喜欢的新海诚风格，右上角五个黑字很显眼——地震工程馆。 地震的消息现在太过常见，如果你关注了中国地震台网的微博，就会几乎每天都受到他的推送，当然，都是小震居多。但是，越来越发达的媒体让我们隔三岔五就要面对一次大地震的震撼。2015 年，尼泊尔两次触动了我们，特别是第二次——512，太过巧合的时间唤醒了很多人 7 年前的回忆。而那一年，我在准备高考，入学后的第一个学期，基本上就是被各种老师用他们在汶川的见闻轰炸，让我意识到地震是如何的恐怖，但同时灾难却可以通过工程师的努力被最大化的避免。 图 1 『如果地震没有带来损失，那么地震就和微风一样平常，只是一种自然现象』 事实上，无论结构采用砌体、钢筋混凝土、钢材乃至玻璃、生土，只要合理的设计，谨慎而仔细的施工，周到的维护，都是能保证抵抗各种荷载的。 随着城市的发展，高楼平地起，天堑变通途，地铁不断蜿蜒向前，天然气的管道让我们的天空更蓝，但与此伴生而来的是在各种灾害面前更加巨大的潜在损失，为了降低这些潜在风险，对于地震的研究是很有必要的，和其他所有研究一样，如果没有数据没有记录，一切研究都是扯淡，所以工程实践以及科学理论都离不开试验的基础，地震最特殊的也是最透的地方就在于目前无法像天气预报那样预测地震，所以必须人工模拟地震作用，那我给大家介绍一下我们平时是怎么在实验室里再现地震对结构的影响的。 一个很关键的问题：怎么让结构在实验室里动起来？ 早期对地震的认识里，大家对于地震的直接印象就是【大地在运动】，一旦开始运动就会有加速度，根据牛顿第二定律『F=ma』，大部分结构相比静止状态只受重力（注：严格讲还有很多其他荷载），就多出了一个【水平向的力】,我们称其为『惯性力』 图 2 根据【大地运动】、【水平力（惯性力）】这两个特点，有了两种人工模拟地震作用的思路 （1）我做个结构的模型，把模型放在一个运动的平台上不就可以了吗？ （2）我做个结构模型，给它施加合适的水平力不就可以了吗？ 第一条路走下来就是今天的『地震模拟振动台试验』，第二条路走下来就是『拟静力试验』『拟动力试验』，这次先说说振动台试验吧。 地震模拟振动台试验 这种试验思路容易想到，而且加载时候输入的激励更接近真实地震，比较不足的一点就是结构往往是放置在刚性的平台上，所以地基基础这块并不真实，总的来说已经是目前最接近真实地震的加载方式了。 振动台试验是酱紫滴～我特意找了个破坏比较明显的试验的视频（注：这个试验不是在我们实验室完成的，最后字幕有显示研究单位），现在很多试验并不会产生明显破坏，毕竟我们设计就是为了经受住地震么。 Shaking table of masonry building 视频 1 图 3 这张图就是实验室里一个『振动台（Shaking Table）』，大小是 4m x 6m。这样一个大家伙是用钢板焊成的，所以体重很重，一个质量有 50t 左右，上面放的模型质量可以达到 70t。所以这样一堆东西没有足够力气是没法让他动起来的，这个大家伙动力源就是图片左侧居中位置，有很多管道连接的黑色圆柱体——『作动器（Actuator）』。依靠油泵泵送高压油驱动作动器的活塞杆来回动作，就可以推动这样的大块头了。现在，通过控制以及电子技术的进步，在振动台性能允许范围内，可以很准确的做到让振动台按照预想的各种位移、加速度的时程运动，再现地震时地面运动情况。 图 4 这样的振动台，实验室有四个，所以这是一个『振动台阵』系统，台阵系统的出现为科研人员提供了试验更大模型的可能性。特别是桥梁、隧道、管道等等这样的工程结构，本身就是线型的，在布置成线型的台阵系统上做试验最合适了。这样做还有一个原因，线型的结构和地面不止一个接触点，由于不同接触位置的地面运动情况是不一样的，所以需要多个振动台能够模拟这种每个支撑点运动轨迹不同的『多点激励』状态。 空说没意思，上几张照片看看做实验时候的照片来说明吧~ 图 5 这个试验是名古屋工业大学来我们实验室做的试验，做的是城市高架桥的抗震性能试验，试验模型是名古屋工业的师生从日本带来的。 图 6 图 7 上面有着黄色十字标记的方块都是钢制的质量块，每个质量约两吨。红色标记的部分不是桥梁模型，而是倒塌保护架，防止模型被破坏之后倒塌损坏设备的，同时作为传感器的固定端。桥梁模型部分我用蓝色标记在下面了。