地震是一種我們既熟悉又陌生的自然災(zāi)害，由于目前的科學(xué)技術(shù)手段還無法準(zhǔn)確預(yù)報地震發(fā)生的時間、地點和幅度，所以研究如何抵御地震就顯得非常重要了。

地震中所發(fā)生的傷亡很多是由于房屋倒塌所引起的，那么有沒有辦法避免房子等建筑物的倒塌呢？雖然建造一種在多大的地震中都不會倒的房子在技術(shù)上是可行的，但是從經(jīng)濟(jì)角度看卻不合算。所以研究房屋、橋梁、隧道、大壩、管道、渡槽、輸電線路的抗震性能，如何經(jīng)濟(jì)有效地降低地震所造成的損失就顯得非常重要了。科學(xué)家們也提出了各種各樣的減輕地震災(zāi)害的設(shè)想，比如給建筑物加上隔震墊、阻尼器等，讓建筑物變得更加結(jié)實耐震。

那么，怎樣知道這些減震方法是否有效，怎么才能知道建筑物能夠承受多大幅度的地震呢？這些問題目前有兩種主要的解決手段：一種是計算的方法，另一種是試驗的方法。

早在20世紀(jì)40年代，美國就通過強(qiáng)震儀（一種記錄地震振動的儀器）記錄到了地震的運(yùn)動波形，后來世界上安裝了很多的強(qiáng)震儀，獲得了更多地震的記錄。所以，如果想知道一棟建筑物能承受多大的地震，一種方法就是在計算機(jī)中建立這個建筑的數(shù)學(xué)模型，然后輸入各種幅度的震動，通過計算得到這個建筑物的變形和受力情況，以此判斷建筑物是否會破壞或倒塌。這種計算方法需要知道建筑材料和幾何尺寸的準(zhǔn)確參數(shù)，也要保證計算方法可靠有效。

對于一些新型和復(fù)雜結(jié)構(gòu)，由于建筑物本身的參數(shù)可能還不清楚，或者受力特征太過復(fù)雜，這個時候用計算方法算出來的結(jié)果可能就不可信了，甚至根本無法計算。這時可以考慮通過試驗的手段來模擬地震的影響。通過試驗來研究建筑物的抗震能力也有很多種方法，比如通過靜力試驗來測試構(gòu)件的承載力，還有偽靜力試驗、擬動力試驗、子結(jié)構(gòu)混合試驗等手段。不過試驗效果最直觀、試驗加載最方便的試驗手段還是振動臺的試驗方法。

振動臺的思路其實非常樸實，就是把建筑物或建筑模型放在能夠產(chǎn)生與真實地震非常類似的振動試驗機(jī)上，看看它們會不會產(chǎn)生破壞。

文獻(xiàn)記錄中最早的手搖式振動臺

在1890年前后，一個英國人和日本學(xué)者合作研制了一種手搖的振動機(jī)，這個振動機(jī)看上去就像一架紡車，不過偏心輪連接到了一個軌道小車上，小的建筑模型放在軌道小車上進(jìn)行試驗。這種手搖的振動機(jī)也就是最簡單的振動臺，雖然也能產(chǎn)生簡單的運(yùn)動，但所產(chǎn)生的振動畢竟跟真實的地震差別太大，因此人們開始不斷研制更加先進(jìn)的設(shè)備用于模擬地震，而這種模擬地震的裝置就稱為地震模擬振動臺。

利用試驗機(jī)來模擬地震，僅僅能夠產(chǎn)生運(yùn)動顯然是不夠的，人們研究的目標(biāo)是一種能夠與實際地震的動力效應(yīng)基本相同的振動臺。通常的振動臺需要一個剛性臺面來放置建筑模型，然后設(shè)法使臺面運(yùn)動起來以模擬地震的影響。

在液壓伺服和計算機(jī)控制技術(shù)得到充分利用之前，人們采用了各種手段來使臺面運(yùn)動起來，比如前面提到的偏心輪，還有利用擺錘和彈簧產(chǎn)生機(jī)械運(yùn)動的方法，我國的研究人員也曾利用汽車發(fā)動機(jī)來為振動臺臺面提供動力，這種振動臺一般只能產(chǎn)生周期性衰減振動或者周期性往復(fù)運(yùn)動（也稱為簡諧振動），而無法產(chǎn)生和真實地震接近的復(fù)雜振動。

目前的地震模擬振動臺主要有兩種驅(qū)動方式：液壓伺服驅(qū)動和電磁驅(qū)動，液壓伺服驅(qū)動是利用液壓缸來推動振動臺臺面產(chǎn)生運(yùn)動，電磁驅(qū)動的原理類似于電機(jī)和喇叭，通過電磁線圈產(chǎn)生電磁力來推動振動臺臺面運(yùn)動?？上攵?，電磁驅(qū)動振動臺的推力一般較小，運(yùn)動幅度一般也比較小，因此用于抗震研究的振動臺基本上都是液壓伺服式振動臺。

