2024 年 06 月 17 日
所友情怀
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工程力学研究所振动台发展历史
发布时间:2023/04/13

黄浩华

1954年中国科学院土木建筑研究所成立,刘恢先所长成立了中国第一个抗震研究机构,名为抗震组。刘恢先所长非常重视抗震试验研究,1956年从铁道部调来了二台火车皮作为振动台台面,经过几年的研发,于1961年建成了一个123.3 m的机械式单向水平正弦振动台, 1962年获得中国科学院三等奖,中央人民广播电台对外广播。可惜的是在1966年文化大革命中由于试验室倒塌而毁坏。

1963年由黄浩华负责研制1×1.5m电液伺服单水平向地震模拟振动台,由于1966年文化大革命的开展而停止,被批为败家子项目。

1962~1964年建造了数个电磁台,供小型模型试验用。

1979年建成了加速度控制的1.2×1.2m电液伺服地震模拟台,实现了地震波再现,为国内第一台。

1978年北戴河全国地震工程专业会议上决定成立全国研制中型地震模拟振动台的联合研制小组,我所为主力成员,首先在1983年研制成功3×3m单水平向地震模拟台,1988年又研制成功了全国第一台规模最大的5×5m双水平向地震模拟台,设置在地震模拟试验室内。1997年将此振动台改造为三向地震模拟台。

一、12×3.3 m机械式单向水平正弦振动台

机械式单向水平正弦振动台原理图如图1所示,台面为一台火车皮,上有10cm厚的钢筋混凝土作上台面,尺寸为12×3.3m,自重20吨,可载重20吨的试件。台面由两对车轮支承导向,车轮在导轨上滚动。台体一端有弹簧组连到挡墙上,另一端连有摩擦阻尼器。台体中间为起振装置,由两组偏心轮组成,产生单向激振力,见图2。起振装置有两组伞形齿轮换向,用95马力的解放牌汽车发动机驱动。最大出力40吨,最高频率40Hz。

1机械式单向水平正弦振动台原理图

在刘恢先所长的运作下,1956年从铁道部调来了二台火车皮作为振动台台面,后来只用一台作台面,起振装置和弹簧组由所工厂设计组陈文平负责设计,所工厂加工。调试时由黄浩华负责,将弹簧组改少,降低系统的固有频率,为减小系统共振影响,设计了摩擦阻尼器,使系统可正常运行。

振动台建成后,进行了墙体、砖房和高炉的模型试验。1962年获得中国科学院三等奖,中央人民广播电台对外广播。是我国第一台用于抗震试验的振动台,其规模也是世界上最大。可惜的是在1966年文化大革命中由于试验室倒塌而毁坏。

 

2  偏心块惯性式起振机的工作原理图

1.成为正;2.两力抵消;3.两力合成为负;4两力抵消。

二、电磁台

1962~1964年建造了数个电磁台,供小型模型试验用。

3中1×0.8m电磁振动台建于办公楼北一楼108室,由抗震室仪器组设计,所工厂加工。激振器的驱动为500瓦功率放大器,频率范围1~1000Hz,由所仪器组负责制造。激振器出力为100公斤,位移2cm。建成后进行了水坝橡胶模型、冷却塔有机玻璃模型等试验。

3  1x0.8m电磁振动台


4中0.8×0.6m电磁振动台建于办公楼北一楼,由工厂设计组设计,所工厂加工。激振器的驱动为1000瓦功率放大器,频率范围1~1000Hz,由所仪器组负责制造。激振器出力为100公斤,位移2cm。建成后进行了厂房有机玻璃模型、李立的砂层隔振等试验。

4 0.8×0.6m电磁振动台

三、1×1.5m电液伺服单水平向地震模拟振动台

1963年由黄浩华负责研制1×1.5m电液伺服单水平向地震模拟振动台,机械设计由所工厂设计组负责设计,所工厂负责加工,由于1966年文化大革命的开展而停止,被批为败家子项目。

四、加速度控制的1.2 × 1.2m单水平向电液伺服地震模拟台

1979年建成了加速度控制的1.2 × 1.2m单水平向电液伺服地震模拟台,实现了地震波再现,为国内第一台。

利用国家地震局从日本展览会上的展品,出力1.5吨、位移10cm的电液伺服激振器进行配套,机械部分由所工厂设计组负责设计,所工厂负责加工。采用了镁铝合金的台面,静压导轨支承方式。

控制方式由原来的位移控制改造为三参量加速度控制,扩宽了频率范围,位移控制为0~5Hz扩宽到0.1~50Hz,实现了地震波再现,并为后来研制大型振动台打下技术基础。

