多功能振動臺——地震中的一桿秤

　　伴隨著機器的啟動聲，六層基準鋼結構模型開始振動。從上往下看，模型上方的“基準框架模型振動臺試驗”紅色橫幅正在有節律地發生抖動，而在5米×5米的多功能振動臺底部，肉眼清晰可見呈現XY雙向振動。

　　12月23日，在北京建筑大學大型多功能振動臺陣實驗室現場，建成的首臺振動臺正在進行基準模型的振動試驗演示，模擬人類歷史上最早收集到的地震波——埃爾森特羅地震波所產生的振動。倘若把模型換成1：10、1：20縮小的房屋、橋梁、地鐵、管廊等，再現地震發生的情況，就能知曉建筑物的抗震安全是否合格。

　　未來地震趨勢依然嚴峻，建設大震下永遠不倒的建筑物，是在場所有觀眾乃至人類對美好生活的共同希望所在。

　　臺陣中總承載力、臺面總面積最大

　　汶川地震時，眾多房屋瞬間倒塌；日本311大地震，福島核電站損毀……也許生活中難遇如此多天災，但卻與號稱“生命線工程”的道路、橋梁、地鐵、管廊等息息相關。它們一旦產生破壞，城市可能陷入癱瘓。如何保障生命線工程的安全？

　　科學家們想到了利用振動臺，再現地震發生時的實際情況。它就像地震中的一桿秤，提前掂量著建筑物的安全。

　　制作一個理想的振動臺，從來都是科研界孜孜以求的目標。同濟大學、中南大學、美國紐約州立大學等國內外知名院校研發的振動臺陣，可謂各有千秋。

　　“與國內外現有振動臺陣相比，我們的大型多功能振動臺陣的總承載力最大、臺面總面積最大。”北京建筑大學土木學院結構實驗室主任張國偉說。

　　據悉，每臺臺面尺寸5米×5米，單臺載重60噸，頻率范圍0.1-100赫茲，水平最大加速度1.5米/秒，垂直最大加速度1.2米/秒，可以在滿載情況下模擬大震下結構的性能。

　　北京建筑大學土木學院院長戚承志解釋，“大”所體現的比較優勢在于實驗能力提升。模型壓縮得越小，和實際情況的誤差越大；模型制作得越大，和實際情況的誤差越小。

　　除了振動臺，實驗室建設的L形大型反力墻的高度也突破了其他高校同類墻面高度的上限，可以為6層樓高的足尺結構模型提供抗震試驗研究；實驗室的屋頂采用天窗設計，在開啟狀態下能夠滿足超過30米的超高振動臺模型的實驗需求。

　　誤差僅允許正負1毫米

　　聽過年初大卡車進出校園車輪聲的北建大師生，大概都會對大型多功能振動臺陣實驗室有印象。經過晝夜連續37個小時的緊張奮戰，振動臺基礎第二次混凝土澆筑完成。在此前3個月，他們經歷了53小時的第一次“大混戰”。

　　“振動臺的基礎是大體積混凝土，我們對基礎的精度要求特別高。”張國偉回憶，當時廠家給振動臺建設執行組提出要求，軌道長達50米，誤差僅允許±1毫米；8根導軌之間的相對誤差也僅允許±1毫米。這樣的要求，就連土建專家都說“很難實現”。

　　經過多次專家論證，他們最終確定了首要保證導軌表面的加工精度。“我們選擇了有高鐵施工經驗的廠家生產導軌，每根7至9米的導軌，表面的精度誤差是0.1毫米。在施工中設計了多種支架的加固和調整措施，保證導軌的支架更穩固，使得澆筑時導軌不會產生變形。”回憶起施工過程，張國偉歷歷在目。

　　在北京建筑大學2260㎡的實驗室大廳內，偌大的場地，一臺振動臺陣顯得有些寂寥。實際上，未來他們計劃再建3臺同樣的振動臺。

　　戚承志指出，4個臺陣的協同工作或非同步的振動激勵，對設備制造商來說也是一項挑戰。頻率越大，對設備的損壞越大，對所需材料、制造工藝、設備指標要求也更高。

　　“四手聯彈”破復雜結構實驗難題

　　四臺多功能振動臺“四手聯彈”是怎樣一個盛景？

　　北京建筑大學土木學院副院長龍佩恒和振動臺建設執行組成員都曾暢想過，“可以單獨控制，也可以雙臺、三臺或四臺組成臺陣系統聯動，像城市分叉曲線橋梁、大跨橋梁、大跨空間結構、高層建筑結構、城市地下綜合管廊、地鐵車站模型等復雜結構的實驗，都可以在實驗室完成”。

　　為實現這一功能，實驗室建設了兩條長度分別為50米和30米的導軌。四臺多功能振動臺安置于導軌內，可以在導軌上任意移動，其中還有兩臺可以跨軌道移動，實現多種形式組合使用。

　　全裝配式鋼框架振動臺試驗、古木結構減振耗能機理振動臺試驗、“華龍一號”核島廠房隔震結構模型振動臺試驗……實驗室剛剛建設完成，已有不少科研團隊表達了盡早在振動臺上開展實驗研究的意愿。

　　“實驗室建成后將是具有國際領先水平大型多功能振動臺陣試驗基地，既可以服務北京市政建設，又將有效地支撐國家地震科技研究，以及服務‘一帶一路’基礎設施建設需求。”北京建筑大學副校長李愛群說，實驗室除了為土木工程、建筑遺產保護工程，以及機械工程、控制工程、信息工程、現代測繪技術、力學等多學科的科學研究服務，還將覆蓋北建大全部理工類專業，對人才培養大有裨益。