多功能振动台——地震中的一杆秤

　　伴随着机器的启动声，六层基准钢结构模型开始振动。从上往下看，模型上方的“基准框架模型振动台试验”红色横幅正在有节律地发生抖动，而在5米×5米的多功能振动台底部，肉眼清晰可见呈现XY双向振动。

　　12月23日，在北京建筑大学大型多功能振动台阵实验室现场，建成的首台振动台正在进行基准模型的振动试验演示，模拟人类历史上最早收集到的地震波——埃尔森特罗地震波所产生的振动。倘若把模型换成1：10、1：20缩小的房屋、桥梁、地铁、管廊等，再现地震发生的情况，就能知晓建筑物的抗震安全是否合格。

　　未来地震趋势依然严峻，建设大震下永远不倒的建筑物，是在场所有观众乃至人类对美好生活的共同希望所在。

　　台阵中总承载力、台面总面积最大

　　汶川地震时，众多房屋瞬间倒塌；日本311大地震，福岛核电站损毁……也许生活中难遇如此多天灾，但却与号称“生命线工程”的道路、桥梁、地铁、管廊等息息相关。它们一旦产生破坏，城市可能陷入瘫痪。如何保障生命线工程的安全？

　　科学家们想到了利用振动台，再现地震发生时的实际情况。它就像地震中的一杆秤，提前掂量着建筑物的安全。

　　制作一个理想的振动台，从来都是科研界孜孜以求的目标。同济大学、中南大学、美国纽约州立大学等国内外知名院校研发的振动台阵，可谓各有千秋。

　　“与国内外现有振动台阵相比，我们的大型多功能振动台阵的总承载力最大、台面总面积最大。”北京建筑大学土木学院结构实验室主任张国伟说。

　　据悉，每台台面尺寸5米×5米，单台载重60吨，频率范围0.1-100赫兹，水平最大加速度1.5米/秒，垂直最大加速度1.2米/秒，可以在满载情况下模拟大震下结构的性能。

　　北京建筑大学土木学院院长戚承志解释，“大”所体现的比较优势在于实验能力提升。模型压缩得越小，和实际情况的误差越大；模型制作得越大，和实际情况的误差越小。

　　除了振动台，实验室建设的L形大型反力墙的高度也突破了其他高校同类墙面高度的上限，可以为6层楼高的足尺结构模型提供抗震试验研究；实验室的屋顶采用天窗设计，在开启状态下能够满足超过30米的超高振动台模型的实验需求。

　　误差仅允许正负1毫米

　　听过年初大卡车进出校园车轮声的北建大师生，大概都会对大型多功能振动台阵实验室有印象。经过昼夜连续37个小时的紧张奋战，振动台基础第二次混凝土浇筑完成。在此前3个月，他们经历了53小时的第一次“大混战”。

　　“振动台的基础是大体积混凝土，我们对基础的精度要求特别高。”张国伟回忆，当时厂家给振动台建设执行组提出要求，轨道长达50米，误差仅允许±1毫米；8根导轨之间的相对误差也仅允许±1毫米。这样的要求，就连土建专家都说“很难实现”。

　　经过多次专家论证，他们最终确定了首要保证导轨表面的加工精度。“我们选择了有高铁施工经验的厂家生产导轨，每根7至9米的导轨，表面的精度误差是0.1毫米。在施工中设计了多种支架的加固和调整措施，保证导轨的支架更稳固，使得浇筑时导轨不会产生变形。”回忆起施工过程，张国伟历历在目。

　　在北京建筑大学2260㎡的实验室大厅内，偌大的场地，一台振动台阵显得有些寂寥。实际上，未来他们计划再建3台同样的振动台。

　　戚承志指出，4个台阵的协同工作或非同步的振动激励，对设备制造商来说也是一项挑战。频率越大，对设备的损坏越大，对所需材料、制造工艺、设备指标要求也更高。

　　“四手联弹”破复杂结构实验难题

　　四台多功能振动台“四手联弹”是怎样一个盛景？

　　北京建筑大学土木学院副院长龙佩恒和振动台建设执行组成员都曾畅想过，“可以单独控制，也可以双台、三台或四台组成台阵系统联动，像城市分叉曲线桥梁、大跨桥梁、大跨空间结构、高层建筑结构、城市地下综合管廊、地铁车站模型等复杂结构的实验，都可以在实验室完成”。

　　为实现这一功能，实验室建设了两条长度分别为50米和30米的导轨。四台多功能振动台安置于导轨内，可以在导轨上任意移动，其中还有两台可以跨轨道移动，实现多种形式组合使用。

　　全装配式钢框架振动台试验、古木结构减振耗能机理振动台试验、“华龙一号”核岛厂房隔震结构模型振动台试验……实验室刚刚建设完成，已有不少科研团队表达了尽早在振动台上开展实验研究的意愿。

　　“实验室建成后将是具有国际领先水平大型多功能振动台阵试验基地，既可以服务北京市政建设，又将有效地支撑国家地震科技研究，以及服务‘一带一路’基础设施建设需求。”北京建筑大学副校长李爱群说，实验室除了为土木工程、建筑遗产保护工程，以及机械工程、控制工程、信息工程、现代测绘技术、力学等多学科的科学研究服务，还将覆盖北建大全部理工类专业，对人才培养大有裨益。