液壓缸又叫做電液伺服作動器，是利用液壓源來產(chǎn)生動力，通過液壓伺服閥來控制液壓缸的運(yùn)動方向和速度，由于液壓伺服閥運(yùn)動非常靈敏，在接收控制器的控制信號后可以產(chǎn)生快速的動作，因此液壓伺服驅(qū)動的振動臺可以產(chǎn)生各種復(fù)雜的運(yùn)動，也能夠很好地再現(xiàn)真實地震的振動。

最早的地震模擬振動臺都是單方向振動的振動臺，隨后出現(xiàn)了水平雙向振動臺和三向六自由度振動臺（這種振動臺既可以水平向運(yùn)動，也可以產(chǎn)生豎向振動，并且可以產(chǎn)生不同方向的轉(zhuǎn)動）。振動臺的控制器也從二極管、三極管組成的模擬電路發(fā)展成為嵌入式集成芯片和計算機(jī)控制相結(jié)合的數(shù)字控制系統(tǒng)。

北京工業(yè)大學(xué)工程結(jié)構(gòu)試驗中心地震模擬振動臺九子臺陣系統(tǒng)

地震產(chǎn)生的振動像水波一樣，是從震源向四周擴(kuò)散的。比如像蘇通大橋這種主跨達(dá)到1千米以上的橋梁，兩個橋墩的地震振動可能就不一樣。地震波隨著空間分布所產(chǎn)生的差異對結(jié)構(gòu)物是有影響的，那怎么通過試驗驗證這種影響呢？這時就出現(xiàn)了振動臺臺陣系統(tǒng)。

所謂振動臺臺陣，就是多個振動臺同時工作，每個振動臺可以產(chǎn)生特定的地震波形，這樣就可以模擬地震在大地中的傳播效應(yīng)了。目前世界上建造了很多的振動臺臺陣，國內(nèi)也有很多單位已經(jīng)建設(shè)和正在建造振動臺臺陣系統(tǒng)。不過國內(nèi)這些地震模擬振動臺臺陣系統(tǒng)清一色都是進(jìn)口的，而北京工業(yè)大學(xué)工程結(jié)構(gòu)試驗中心建成的地震模擬振動臺九子臺陣系統(tǒng)是完全國產(chǎn)的，該系統(tǒng)是目前世界上單臺數(shù)量最多的振動臺臺陣系統(tǒng)，而且前期建設(shè)投資僅花費(fèi)1000多萬元。

對于多個振動臺組成的振動臺臺陣來講，怎樣比較地震波形與臺面實際波形的差異？怎樣避免振動臺產(chǎn)生自激振動（也就是亂動）？怎樣協(xié)調(diào)各個振動臺的運(yùn)動？怎樣提高振動臺臺陣的波形控制精度？怎樣設(shè)計更好用的振動臺臺陣系統(tǒng)？要想建造中國自己的地震模擬振動臺臺陣系統(tǒng)，這些都是值得進(jìn)一步研究的問題。

據(jù)資料顯示，這次我國由天津大學(xué)牽頭建設(shè)的大型地震工程模擬研究設(shè)施將由：地震工程模擬試驗系統(tǒng)、高性能計算與仿真系統(tǒng)、試驗配套與共享系統(tǒng)三大系統(tǒng)組成。主要建設(shè)內(nèi)容包括：

• 大型地震模擬振動臺，三向六自由度，臺面尺寸20×16米，載重1350噸；
• 水下雙子臺可移動振動臺臺陣，三向六自由度，臺面尺寸6×6米，移動范圍45米；
• 試驗水池，最大水深3米，可模擬波浪、海流（河流）等復(fù)雜水動力環(huán)境；
• 混合模擬設(shè)備與測試、計算、仿真設(shè)備。總建筑面積7.7萬平方米，建設(shè)周期5年，總投資預(yù)計超過15億元人民幣。

這套地震模擬裝置建成以后，將成為目前世界規(guī)模最大、功能最強(qiáng)的重大工程抗震模擬研究設(shè)施，必將有利于全面提升抵御自然災(zāi)害的綜合防范能力。

由于日本是一個多地震的國家，因此日本建造的地震模擬振動臺最多，日本除了擁有幾十個中小型地震模擬振動臺以外，還建造了目前世界上最大的振動臺E-Defense，名字的意思就是地震防御的意思。

E-Defense振動臺的臺面尺寸15米×20米，可以承載1200噸，因此按照建筑物的實際尺寸建造試驗?zāi)Ｐ停ó?dāng)然試驗?zāi)Ｐ偷钠矫娉叽缫膊荒艹^振動臺臺面的大?。?，這樣可以更真實地再現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)的抗震能力和破壞特征，有助于科學(xué)家們研發(fā)更有效的減震技術(shù)。

不過這個振動臺的建設(shè)和運(yùn)行費(fèi)用也非常高昂，它的建造花費(fèi)了3億美元，每小時運(yùn)行費(fèi)用就需要5萬元人民幣。所以大型的地震模擬振動臺雖然很有用處，卻也是非常昂貴的試驗設(shè)備。