这个试验就用到了三个台子，模拟每个桥墩下不同的地面运动。 图 8 这是一个同时用到四台的试验，做的是一个斜拉桥，不过保护架比模型要大，所以模型看着不明显，就是中间放着很多橙色盒子的部分，把他们扣出来看应该就明显了 图 9 图 10 这是一座斜拉桥的模型，大家看到了索，看到了桥塔，可是好像没看到梁，就在那些橙色的铁盒子下面，那些橙色的铁盒子厘米放的都是铅块和钢块，作为配重放在主梁上，所以就看不见主梁了。 图 11 这张上面可以看到同时在做两个试验，左边是一座桥梁，右边是变电站的设备（貌似是电压互感器），这张上面有人，可以比较直观的看出实验室的大小以及模型的大小 图 12 上面这个试验略微不同，把两个振动台合体了（这 TM 是变形金刚么····）拼成一个 10m×6m 的大台然后做试验。 来看看试验时候的视频好了～这个是上面【图 11】左边那座正在施工中的桥和【图 12】里面的 铺前桥 视频 2 来福士广场试验 视频 3 在电液伺服技术发展到这个水平之前，振动台试验并不是这样的，最早期的振动台试验简陋到今天的你难以想想。 他们是这样的，类似火车轮的传动机构来提供振动台的动力。这样的机构缺点显而易见，只能提供周期激励，真实的地震显然不是周期的，这么激励显然是不合适的。然而在那个时代，没有记录地面运动的能力，因此无法准确还原地面运动。所以最后猜来猜去，觉得就用正弦波或者三角波吧，总之就是周期荷载。 图 13 除了偏心轮传动，还有这样的靠着大摆锤来回撞击，今天看起来真是脑洞大开的设计。 图 14 做成这样除了当时的机械工业水平限制之外，还有一个原因就是对于地震本身的了解甚少。直到 1944 年，El-centro 地震，获得了无数工程师熟知的那条 EL-centro 地震记录，人类第一次知道了地面是按照什么规律运动，同时也就知道了原来的模拟哪里不科学，地震工程开始一步步脱离瞎猜与拍脑瓜。 图 15 今天的振动台系统比起上面几个那真是鸟枪换核弹，上面只贴了同济的实验室，再看看其他世界之最级别的实验室吧。 【地点：UCSD（University of California @ San Diego ）】 图 16 图 17 这是 UCSD（University of California @ San Diego ）的振动台,不过他们比较特殊,是个室外的,室外有室外的好处,不用担心模型做的太大室内装不下。不过也带来了另外的问题，日照带来的温度变形和温度应力，圣地亚哥可是日照充足到让人抓狂。这个大家伙是目前世界上承载能力最大的振动台，达到【2100t】，也就是说你可以把一些结构的原型放在上面，而不需要做一个缩小的模型。不过它是单向运动的，美中不足～ 来看两个视频吧，第一个是试验视频，第二个是一个科普性质的，都来自油管，如果能翻墙的朋友可以去油管搜索 [nees @ UCSD ] [UCSD Shaking Table] 这些关键词有更多视频。 这是他们的网址 NEES @ UC San Diego UCSD ShakeTable 145%ElCentro Earthquake 视频 4 Make Buildings Earthquake Safe 视频 5 【地点：日本兵库县 E-Defense】 图 18 图 19 图 20 这是日本兵库县 E-Defense 地震研究中心，他们的振动台是目前最大的三维振动台，也就是能同时在上下、左右、前后三个方向运动，承载能力1200t，所以和上面 UCSD 的一样，可以实现结构原型试验。 E-DefenceTest on Conventional Wooden House 视频 6 下面是娱乐时间，放几张实验室的照片 这张是一个热死人的夏日午后，因为没有空调，实验室里面实在太热了~出来透气时候拍的，阳光实在太好太好。 然后是一张伪鱼眼的照片，是从上往下俯拍实验室全景，正上方是吊车，图片正下方偏左一点是一个正在搞的试验，那是我的毕业论文要的题目～ 最后，一张夜景，祝大家晚安~ 【PS 星空是同一天在另外地点拍摄之后合成的，因为光污染原始星空没那么好看~】 ——————————————— 发自知乎专栏「搬砖日记」 好玩！还想看 (๑•ㅂ•) ✧ 一般般啦，随便逛逛 ˊ_>ˋ