建成后进行了避雷器、砖房模型等试验。

五、5×5m电液伺服地震模拟振动台

(一)立项

1975年海城地震后,国家对抗地震研究特别重视,计委立项投资要研制地震模拟振动台。地震局(在中国科学院内的局)有意争取立项,下达中国科学院工程力学研究所。

在仪器研究室主任吕启惠主持下搞方案论证和申请报告。当时有电动方案和电液伺服方案之争,拟建3×3m以上的规模。1975年末向地震局和国家计委回报,以电液伺服方案为主去争取。当时黑龙江省副省长陈剑飞也参与了回报。

由于我所上报晚,国家计委立项由中国建筑研究院获得。当时地震局负责这方面工作的于允生说,地震局要单独拨款进行地震模拟台的研发,要工程力学研究所组织人员进行此项工作。

1978年在北戴河召开了全国地震工程专业会议,决定成立全国地震模拟振动台联合研制组进行开发,由建工部抗震办负责组织,国家投资110万元研制费。起初有中国科学院工程力学所、机械部设计总院、机械部自动化所、中国建筑研究院、上海同济大学和天水红山试验机厂组成,后来仅剩中国科学院工程力学所、机械部设计总院、天水红山试验机厂三家组成。地震模拟振动台的研制工作正式列入国家计划。

组织机构建立

为了适应地震局的要求,1977年所内在仪器研究室的基础上成立了大型振动台研究室,

由吕启惠任主任,下设机械组、模控组、数控组和强电组。共有20多人。1978年由黄浩华任主任,1984年改为大型振动台组。

研制方案确定

1978年正式成立了地震模拟振动台联合研制组,基本为中国科学院工程力学所和天水红山试验机厂两家进行开发。

从各研究室研究需要,确定了建造5×5m规模的振动台作为目标。

联合研制组研究决定分两步进行,先进行3x3m单水平振动台的样机研制,积累技术后再进行5×5m双水平向振动台的研制,并留有扩展为三向六自由度振动台的余地。

几个关键点

1976年4月参加地震工程考察团赴美国进行考察,了解和学习国外先进技术,为自行开发进行技术准备。

1)1984年又组织振动台考察组赴日本进行考察,由兰贵禄、黄浩华和刘达三人组成,为调试和继续开发积累技术储备。

2)地震局在日本展览会上为我所进口了1.5吨推力的电液伺服激振器,自行改造为1.2×1.2m单水平向振动台,对控制系统进行了改造,使能进行加速度控制的地震模拟试验,为后来的大台开发打下技术基础。

3)地震局调拨DJS154计算机,为振动台数字控制提供硬件准备。

4)1981年建工部抗震办的龚永松对黄浩华提出国家有200万美元的额度可以进口国外地震模拟振动台,请考虑要不要。向刘恢先所长汇报后,刘所长决定不进口,要自己研制开发,为后来的自行开发定了调。

5)1982年在所内刮起了一股下马风,“国内无能力研制”,“大批钢材白扔在土坑内,是败家的做法,已准备的土建用近200吨钢材退货,相当一部分人员退出了大振动台研究室,所级领导也相继提出怀疑,刘所长、胡聿贤副所长、靳连仲副所长均找黄浩华询问能否搞成,黄浩华回答:“3×3m振动台正在调试,看情况吧”。

6)1983年3×3m振动台研制成功,在天水红山试验机厂由建工部抗震办主持召开了鉴定会,并开展5×5m双水平向地震模拟振动台的研制工作。至此下马风才刹住。

7)1983年兰贵禄副所长临危出面组织地震模拟振动台试验室建设的实施,他调动了全所有关部门的力量,包括基建负责试验室的土建施工,土建设计组负责土建设计,大振动台研究室负责振动台设备的研制,整个工作走上了正规。基础施工是个关键,调动了一个连的部队进行昼夜连续作业施工。

8)1984年胡聿贤任所长,向地震局提出原DJS154计算机太落后,需要进口振动台数字控制系统,地震局批准了从美国MTS公司引进。

9)安装、调试、试运行和鉴定会

1)1984年下半年开始安装和调试。

2)1986年开始进行试运行,进行了几个试验,性能指标达到了研制指标。

3)1988年在哈尔滨召开了5×5m地震模拟振动台的鉴定会。

4)获得了建工部的科技进步三等奖。

5×5m电液伺服地震模拟振动台是我国自行研制的最大的双水平向振动台,是一个大的系统工程,所内先后参与的人员有99人,是工程力学研究所的集体成果。1997年又改造为三向六自由度地震模拟振动台。

 

5  5×5m地震模拟振动台模型试验



作者系工力所研究员,曾任工力所副所长